結(jié)構(gòu)加固新概念-預(yù)應(yīng)力CFRP

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預(yù)應(yīng)力碳纖維加固梁橋

尚守平一、碳纖維加固結(jié)構(gòu)的致命弱點(diǎn)二、關(guān)鍵內(nèi)容研究三、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁橋結(jié)構(gòu)的

工程應(yīng)用四、結(jié)論一、碳纖維加固結(jié)構(gòu)的致命弱點(diǎn)（1）剝離（2）強(qiáng)度利用率低1.碳纖維的剝離撕裂導(dǎo)致被加固構(gòu)件的提前破壞(國內(nèi)外一直未解決的難題)，極限強(qiáng)度降低。普通粘貼碳纖維片材加固因構(gòu)件表面的不平整產(chǎn)生法向力N，剝離破壞。1.碳纖維的強(qiáng)度利用率不到15%（由于碳纖維彈性摸量與鋼材相當(dāng)）普通CFRP加固普通CFRP加固碳纖維標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度碳纖維標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度普通非預(yù)應(yīng)力碳纖維使用強(qiáng)度2強(qiáng)度利用率低

（為控制被加固混凝土構(gòu)件的裂縫不致太寬,普通的非

預(yù)應(yīng)力碳纖維加固限制碳纖維的使用強(qiáng)度）目前世界上只有少數(shù)國家在研究預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固：美國、加拿大、德國、瑞士、日本中國：清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、重慶大學(xué)缺陷：（1）疲勞性能方面試驗(yàn)研究較少，疲勞破壞機(jī)理研究不透徹（2）設(shè)備及工藝難以滿足使用要求，成為研究與應(yīng)用工作的瓶頸（3）長期性能與耐候性能研究很少，預(yù)應(yīng)力損失研究少預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)比非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)提高了材料強(qiáng)度的利用率4-6倍20000.0104000.002碳纖維標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度普通碳纖維利用強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力碳纖維利用強(qiáng)度二、關(guān)鍵內(nèi)容研究

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的二次受力性能研究預(yù)應(yīng)力碳纖維加固受彎構(gòu)件的工藝研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板長期受拉狀態(tài)下應(yīng)力松弛研究

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的疲勞性能研究材料要求:無特殊指標(biāo)。碳板拉伸強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度)>=3000MPa,彈性模量>=140GPa。無氣泡孔隙。粘結(jié)膠正拉粘結(jié)強(qiáng)度>2*混凝土抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。彈性模量>=4.0GPa。

預(yù)應(yīng)力碳纖維加固受彎構(gòu)件的受力性能研究，剝離研究，二次受力研究，非線性研究吊籃砝碼杠桿加載二次受力試驗(yàn)系統(tǒng)碳纖維加固量的試驗(yàn)研究MM第一次受力第二次受力M較大時(shí)截面應(yīng)力M較小時(shí)截面應(yīng)力平截面應(yīng)變截面高度增大時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變考慮二次受力（帶載）加固時(shí)的截面應(yīng)力應(yīng)變分布M較大時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算分布M較小時(shí)截面應(yīng)力的計(jì)算分布二次受力臂一次受力臂一次受力（拋物線）二次受力（接近矩形）考慮二次受力的內(nèi)力臂MM實(shí)際的截面應(yīng)力狀況M二次受力一次受力壓應(yīng)變卸載后一次受力二次受力平截面變形鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線構(gòu)件的彎矩?fù)隙惹€計(jì)算的截面應(yīng)力狀況碳板張拉機(jī)研究碳板錨具研究預(yù)應(yīng)力碳纖維加固受彎構(gòu)件的工藝研究纖維板材預(yù)應(yīng)力張拉裝置碳纖維板錨具當(dāng)梁底為反拱時(shí)

加固前后，在荷載作用下梁的正撓度f不得超過跨度L的1/400。當(dāng)梁底為正拱時(shí)

加固前后，在荷載作用下梁的正撓度f不得超過跨度L的1/400。預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算

與普通預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大體相同。只須注意碳板在截面上的高度位置、屬于體外預(yù)應(yīng)力“配筋”即可。限于時(shí)間關(guān)系，略。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板長期受拉狀態(tài)下應(yīng)力松弛研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板在日照溫差下應(yīng)力狀態(tài)研究預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件

的疲勞性能研究

測(cè)量及加載方案1、靜載試驗(yàn)階段疲勞加載前，加載至5（15）kN，然后卸載，然后緩慢加載至疲勞荷載上限，然后卸載再重新加載，重復(fù)三次。2、疲勞試驗(yàn)階段在1、2、5、10、50、100、150萬次時(shí)停機(jī)，進(jìn)行最大荷載為疲勞荷載上限的靜載試驗(yàn)。3、靜載試驗(yàn)破壞階段疲勞加載至200萬次后如果未破壞，采用靜力加載方式將試件加載至破壞。開裂荷載、屈服荷載、極限荷載均顯著提高預(yù)應(yīng)力加固試件剝離被推遲截面水平向應(yīng)變分布符合平截面變形假定平截面應(yīng)變疲勞試驗(yàn)結(jié)果本項(xiàng)目課題組碳纖維張拉最大預(yù)應(yīng)力4.國內(nèi)外同類技術(shù)碳纖維張拉應(yīng)力比較課題組進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力下的碳纖維加固研究，獲得了一批有價(jià)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一系列加固設(shè)計(jì)理論、實(shí)用公式、施工工藝。2008年10月發(fā)表的學(xué)術(shù)論文《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》、《工程力學(xué)》、國際會(huì)議

[1]尚守平,彭暉等，預(yù)應(yīng)力碳纖維部材加固混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能研究，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003年10月，24卷5期，24－30

[2]彭暉,尚守平,用預(yù)應(yīng)力CFRP對(duì)RC梁的加固工藝研究,建筑技術(shù)開發(fā),2003年5月,30卷5期,第21—23頁[3]彭暉，尚守平，金勇俊，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究，工程力學(xué)，ISSN1000-4750，2008年25卷5期，P142[4]ShoupingShang,PatrickX.W.Zou,Hui

Peng,andHaidong

Wang,.Avoidingde-bondinginFRPstrengthenedRCbeamsusingprestressingtechniques,ProceedingsoftheInternationalSymposiumonBondBehaviorofFRPinStructures,2005HongKong,329-335主編國家CECS規(guī)程

課題組對(duì)瀏陽金剛頭橋成功進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維加固。該項(xiàng)目是世界范圍內(nèi)除德國及英國外第三例成功的預(yù)應(yīng)力碳纖維技術(shù)工程應(yīng)用，也是亞洲第一例工程應(yīng)用。三、預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

已有的國外兩個(gè)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固工程實(shí)例：德國南部實(shí)施的Lauter橋加固工程英國牛津?qū)嵤┑腍ythe橋修復(fù)工程中國金剛頭橋，位于湖南省瀏陽市境內(nèi)106國道線上，建于1963年，至今服役時(shí)間已超過40年。結(jié)構(gòu)體系為典型的鋼筋混凝土T梁結(jié)構(gòu)，全長共39m，分為兩跨，單跨長度19.5m。每跨由5根鋼筋混凝土T形主梁及上部的橋面板組成，T梁之間設(shè)置了較強(qiáng)的橫隔梁聯(lián)系裂縫較多，病害嚴(yán)重，通行能力不足，需要加固原設(shè)計(jì)荷載汽－15，目標(biāo)設(shè)計(jì)荷載汽－20加固方案：主梁通長粘貼初始應(yīng)力為1000MPa的預(yù)應(yīng)力碳纖維板。1、施工工藝混凝土表面處理安裝碳纖維板錨具及張拉機(jī)具

涂抹膠粘劑，安裝碳纖維板張拉碳纖維板至初始應(yīng)力釋放預(yù)應(yīng)力，切斷碳纖維板如有必要進(jìn)行電輔加熱錨具及碳纖維板表面防護(hù)錨具安裝示意張拉碳纖維板將梁表面打磨并在梁表面鑿出錨具槽埋入錨具并用化學(xué)錨栓固定在梁表面和碳纖維板材上涂抹膠粘劑安裝張拉機(jī)具錨具將預(yù)應(yīng)力碳纖維板固定端固定油泵加壓，開始張拉利用角鋼將碳纖維板材壓緊張拉到位后將活動(dòng)端錨具壓板擰緊施工完畢后的加固梁利用溫控設(shè)備在冬季施工時(shí)提升碳纖維溫度冬季施工時(shí)利用加溫設(shè)備對(duì)碳纖維板升溫碳板端部電極溫控設(shè)備4、荷載試驗(yàn)（1）荷載布置車輛布置電阻應(yīng)變片及光纖光柵布置（2）試驗(yàn)結(jié)果及分析

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固效果分析采用光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)加固橋進(jìn)行長期觀測(cè)。端部錨具密封防銹完好的光柵傳感器完好的光柵應(yīng)變傳感器橋底仰視圖長期觀測(cè)結(jié)果：未發(fā)現(xiàn)因碳纖維錨具滑移使碳板產(chǎn)生松弛；碳板的應(yīng)變松弛<0.4%.未發(fā)現(xiàn)碳板粘結(jié)膠流淌；未發(fā)現(xiàn)碳板粘結(jié)膠脆硬；13.635519.633314.351316.35446232007-11-216.452520.565412.135317.54655752007-9-1411.557418.575613.423218.46455442007-8-1411.155416.655612.565315.56475122007-7-1312.551318.684215.455616.5465912006-5-1810.154314.657811.655112.3596492006-4-6000002006-2-168號(hào)4號(hào)3號(hào)2號(hào)應(yīng)變(με)間隔時(shí)間(天)測(cè)量日期

光纜光柵應(yīng)變傳感器碳纖維板松弛長期監(jiān)測(cè)結(jié)果

長期觀測(cè)結(jié)果表明錨具處碳纖維板沒有出現(xiàn)明顯的滑移，加固中采用的錨具具有良好的耐久性。且從每個(gè)傳感器的讀數(shù)可以看出，各碳纖維板在加固后初期的應(yīng)變變化較大，在以后的時(shí)間內(nèi)變化速度都相對(duì)較小。根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力，碳纖維板的初始預(yù)應(yīng)變6000με，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，最大應(yīng)變變化為20.5654με，僅為初始應(yīng)變的0.34%。各傳感器的測(cè)量結(jié)果均略大于計(jì)算結(jié)果，但總體趨勢(shì)比較接近?？梢?，一般在1~2個(gè)月時(shí)間內(nèi)加固梁會(huì)完成大部分時(shí)效應(yīng)變，然后趨于收斂，同時(shí)受其它因素的影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。總體來說，各加固梁總的時(shí)效應(yīng)變很小，對(duì)加固效果的影響也很小。

美國混凝土協(xié)會(huì)(ACI)制定的《外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)規(guī)程》中對(duì)碳纖維片材的最大應(yīng)力進(jìn)行了限制，即在加固設(shè)計(jì)中，碳纖維片材的最大應(yīng)力不能超過極限應(yīng)力的55%。金剛頭橋的碳纖維板的設(shè)計(jì)最大應(yīng)力約為其極限應(yīng)力的40%。

應(yīng)力水平是影響碳纖維板徐變的最大因素，只要碳纖維板所承受的應(yīng)力不超過一定限值就不會(huì)發(fā)生徐變斷裂。這個(gè)一定的限值保守地取在50%比較合適。

有研究顯示，碳纖維片材經(jīng)過徐變后，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍接近于直線，彈性模量有所增加，極限應(yīng)變相對(duì)下降，碳纖維片材的脆性會(huì)增加。所以碳纖維板的徐變，會(huì)導(dǎo)致加固構(gòu)件的剛度增大，但也會(huì)使構(gòu)件的承載能力和延性下降。

從金剛頭橋的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，在加固完成后近兩年的時(shí)間里，碳纖維板的徐變最大值還不到初始預(yù)應(yīng)變的0.4%?？梢钥闯鲭m然碳纖維板的徐變對(duì)整體加固效果是不利的，但由于碳纖維板和端部錨具具有良好的長期性能，使得加固后的碳纖維板的徐變很小，所以這種不利影響也非常有限。

當(dāng)然，這是在使用我們自己研制的錨具的前提下。溫度測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表表程名稱：金剛頭橋光纖光柵試驗(yàn)編號(hào)：07-09-14~09-1523.023.024.221.519.421.521.421.624:1022.622.623.622.020.022.021.522.023:1024.823.223.823.020.222.322.522.622:1024.223.524.223.521.023.022.422.521:1025.023.424.224.021.223.822.622.820:1025.423.824.825.021.424.022.823.019:1025.824.225.224.422.024.523.023.218:1026.224.625.025.022.025.023.623.517:1027.624.4--25.522.526.024.024.016:10橋面梁側(cè)下梁側(cè)上距橋面1.5m高橋底橋面梁側(cè)2梁側(cè)1紅外測(cè)溫(Co)溫度計(jì)測(cè)溫(Co)位置時(shí)間金剛頭橋光纖光柵晝夜溫差測(cè)量數(shù)據(jù)記錄晝夜溫差對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固橋梁的影響5、小結(jié)金剛頭橋是亞洲范圍內(nèi)首次將預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程。金剛頭橋的成功加固及荷載試驗(yàn)證明：預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固技術(shù)具有傳統(tǒng)的碳纖維加固技術(shù)及體外預(yù)應(yīng)力無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在提高結(jié)構(gòu)抗彎剛度、承載力，減小結(jié)構(gòu)變形，抑制裂縫發(fā)展等方面表現(xiàn)出了顯著的效果。作者將通過設(shè)置在金剛頭橋上的光纖光柵傳感器對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的長期效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證及完善該項(xiàng)技術(shù)。加固完成的金剛頭橋四結(jié)論1、預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)可有效提高結(jié)構(gòu)承載能力與抗裂性能，減小結(jié)構(gòu)變形，提高使用階段工作性能，并且有效抑制碳纖維片材與混凝土間的剝離。2、預(yù)應(yīng)力碳纖維加固對(duì)碳纖維的材料強(qiáng)度利用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固，有效解決了非預(yù)應(yīng)力碳纖維加固無法發(fā)揮材