预应力FRP加固工程结构技术研究进展

预应力FRP加固工程结构技术研究进展

卢亦焱,陈??娟,黄银燊,吴??涛

(武汉大学土木建筑工程学院,武汉430072)

[摘要]??围绕国内外预应力FRP加固技术的研究现状以及最新进展,从预应力FRP加固混凝土结构、预应力FRP加固钢结构、预应力FRP加固中关键技术的研究等方面进行了综述。试验研究表明:预应力FRP加固混凝土能显著提高构件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,改善受弯构件在长期荷载的力学性能,提高构件的疲劳寿命;预应力CFRP加固钢梁后,其屈服荷载和极限荷载相对于对比梁都有明显的提高,其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大;预应力CFRP加固对钢梁的刚度提高作用也比较明显,对低强度的钢材,提高效果更明显;采用预应力FRP加固工程结构的关键问题在于预应力的施加体系、预应力控制值、预应力损失和端部的锚固。

[关键词]??纤维增强塑料;加固技术;混凝土结构;钢结构;研究进展

[中图分类号]??TU58+1.3??[文献标识码]??A??[文章编号]??1009-1742(2008)08-0040-05

1??前言

纤维增强复合材料(fiberreinforcedplastics,FRP)加固技术是一种用胶粘剂把FRP粘贴在结构外部以提高构件承载力的加固方法。由于FRP具有强度高、密

度小、抗疲劳、耐腐蚀等优良的材料特性,以及适用面广、施工方便等优点,因此在加固工程中的应用越来越普遍,FRP加固技术也成为目前国内外研究开发的一个热点。然而一般的加固工程中,该方法仍然存在一些问题:FRP的抗拉强度由于受构件变形的限制以及易出现FRP的剥离破坏而不能充分发挥;FRP对处于使用阶段构件的加固效果不是很理想,对加固构件的开裂荷载和屈服荷载提高不大,往往是在受拉钢筋屈服后,FRP的高强作用才得到发挥。

为了解决这些问题,研究者提出将预应力技术应用于粘贴FRP加固技术中,以发挥两者各自的优势。理论和实践表明,预应力FRP的加固方法是可行的,在提高构件的抗弯承载能力、整体刚度、疲劳寿命,控制裂缝宽度、减小材料塑性徐变、降低构件

[1~6]

挠度等方面都有着明显的作用。文章在综合

[收稿日期]??

2006-10-17

有关资料的基础上,结合笔者所做的研究成果,综述

了该技术研究的现状和最新进展。

2??预应力FRP加固结构力学性能研究

预应力FRP加固所用材料一般采用强度相对较高的纤维材料,如碳纤维(carbonfiberreinforcedpoly-mer,CFRP)和PBO(poly-pphenylenebenzo-bis-oxazole)纤维复合材料等,一般为片材,从外形上又分为板材和布材。比较而言,FRP板较适用于梁、板、柱的抗弯加固和抗剪加固;而FRP布较适用于梁与柱的抗剪、抗弯

[7]

加固,柱与节点的抗震加固。目前预应力FRP加固研究主要集中于对受弯构件加固的研究上。2.1??预应力FRP加固混凝土构件受弯性能研究

Wight、飞渭

[2]

[8]

、尚守平

[9]

、叶列平

[10]

等人进

行了预应力与非预应力CFRP加固梁的试验研究,发现由于预应力CFRP的存在,梁的工作性能发生了变化,内部发生了应力重分布,使得采用预应力CFRP加固的梁,其开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均大幅度提高,提高幅度远大于非预应力加固的提高幅度,并可以改善裂缝发展。张坦贤、吕西林

[基金项目]??国家自然科学基金项目(50678136),湖北省青年杰出人才基金(2004ABB014)

[作者简介]??卢亦焱(1965-),男,福建永定县人,武汉大学土木建筑工程学院教授,博士,博士生导师

等

[11]

进行了预应力及非预应力CFRP布加固一次高程度差别不大,但开裂荷载有一定提高,极限荷载显著提高。预应力碳纤维布由于预应力的存在,对结构有横向约束作用,可以更有效地限制斜裂缝的开展,使得裂缝变得细而密,改善破坏形态。2.3??预应力FRP加固钢结构的研究

目前,国内外已进行了一些采用FRP对钢结构进行防腐蚀、防老化的维护加固研究,也有人开始考虑用FRP对钢桥、钢建筑物进行维护加固,革新原有的维护加固方法

[18,19]

和二次受力梁抗弯试验研究,结果表明用预应力CFRP布加固的梁在一次和二次受力时的开裂荷载、屈服荷载、挠度为1/200时的荷载、极限荷载均比用非预应力CFRP加固的梁大。研究指出,在平均施加预应力的情况下,一次受力与二次受力对极限承载力的影响不大,二次受力条件下的加固梁承载力略低。说明在加固过程中不易或不能预先卸荷的构件,用预应力CFRP布加固具有显著的优越性。T.Kojima

[12]

。现有的采用碳纤维布加

对破损梁采用CFRP加固后发现,受损固钢梁的研究表明,在钢梁屈服前,碳纤维布所起的作用有限,其高强特性并没有得到充分发挥;试验梁破坏时碳纤维布中的拉应力仅为其抗拉强度的10%~20%,加固效果不理想。其原因主要是由于碳纤维的截面较小,而且弹性模量与钢材的弹性模量相近,于是在相同荷载作用下经加固后结构在弹性阶段的应力与应变并没有得到有效减小。文献[20]采用数值方法分析了经过碳纤维加固后的钢结构,发现利用碳纤维布可以有效地提高钢结构部分进入塑性区后的刚度和承载能力,而一般钢结构设计并不考虑材料的塑性承载能力。

由此,研究者提出了采用预应力碳纤维布加固钢梁的方法,将FRP粘结修补技术的优势引入到钢结构加固修复工程中,以提高钢结构的承载能力和结构的可靠性。将碳纤维布进行张拉后再用于钢梁的加固,以使碳纤维布较早地参加工作,从而使其高强度的特点得以提前发挥,提高加固效果。

目前国内在预应力FRP加固钢结构领域内开展的研究工作和工程实例还不多。笔者采用设置永久锚具和反拱施加预应力的方法进行了加固钢梁的试验研究,结果表明

[21]

伤梁加固后,在二次加载过程中不会有新的裂缝产生。钢筋屈服后,CFRP板的应变仍然按线性变化,这证明了在钢筋屈服后,CFRP仍有足够的承载力。

Bryan等

[13]

研究了在加拿大等寒冷地区采用

CFRP棒材给混凝土梁施加预应力的可行性,进行了在-27??低温下CFRP预应力混凝土梁短期受弯试验,结果表明CFRP棒材的短期性能不受低温的影响。El-Hacha

[14]

等试验了采用预应力CFRP

布加固梁在室温(22??)和低温(-28??)下的短期和长期性能,重点研究了温度变化引起的材料或预应力的改变对加固梁的受弯性能的影响。试验结果表明,低温下加固梁强度的提高比在室温下的高20%,预应力对温度的变化不敏感。试验中,未见低温下混凝土与FRP之间的粘结破坏;长期处于室温和低温下,FRP的预应力水平均得到了充分的维持。

Wright

[4,15]

对预应力FRP加固混凝土梁和板的

疲劳性能的研究表明,预应力加固对疲劳破坏更有效,预应力FRP布的存在,降低了内部钢筋的应力,减小混凝土的塑性蠕变和构件的变形,减少了裂缝的分布,提高了构件的疲劳寿命。

2.2??预应力FRP加固混凝土构件受剪性能研究

近年来研究者对预应力FRP加固混凝土的抗剪性能进行了研究。LeesJ.M.等

[16]

,预应力CFRP加固钢梁后,其屈服荷

载和极限荷载相对于对比梁都有明显提高,其提高的程度随着预应力CFRP的用量和预应力水平的提高而增大。而且预应力CFRP加固技术对钢梁的刚度提高作用也比较明显,对低强度的钢材,提高效果更明显。在试验的基础上,笔者对预应力CFRP加固钢梁后的正截面承载力和挠度变化进行了理论分析,初步建立

了预应力CFRP加固钢梁的理论计算体系。

进行了未加固和预

应力CFRP加固的梁的对比试验。结果表明,加固梁的极限抗剪承载力大大高于未加固梁,现行的设计规范和分析方法低估了对比梁和加固梁的抗剪承载力。

刘立新等

[17]

进行了预应力和非预应力CFRP加

固受损和未受损钢筋混凝土梁受剪性能试验研究。结果表明,碳纤维一方面作为桁架模型的腹拉杆,改善钢筋混凝土梁内的受力状态来提高构件的抗剪承载力;另一方面通过限制斜裂缝的开展起到抗剪加固作用,因此无论是预应力碳纤维布还是非预应力碳纤维布加固,均能提高梁的整体刚度和变形性能,而提

3??预应力FRP加固的关键问题

尽管预应力碳纤维布加固技术相对于传统的碳纤维布加固技术有着一系列的优点,但是对预应力碳纤维布加固技术的研究,目前在国内外尚不够深入,待于深入研究内容主要集中在以下几个关键的方面。

卷第8??

3.1??预应力的施加体系

预应力FRP加固技术是一项新颖的加固技术,其中预应力的施加方法无疑是非常重要的。FRP材料的整体强度要远远低于单丝纤维,工艺中的一个关键问题就是如何使得材料截面内力分布尽可能均匀,从而可以将FRP张拉至较高的应力水平。国内外不少研究单位在试验和实践中研究了施加预应力体系,方法主要有以下3种。

1)反拱法。先将FRP片材用环氧树脂粘贴到梁的受拉面,然后用千斤顶从FRP片材外把梁从中部顶起,等胶固化后卸载,这样就对梁施加了一定的预应力。赵启林等

[22]

应力过大会造成混凝土受拉一侧出现微裂缝。因此,对FRP片材施加预应力应该控制在一定的范围内。

郭馨艳等

[25]

提出了将当预应力梁受拉一侧混凝

土的应力达到其抗拉强度时的预应力作为容许张拉预应力,并提出了相应的计算公式。1991年,Trianta-fillou

[26]

提出了在保证预应力体系不发生锚固破坏的

条件下,获得最大预应力水平的分析模型,来预测最大预应力水平,确保释放预应力时端部锚固处不会破坏。次年,Triantafillou对此分析模型进行了试验验证,试验结果与分析结果符合较好人

[28]

[27]

。Garden等

认为较高的预应力水平可以较大地提高结构的

通过这种方法对碳纤维布施

加预应力来加固钢梁,但是该方法仅适用于纤维片材,施工时容易造成梁上部开裂,施加的预应力水平较低且不易控制,具有一定的使用局限性。

2)不设置永久锚具的外部张拉法。EI-Hacha

[23]

刚度及混凝土的承载力,CFRP板的预应力水平至少

[29]

为0.25。Deuring认为,为了获得技术、经济上合理的预应力,应变应控制在50%的板材极限应变范围内。Meier

[30]

认为预应力控制值影响加固梁的极限荷

载和破坏模式。当预应力控制值是FRP抗拉强度的60%~70%时,钢筋屈服,然后FRP板被拉断,因为此时钢筋和FRP板都被充分利用,所以此时为最佳。牛赫东等??pmax=

bbs.99jianzhu.com内容：建筑图纸、PDF/word 流程，表格，案例，最新,施工方案、工程书籍、建筑论文、合同表格、标准规范、CAD图纸等内容。