预应力FRP加固工程结构技术研究进展(2)

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、飞渭、赵启林、尚守平

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等在试验中施加

预应力时均采用此种方法,即先用特制的预张拉设备张拉FRP布,再用环氧树脂将其粘贴到梁的受拉面,胶固化后,在梁的两端剪断,即施加了预应力。理论计算和试验研究表明,采用该方法,预应力碳纤

维布的张拉预应力水平为200~400MPa,预应力水平较低。为了提高初始预应力水平,应该研究预应力FRP在梁端的有效锚固措施。

3)在加固构件上设置永久性锚具。此种方法不需要外部反力架体系,而是利用加固梁自身提供的反力进行张拉,张拉完毕后碳纤维布粘贴在构件上,锚具保留在原位。这样可减小预应力碳纤维布放张时粘贴层的剪切变形,从而降低了传递给混凝土表面的剪力,有效防止了加固梁发生早期破坏,使碳纤维布的强度能充分发挥出来,而且它更适合加固现场施工操作,具有较好的应用前景。EI-Hacha等延续了Wright等人的工作,开发了使用圆形钢筋锚拴的FRP预应力体系,对CFRP开始张拉至650MPa,相当于片材极限抗拉强度的50%。3.2??预应力控制值

采用预应力FRP加固,可以有效改善结构的力学性能,但是FRP片材的张拉预应力并不是越大越好,过高的预应力存在以下问题:FRP是由彼此之间没有粘结的单丝纤维组成,使得纤维之间应力分布很不均匀,缺乏延性使得单丝的纤维达到极限强度后即断裂;FRP片材的应力松弛将随着张拉力的增大而增加;锚固端会由于剪应力值过大而造成破坏;张拉预通过理论分析,基于破坏力学的概念,提

出了仅取决于界面破坏能的最大可施加预应力值:

f2其中,Gf代表界面破坏能,E2代表

FRP的弹性模量,t代表FRP的厚度,下标p表示预应力,f表示破坏。此公式仅适用于不采取任何应力减小措施的情况下,不发生由端部剪应力集中造成的剥离破坏时的最大预应力值。

3.3??预应力损失

Wight认为预应力损失的幅度主要取决于预应力水平和梁的刚度。EI-Hacha等人在试验中对粘贴不同长度预应力CFRP的梁的预应力损失进行了研究,结果表明,放张预应力后,预应力损失随着时间的增加而增加,长度较长的CFRP的预应力损失值较大。他认为长期的预应力损失主要是混凝土的收缩和徐变造成的。

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QuanrillR.J.等通过试验表明,张拉预应力越大,CFRP片材的有效预应力也越大,且呈线性增加,而且,理论计算结果与试验结果一致。另外,当RC梁结构一定时,张拉预应力的大小对FRP片材的预应力损失率无影响。

飞渭、叶列平等人研究后指出,产生预应力损失的因素有:张拉设备的变形、FRP布与转动轴之间的摩擦、混凝土压缩变形及徐变、CFRP的松弛及蠕变、释放预应力引起的损失等。其中前4种因素的影响都较小,张放引起的预应力损失是最重要的因

素。预应力损失与预应力布的层数、宽度、长度、弹性模量以及施加预应力控制值有关。3.4??端部的锚固

Wright等在采用预应力CFRP加固混凝土板的疲劳试验中发现,由于端部锚固的存在,可以延迟CFRP的剥离,从而延迟加固板的最终疲劳破坏的发生。锚固对混凝土梁的极限荷载和破坏形式都有很大的影响。Merier发现如果没有特殊的端部锚固,FRP布在预应力水平为其抗拉强度的5%时锚固区域就发生了早期破坏。

一种常用的锚固措施是在梁端设置U形箍,它能比较有效地防止预应力FRP不在梁端发生锚固粘结破坏,从而在一定程度上提高初始预应力水平。叶列平、尚守平、飞谓等人都是先通过外部反力架对碳纤维布进行张拉,然后进行粘贴,待粘贴的树脂养护至预定粘贴强度后释放张拉力,其梁端使用U形箍进行加固。试验证明,U形箍对阻止端部剥离破坏起到了明显的作用,但当荷载到达一定水平后,U形箍内侧又发生剥离,说明U形箍的施加数量与施加位置有待于进一步研究。另一种锚固措施是在粘结剂硬化后,在两端安装机械夹具,保证FRP的端部对预应力释放有足够的锚固,预应力通过硬化的粘结层传到梁上,最后切除多余的FRP布,获得预应力。机械夹持-树脂粘结型锚固方式综合了上述两种锚固方式的优点。其中一部分力通过树脂的粘结作用传递给套管,并通过粘结和夹片横向压力的综合作用进行锚固,取得了较好的效果。

牛赫东等在试验中对比了3种锚固方式:U形纤维箍、方形纤维锚固、螺栓锚固。结果证明采用铆钉的锚固措施最为有效,他建议增加锚固面积及螺栓数量可提高荷载承受能力。

发和研究方面应该进一步深入。

2)目前还没有计算预应力FRP加固结构承载能力的设计计算公式。一般的理论计算过于理想,

许多试验发现加固梁的极限荷载都小于理论承载力,需要大量的试验研究来进一步完善预应力FRP加结构的承载力、变形等计算模型和设计方法,为工程应用提供依据。

3)为了将预应力FRP加固技术推广开来,还需要对预应力FRP的施工工艺进行进一步研究,以保证结构加固结构的可靠性,满足更高的加固补强要求。

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4??结语

国外在预应力FRP方面的研究时间较早,计算理论和施工技术都相对成熟,已经在许多重大工程

中取得了显著成果。国内由于对于预应力FRP加固的很多问题还没有解决,使得这项技术在应用中不够成熟,还未完全推广到工程应用中,因此该领域有着广阔的发展前景。通过分析比较,提出以下几点建议供今后研究参考。

1)国外已经进行了很多FRP筋材、棒材应用于加固的研究,而国内在预应力FRP加固方面起步较晚,研究大多局限于FRP片材方面,在新材料的开

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