預應力FRP加固混凝土受彎構件試驗及設計理論研究.pdf

1、隨著技術和經(jīng)濟的發(fā)展，世界各國在大規(guī)模建設完成之后對工程結構加固的需求逐年增長，對既有工程結構的維修和加固已成為土木工程領域日益活躍的分支。在不中斷結構使用功能的目標下，探索高效、簡便、經(jīng)濟實用的結構加固方法，成為加固設計和研究人員至高的目標。在眾多結構加固技術中，預應力方法能夠主動調(diào)整原結構內(nèi)力，有效降低原結構材料的應力水平，縮小變形，減小加固材料的應力滯后現(xiàn)象，高效發(fā)揮加固材料的性能。因此，在對一般結構構件加固方案選擇時，宜優(yōu)先選用

2、預應力方案。 FRP作為一種新穎的高強、高性能結構材料在工程結構的加固中具有巨大的應用前景，但是，目前多采用非預應力普通粘貼FRP，它尚具有明顯的缺點：加固用FRP只有在被加固結構二次受荷、發(fā)生進一步變形之后才能逐步參與作用，加固效率較低；不能調(diào)整原結構的受力狀況，對結構正常使用狀態(tài)的性能改善極小。然而，迄今國內(nèi)外對預應力FRP加固技術的研究相對較少，相應的工程應用極少，根本的原因在于對FRP的錨固、張拉等關鍵技術尚未得到較好的

3、解決，從而影響了預應力FRP加固技術的研究及應用。本文結合獨創(chuàng)的預應力FRP錨固張拉夾具，試驗驗證了這一技術的可行性，并結合梁、板等構件的加固試驗，系統(tǒng)研究了預應力FRP抗彎加固的各項性能，建立和完善了相應的設計分析理論，并成功的將預應力FRP加固方法應用于工程實踐，同時，撰寫成了本論文。現(xiàn)將文中主要內(nèi)容簡述如下： 1．預應力纖維布錨固、張拉夾具的研制開發(fā)根據(jù)“先錨吲，后橫向張拉”的思路，設計開發(fā)了高強纖維布新型的預應力張拉、錨

4、同裝置，試驗表明，該裝置可簡便、可靠的對纖維布實施預應力張拉，成功的將CFRP張拉至1600MPa以上。結合這種新型的預應力張拉、錨固裝置，提出了通過扭矩扳手的讀數(shù)對FRP張拉應力進行控制的思路，建立了FRP張拉應力、張拉夾片相對位置及張緊螺栓扭矩三者之間的函數(shù)關系，在此基礎上，設計制作了可供現(xiàn)場使用的FRP張拉應力控制樣表，為FRP張拉應力的現(xiàn)場控制提供了非常便捷的方法。 2．纖維布材料性能及其試驗研究設計了適合于纖維布材料力

5、學性能指標測試的試驗裝置，對加固用CFRP、GFRP進行了各種力學性能指標測試，結合特定的裝置，開展了一定數(shù)量的FRP應力松弛試驗，試驗驗證了這些裝置的可行性和可靠性，試驗指出GFRP存在有較為明顯的應力松弛現(xiàn)象，而CFRP未能觀測到明顯的應力松弛現(xiàn)象。 3．預應力CFRP加固混凝土梁抗彎試驗研究開展了8根混凝土梁的正截面抗彎加固試驗，對CFRP張拉預應力，最大初始張拉應力達1070 MPa，驗證了錨固或張拉夾具的可靠性。試驗結

6、果表明，預應力CFRP加固受彎構件，可使被加固構件產(chǎn)生反拱，有利于被加固構件恢復變形，推遲構件開裂，增加剛度；與非預應力加同相比，可大幅提高極限狀態(tài)下CFRP應力水平，從而增加被加固構件的正截面承載力；足夠大的初始張拉應力及良好的結構膠是CFRP高效受力的保障；在被加固結構的承載力出現(xiàn)較大提高的同時，變形能力不減反增；軟粘結作用在改善CFRP工作條件、提高CFRP加同效率、保障預應力CFRP與被加固結構共同工作等方面具有重要作用；對試驗

7、用CFRP，提出了初始預張應力及設計強度的建議值，在保證良好的加固效率和結構性能的同時，加同后的構件將具有足夠的可靠性。 4．預應力GFRP加固混凝土板試驗研究進行了6塊混凝土板的加載試驗，與普通粘貼GFRP的加同方式相比，采用預應力GFRP加固具有以下特點：構件破壞時GFRP的應力水平明顯提高，被加固構件的極限承載力增量更大；可較人改善被加固構件正常使用性能，提高構件剛度，延遲開裂，降低裂縫寬度；二次受力的試驗提供了持荷狀態(tài)下

8、結構構件加固、變形恢復、裂縫閉合的有效措施，預應力GFRP加固可恢復或部分恢復被加固構件的變形，閉合或部分閉合既有裂縫：在一次受力開裂后，加固效果有所降低，主要原因是既有裂縫的重開裂影響GFRP應力的充分發(fā)展和發(fā)揮；用于GFRP粘貼的結構膠的塑性特征有利于GFRP應力的充分發(fā)展和發(fā)揮：試驗過程未發(fā)生錨固與張拉的裝置的失效。 5．預應力FRP加固鋼筋混凝土受彎構件的設計理論研究對預應力FRP加固受彎構件正截面按可能的破壞形態(tài)進行了歸納分類

9、，建立了超筋破壞、部分超筋破壞、適筋破壞的承載力計算及其判斷方法，提出了按正常使用狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)對FRP主要設計參數(shù)進行控制、選擇的方法：提出了撓度變形計算建議，并對預應力FRP加固受彎構件的延性特征建立了函數(shù)關系。分析結論表明：預應力FRP能使被加固構件恢復變形、閉合裂縫，可根據(jù)使川階段撓度恢復的目標對FRP主要參數(shù)進行設計；預應力FRP加固構件破壞形態(tài)不僅與FRP面積有關還與FRP的預應力度有關。預應力FRP加固構件的適筋破壞

10、是較為常見的破壞形態(tài)，其承載力計算按本文提出的方法，計算精度更高；將FRP的材料強度分項系數(shù)取定在與混凝土相近(γ<,f>=1.4)時被加固構件將具有不低于現(xiàn)行規(guī)范的可靠度：合理的FRP預應力、良好的軟粘結界面不僅可以加大被加固構件極限撓度、對其延性系數(shù)的改善也能發(fā)揮較大作用。 6．預應力FRP加固受彎構件的數(shù)值分析編制了預應力FRP加固受彎構件正截面承載力的全過程分析程序，并對相關影響參數(shù)進行了針對性分析。全過程分析程序與試驗

11、實測的結果吻合良好； FRP面積、FRP初始預拉應變、FRP極限拉應變是影響預應力FRP加固受彎構件正截面承載力的三個重要因素；FRP初始預拉應變對被加固構件的極限承載力及其破壞形態(tài)均有影響，當FRP初始預拉應變生小而大變化時，構件破壞形態(tài)將可能在超筋破壞、部分超筋破壞、適筋破壞之間變化，構件正截面極限承載力將在(超筋與部分超筋)界限破壞時最大；變化FRP面積，破壞形態(tài)也將發(fā)生相應變化， (超筋與部分超筋)界限破壞時截面的極限曲率最大。

12、 7．軟粘結機理及其它問題的分析探討分析表明，合適的軟(弱)粘結可對裂縫截面結構材料(鋼筋、FRP)進行較為有利的應力重分布，能有效改善裂縫出現(xiàn)后加同用FRP的受力環(huán)境，粘滯的軟粘結模型還將改善結構的動力特性和抗震性能；通過數(shù)值分析程序，驗證了分析結論。采用預應力FRP與非預應力FRP混雜加固受彎構件是一種經(jīng)濟與結構性能俱佳的加固方案，數(shù)值模型表明，混雜加固的措施對被加固構件的極限承載力有小幅降低，但能大幅提高被加固構件的極限變

13、形?！盁o錨”預應力FRP加固技術具有諸多的優(yōu)勢，對放張后FRP在端部粘結界面的應力狀態(tài)建立了函數(shù)關系，分析表明，采用延性指標較好的結構膠，配合必要的輔助錨固措施，可保障粘結界面足夠的可靠性，指出了“無錨”預應力FRP加固技術具有理論上的可行性和可能性。 8．預應力CFRP加固混凝土梁的工程實踐通過采用預應力CFRP加固受彎構件的工程實踐，表明本文的預應力CFRP加固技術在工程實際中應用具有良好的可行性，加固施工方便、快捷，加固后