预应力CFRP

预应力CFRP（精选3篇）

预应力CFRP 篇1

摘要：工程中的钢结构不可避免地存在各种缺陷和损伤。在荷载和环境等因素的作用下, 材料发生变化, 引起宏观力学性能的劣化, 导致钢结构工程事故。为确保结构安全工作, 延长使用寿命就必须对损伤构件进行更换或加固, 更换这些构件将造成极大的浪费, 而且会影响结构的正常使用。同时, 结构损伤具有局部性和多发性特点, 这些结构不可能在出现损伤时就立即退役。因此, 寻求经济高效的钢结构加固技术既是土木工程领域亟待解决的技术问题, 又是一个关系到社会可持续发展的问题。

关键词：钢结构,预应力,加固技术

1 钢结构损害的主要因素及加固技术措施

钢结构损害的主要因素有:由荷载变化, 超期服役, 规范和规程改变导致结构承载力不足;构件由于各种意外产生变形、扭曲、伤残、凹陷等, 致使构件截面削弱, 杆件翘曲, 连接开裂等;温差作用下引起构件或连接变形、开裂和翘曲;由于化学物质的侵蚀而产生腐蚀以及电化学腐蚀致使钢结构构件截面削弱;其它包括设计、生产、施工中的失误及服役期中的违规使用和操作等。

钢结构的加固技术措施主要有三种:截面补强法:在局部或沿构件全长以钢材补强, 连成整体使之共同受力;改变计算简图:增设附加支承, 调整荷载分布情况, 降低内力水平, 对超静定结构支座进行强迫位移, 降低应力峰值;预应力拉索法:利用高强拉索加固结构薄弱环节或提高结构整体承载力、刚度和稳度。

2 预应力CFRP加固钢结构技术

目前, 国内外对预应力CFRP加固钢结构技术的研究、试验和应用涉足甚少。因此, 如何将高性能预应力CFRP加固技术引入到钢结构工程的加固中, 以提高钢结构的承载能力和可靠性, 将是钢结构工程加固领域中的一次技术革命。

2.1 传统的钢结构加固存在的问题

焊接加固时, 高温作用使焊接部位的组织及性能劣化;而且焊缝必然存在缺陷, 会产生新的裂纹;焊接结构内部存在残余应力, 与其他作用结合可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体, 裂缝一旦失稳扩展, 就有可能一断到底, 引发重大事故。

采用螺栓连接需要在损伤部位附近的母材上开孔, 削弱了截面, 形成新的应力集中区;普通螺栓在动载作用下易松动, 高强螺栓易发生应力松弛现象, 降低了结构的修补效果。

粘钢加固技术是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板, 依靠结构胶使之粘结成整体共同工作, 以提高结构承载力。

这些加固方法共同的缺点是使结构重量增加很多, 钢板不易制作成各种复杂形状, 运输和安装也不方便, 且钢板易锈蚀, 影响粘结强度, 维护费用高。

2.2 CFRP粘贴加固钢结构的特点

CFRP粘贴加固钢结构是利用粘结剂将CFRP粘贴到钢结构损伤部位的表面, 使一部分荷载通过粘结层传递到CFRP上, 降低了结构损伤部位的应力。粘贴CFRP加固技术具有明显的优势:CFRP的比强度和比刚度高, 加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸;复合材料具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能;柔性的复合材料对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面具有特别的优势。密封性好, 减少了渗漏甚至腐蚀的隐患;简便易行、成本低、效率高, 在狭小空间亦可施工, 特别适合现场修复;施工过程中无明火, 适用于各种特殊环境。

2.3 预应力加固的优点

加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行;施加预应力可直接减小变形, 迅速消除超逾应力和内力峰值;与非预应力方式相比, 可消除应力滞后现象, 充分利用CFRP的高强特性, 提高加固效率;结合可靠锚固, 可降低粘结界面的剥离应力, 避免CFRP整体剥落, 提高加固的可靠性;降低加固费用和使用成本。

3 预应力CFRP加固钢结构施工工艺及步骤

预应力CFRP加固钢结构方案可分为两种, 一是直接粘贴法, 将CFRP两端锚固并施加预应力后, 通过胶粘剂粘贴在钢结构的表面;一般适用于构件表面较平整的拉杆, 对构件或其局部进行加固;二是将CFRP束作为预应力拉索调整应力, 一般适用于对整个结构进行整体加固。

3.1 选材

用于结构加固用碳纤维主要选用PAN基碳纤维, 极限强度可达3500Mpa, 弹性模量约为2.35×109Mpa.树脂体系采用环氧类材料。

3.2 设计

根据待修补结构的受力特点、传力路径和应力-应变场, 确定CFRP布的用量、尺寸和铺设方向等。纤维方向应尽量与损伤构件中最大受力方向保持一致。如果损伤部位处于复杂应力状态, 则纤维取向和铺层顺序应尽量与控制主应力方向一致。

3.3 嵌入式预应力张拉技术

钢结构加固的特殊性, 需要一种简便的预应力施加方式, 传统的预应力施加方式往往是先张拉后锚固, 需要相对复杂的张拉机具, 以及相应的反力装置。在锚固的时候, 预应力损失也比较大。嵌入式预应力张拉技术, 其特点就是先锚固后张拉, 以构件本身和先前的锚固作为张拉受力装置, 无需复杂的张拉机具。嵌入式预应力张拉技术可分次施加预应力, 可对粘结层产生挤压效应, 提高粘贴的可靠性。同时, 因采用先锚固后张拉技术, 预应力损失小, 方法简便有效。

3.4 纤维布安装工艺

表面处理:先用粗砂纸打磨构件的粘结区域, 清理构件表层, 用丙酮或酒精溶液擦洗表面, 去除污染物, 晾置干燥, 用粘结剂浸润表面。

在设计要求的位置打孔, 应远离待加固部位以免造成二次损伤;

采用挤推法安装纤维布, 将纤维布初步张紧;待锚固处胶硬结后第一次施加预应力, 将纤维布完全拉直, 此时纤维布与钢结构构件表面留有一定的空隙;

在纤维布表面抹胶, 将纤维束间的空隙初步封闭, 稍干硬后进行灌胶;

胶稍干后第二次施加预应力至设计的控制应力 (利用挤压效应, 提高粘贴质量) , 用胶将纤维束充分浸透, 提高共同工作性能。

常温下48小时后 (气温较低时应适当延长时间) , 胶充分硬结后, 割除多余的螺杆, 根据结构的实际要求进行表面防护处理。

4 结语

预应力CFRP加固钢结构与加固砼结构在机理方面明显不同, 因此, 为了使这一先进的结构加固方法更广泛地应用于工程实践, 还存在以下问题有待于进一步研究:

钢结构经CFRP加固后, 可视为广义的复合材料结构。不同材料间的粘结界面是加固后体系的薄弱环节, 破坏往往产生于此。因此, 界面粘结机理及界面粘结破坏将成为CFRP加固钢结构技术的研究重点。试验表明, 施加预应力和降低粘结层刚度, 加大粘结层厚度可缓解界面的粘结破坏, 但其函数关系尚需进一步研究。

复合结构界面力学性能参数 (如界面剥离破坏强度、剪切破坏强度) 有待于通过试验来测定, 但目前的试验方法尚不成熟。

钢材与碳纤维均为导电材料, 且碳纤维比钢材具有较高的电位。用粘结剂粘贴时胶层很薄, 且容易存在空隙。当钢结构表面与碳纤维直接接触并处于腐蚀性环境中时, 就会发生电偶腐蚀。按本文所述的预应力施加方法, 可适当加大粘结层的厚度, 提高胶层的饱满度, 应当可以避免发生电偶腐蚀, 但其可靠性尚有待验证。

参考文献

[1]陆赐麟, 尹思明, 刘锡良.现代预应力钢结构, 人民交通出版社, 北京, 2003.

[2]彭福明, 郝际平等.碳纤维增强复合材料 (CFRP) 加固修复损伤钢结构, 工业建筑, 2003年第33卷.

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[4]杨勇新, 岳清瑞, 叶列平.CFRP与混凝土的粘结强度指标。工业建筑, 2003, 33 (2) .

[5]CECS146:2003, 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程[S].

[6]吴刚, 郭正兴, 张继文.碳纤维复合材料加固混凝土结构技术及施工要点[J].建筑技术, 2000, 31 (6) .

[7]吴淑梅。结构碳纤维加固技术施工工法[M].建筑技术, 2000, 31 (6) .

预应力CFRP 篇2

关键词：CFRP,钢绞线,桥梁加固,承载能力

桥梁在设计年限内, 由于汽车超载、不合理养护等因素, 使得桥梁的承载能力有所下降, 为了使桥梁能够正常安全的运营, 需要对其进行加固。工程上常用的加固方法主要有增大截面加固法、外包钢加固法、粘钢加固法、增设支点加固法等[1], 这些加固方法在国内外的应用比较广泛, 并且技术也比较成熟。相比之下, 体外预应力虽然起步较晚[2], 但由于其显著的优势将使其成为众多加固设计的首选方法。

目前, 体外预应力加固技术[3]主要为CFRP加固及钢绞线加固, 由于两种材料的特性不同, 对桥梁承载能力提高的程度也有区别。本文以对T梁加固为例, 采用Midas分别对两种加固方式下的T梁进行建模分析, 对比在不同预拉力作用下因加固材料不同引起T梁内力、挠度的变化结果。

1 体外预应力加固技术

对已经修建完成的桥梁进行加固, 通常情况下是在承载结构本体之外施工, 由于体外预应力具有方便调校和控制、小幅度的增加结构重量、加快建造速度、降低建造成本等特点, 使得体外预应力技术成为一种主要的也是最积极的加固方法。体外预应力加固法就是应用体外预应力索通过后加在原结构上的锚固块和转向装置, 并张拉体外索使原结构产生后加预应力的方法, 该加固方法具有以下特点和优势:

(1) 可平衡地卸掉部分恒载;

(2) 能够很大程度地提升结构的刚度和承载能力;

(3) 体外预应力索应力变化幅度较小, 无明显疲劳问题;

(4) 能够比较有效地控制原结构的裂缝和挠度, 使裂缝部分或全部闭合, 使挠度大幅度减小;

(5) 能够控制和调校体外索的应力;

(6) 当预应力索出现问题时, 便于更换体外力筋。

2 模型参数

2.1 预应力CFRP及预应力钢绞线特性

预应力加固之所以具有较大优势, 主要是因为预应力材料具有抗拉强度高、延伸率低等特点, 本次模型采用的CFRP与钢绞线的材料特性如表1所示。通过对比, CFRP与钢绞线的材料特性也有一定的区别[4], CFRP材料为各向异性材料, 顺纤维向抗拉强度高, 极限强度可达到1380~2689MPa甚至更高, 弹性模量较高, 约为钢绞线的75%左右;CFRP垂直纤维方向的强度和弹性模量较低, 横截面抗剪强度约为纵向抗拉强度的1/10左右;容重约为钢绞线的1/5左右;相比之下CFRP的极限延伸率低于钢绞线, 约为1.2%~1.6% (如图1所示) 。

CFRP及钢绞线与混凝土组合后的应力—应变关系如图2所示, 从图中可以看出, CFRP与混凝土组合后的应力—应变曲线斜率大于钢绞线与混凝土组合后的, 相应的应力值也较大。

此外, 虽然CFRP的横向强度比钢绞线低, 但CFRP的耐久性比钢绞线好, 原因在于它能抵抗在酸、碱等恶劣环境下的化学腐蚀, 当需要加固的桥梁所处环境较差时, 可考虑采用预应力CFRP进行加固。

2.2 构件尺寸及相应参数

为了对比分析两种加固方式的加固效果, 分析模型采用30m简支T梁, 计算跨径为28.86m, 梁体采用C50混凝土, T梁顶板宽1.8m, 厚0.15m, 梁高2m, 马蹄宽度为0.48m, 具体尺寸如图3和图4所示。

2.3 模型计算

利用Midas civil建立三维模型[5], 分析不同张拉力作用下预应力CFRP或预应力钢绞线加固T梁后梁体挠度及内力的变化情况。在模型中体外预应力CFRP或预应力钢绞线横向等距分布于T梁两侧, 单侧预应力索横向距截面中线0.34m, 对体外预应力采用梁端张拉, 由于预应力钢绞线的极限抗拉强度为1860MPa。故笔者主要对张拉值1395 (0.75×1860) ~1860MPa范围内的加固模型进行分析, 张拉值由最小值按93MPa递增考虑。计算模型中共有69个节点、68个单元, 具体计算模型见图5。

3 模型结果分析

通过对预应力CFRP加固模型及预应力钢绞线加固模型分析, 可得到两种加固模型中T梁的挠度及内力变化情况, 为了更好地对比加固模型的结果, 分别对T梁跨中部位的挠度值和内力值进行分析。考虑到不同预应力荷载在两类模型中对加固效果的影响, 预应力荷载依次取为1395MPa、1488MPa、1581MPa、1674MPa、1767MPa和1860MPa, 加固效果分析主要包括加固后挠度情况和内力弯矩情况。

3.1 加固后挠度情况分析

采用预应力CFRP和钢绞线加固后, T型梁体加固模型跨中部位的挠度结果见表2、图6。

从表2可知, 预应力CFRP加固模型及预应力钢绞线加固模型在不同张拉预应力作用下T梁均产生向上的挠度, 且随着预应力的增大T梁跨中的挠度值也相应增大。

从图6可知, 随着预应力的增加, 预应力CFRP及预应力钢绞线加固后产生的跨中挠度值按照1.2mm、1.3mm等值递增。通过对两类加固模型挠度值的对比, 预应力CFRP加固后的T梁挠度值比预应力钢绞线加固后的值要大1.4~1.9mm, 表明CFRP加固后的T梁跨中挠度提升幅度较钢绞线加固后的大。

3.2 加固后内力弯矩情况分析

采用预应力CFRP和钢绞线加固后, T型梁体加固模型跨中部位的内力结果见表3、图7。

由表3和图7可知, T梁跨中处的绝对值弯矩随着预应力的增加也相应增大, 其中预应力钢绞线加固后产生的最大弯矩值按245.5k N·m递增, 预应力CFRP加固后产生的最大弯矩值按254.5k N·m递增。从图7可知, 在不同预拉力作用下, T梁在两种体外预应力筋的作用下均产生负弯矩, 使T梁底部受压, 顶部受拉, 两种加固模型的弯矩之差为135.1~180.2k N·m, 采用预应力CFRP加固后的T梁弯矩提升程度较钢绞线加固后的大。

同时, 预应力钢绞线和预应力CFRP加固后的T梁挠度和弯矩值均随着预应力增加而呈线性增加, 在相同的预应力作用下T梁产生的弯矩值和挠度值有一定的差别, 这主要是因为加固材料的特性差异引起的。由于CFRP强度高, 延伸率低, 在一定预拉力范围 (1395~1860MPa) 内, 预应力CFRP加固T梁后产生的挠度值和弯矩值较钢绞线加固后的大。

4 结语

通过对预应力CFRP及预应力钢绞线加固T梁的分析, 可以得到以下结论:

(1) 在相同预应力作用下, 两种加固方法均能在一定程度上提高桥梁的承载力;在不同预应力作用下, 随着预拉力的增大, T梁的挠度值及弯矩也相应增加。

(2) 采用预应力CFRP加固时, T梁产生的挠度及内力变化情况相对于预应力钢绞线大, CFRP对T梁承载能力的提升程度较大。

(3) 在一般情况下, 从加固的经济性、施工难度、技术成熟度等角度来看, 运用预应力CFRP加固的优势并不是十分明显, 但当T梁处于酸、碱等腐蚀性恶劣环境时, 可以考虑采用预应力CFRP对T梁进行加固。

参考文献

[1]邓秦峰.混凝土桥梁加固与技术改造技术概述[J].山西交通科技, 2006 (4) :43-145.

[2]何广宝.体外预应力技术在桥梁加固中的应用[J].交通标准化, 2013 (10) :113-115.

[3]朱正伟, 刘东燕, 彭文轩.体外预应力技术在桥梁加固中应用的思考[J].重庆建筑大学学报, 2005 (4) :46-50.

[4]郑宏宇.CFRP缆索悬索桥基本性能及若干关键技术研究[D].南京:东南大学, 2007.

预应力CFRP 篇3

在使用荷载作用下,碳纤维布加固部分预应力梁(以下简称加固梁)截面可能开裂,因此,需进行加固梁截面几何参数的计算,分析梁的应力和应变。在进行构件的疲劳强度设计时,需要进行使用荷载作用下的应力分析,确定混凝土、钢筋的应力幅值。同时,准确的应力应变分析可以评估碳纤维布的加固效果。此外,曲率、裂缝宽度的计算和其他可靠性分析都需要对加固梁进行使用荷载作用下的应力和应变分析。

1 加固梁正截面应力、应变分析

1.1 加固梁正截面分析的基本假定

使用荷载作用下碳纤维布加固部分预应力梁受力分为三个阶段[1]:第一阶段,截面未开裂阶段;第二阶段,截面刚开始开裂至非预应力筋屈服阶段;第三阶段,屈服后至加固梁破坏阶段。本文拟对前两个阶段进行详细分析。

本文提出CFRP加固部分预应力混凝土梁的正截面应力和应变分析的基本假定如下:

(1)梁受弯后截面符合平截面假定。

(2)受压区混凝土的应力为三角形分布,混凝土应力应变为线性关系。

(3)截面开裂后,受拉区混凝土的抗拉强度贡献不计。

(4)预应力钢筋和非预应力钢筋与混凝土有良好的粘结。荷载引起的钢筋应变与其周围混凝土的应变相等。

(5)CFRP材料采用理想的弹性应力应变关系,CFRP材料与混凝土之间无滑移,不考虑混凝土剥落和CFRP材料撕落等脆性破坏的发生,只考虑钢筋屈服,CFRP材料拉断和混凝土压坏等塑性破坏情况。

1.2 正截面应力、应变分析

1.2.1 未开裂截面

在使用荷载作用下的加固梁,如果截面处于未开裂的状态,可用材料力学公式计算混凝土、钢筋、碳纤维布的应力。计算时采用换算截面,将全部纵向非预应力钢筋、纵向预应力钢筋、碳纤维布截面面积换算成混凝土的截面面积之和。此外,用碳纤维布粘贴梁底前,梁已承受自重和恒载的作用,粘贴面已有应力存在,这应力是压应力或是拉应力取决于有效预压力和恒载的大小。因此,分析需分两阶段进行。

第一阶段:F+MD(MD=MDL+MSD)

这个阶段梁没有进行碳纤维布加固,碳纤维布的应力为零。F为梁内有效预压力,MD是由梁自重(MDL)和梁加固前恒载(MSD)作用下的弯矩。由预应力结构基本理论,沿截面各部分的应力计算如下。

预应力筋的应力:

式中,σse为扣除所有预应力损失后预应力筋的有效预压应力。

非预应力筋应力:

截面上边缘应力:

截面下边缘应力:

以上几式中A0、A0分别为换算截面面积、纵向预应力钢筋的截面面积;ep0为未加固截面的换算截面重心至预应力钢筋合力点的距离;Ig为未加固截面换算惯性矩;ys、yt、yb分别为受拉区非预应力钢筋合力中心至未加固截面重心的距离、混凝土受压、受拉边缘至未加固截面重心的距离。

第二阶段:F+M(M>MDL+MSD)

这个阶段碳纤维已粘贴梁底,在使用荷载作用下应该考虑碳纤维布所承担的荷载。为计算这部分的应力,需要用到未加固梁、加固梁两种截面几何参数。

预应力筋的应力:

式中,ic为加固截面的回转半径,ep为加固截面的换算截面重心至预应力钢筋合力点的距离。

非预应力筋应力:恒载作用下,非预应力筋重心水平处的混凝土应力可由(2)式得到,活载作用下,需考虑碳纤维对截面应力的影响,非预应力筋重心水平处的混凝土应力为:

式中,Ac为CFRP加固后的截面面积,A0+ncfAcf;Ic为加固后截面换算惯性矩;ep为加固截面的换算截面重心至预应力钢筋合力点的距离;ysc为受拉区非预应力钢筋合力中心至加固截面重心的距离。

非预应力筋应力σs可通过计算非预应力筋重心水平处的混凝土应力之和,并乘以非预应力筋弹性模量与混凝土弹性模量之比得到:

ns为非预应力筋弹性模量与混凝土弹性模量之比,Es/Ec。

碳纤维布应力:

梁底粘贴碳纤维后,碳纤维只承受活荷载的作用。碳纤维布重心水平处的混凝土应力和布内真实应力如下:

式中,ycf为碳纤维布重心水平处至加固截面重心的距离;ncf为碳纤维布弹性模量与混凝土弹性模量之比,Ecf/Ec。

上缘混凝土应力:

恒载作用下由式(3)得到。

活载作用下:

式中,ytc为混凝土受压边缘至加固截面重心的距离。

总应力:

下缘混凝土应力:

式中,ybc为凝土受拉边缘至加固截面重心的距离。

1.2.2 开裂截面

开裂弯矩Mcr,开裂弯矩定义为使梁的预压受拉边缘开始出现裂缝时的弯矩。在式(13)中ft用代替σcb、Mcr代替M得:

式中,Wb=Ig/yb、Wbc=Ic/ybc,从式(14)中解出Mcr得:

由(5)式可得:

把式(16)代入(15)得:

开裂截面应力:

基于预应力混凝土基本理论,预压力和恒载作用下截面下边缘混凝土应变εcb可由下式求得:

有效预压力和恒载作用下预应力钢筋处混凝土应变:

式中cb=h-c,压应变为正,拉应变为负;i为未加固截面的回转半径。

混凝土中最大拉应力超过了混凝土的抗拉强度,裂缝发生。一旦加固梁开裂,受拉区混凝土的抗拉强度忽略不计。由于预应力的存在,使得计算开裂加固梁各部分的应力更加复杂,需用力的平衡方程来确定中和轴的位置。

由力的平衡方程:

从图(1)可得到:

上式方程两边乘以c,整理后得σct:

观察可以发现,上式方程中有两个未知量,因此需补充一个弯矩平衡方程,M外=M内,内力对中和轴取矩等于外载荷产生的弯矩:

方程(22)两边乘以c,整理后得σct:

联立方程(21)与(23),整理后可得c的一元三次方程:

式(24)是求开裂截面中和轴位置的通用公式,不仅适应于部分预应力混凝土加固梁,还可应用于普通钢筋混凝土加固梁。如令Acf=0则可得未加固梁的分析方法。

一旦中和轴位置解出,把它代入式(23),求出σct,由虎克定理可得εct。由图(1)简单的几何关系可得到其他位置的应力、应变。为了得到预应力筋的应力、应变,需要计算消压阶段预应力筋的附加应变:

预应力筋的最终应变为:

预应力筋的应力为:

非预应力钢筋的应变、应力为:

碳纤维布的应变为:

式中,消压后碳纤维布应变为:

由式(18)、(30)得碳纤维布的应力为:

注:用碳纤维加固已开裂截面时,εcb的计算应该用未加固开裂截面的几何参数计算。

2 开裂截面几何特征

中和轴的距离确定后,可用下式求出开裂截面的重心(以截面上边缘为原点):

上式中Acr开裂截面的换算截面面积:

开裂截面的惯性矩:

一旦开裂截面的惯性矩计算出,可求得基于ACI规范推荐的有效惯性矩[2]:

开裂截面的几何特性可用来计算从截面开裂到非预应力筋屈服阶段的变形。

3 结语

本文对CFRP加固部分预应力混凝土梁在使用荷载作用下的正截面应力、应变进行了分析探讨,并且给出了开裂弯矩和开裂截面惯性矩的计算公式,为与试验结果对比提供了理论依据,为进行加固梁的疲劳等性能的研究提供了理论基础。

参考文献