結構加固新概念-預應力CFRP

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預應力碳纖維加固梁橋

尚守平一、碳纖維加固結構的致命弱點二、關鍵內容研究三、預應力碳纖維板加固梁橋結構的

工程應用四、結論一、碳纖維加固結構的致命弱點（1）剝離（2）強度利用率低1.碳纖維的剝離撕裂導致被加固構件的提前破壞(國內外一直未解決的難題)，極限強度降低。普通粘貼碳纖維片材加固因構件表面的不平整產生法向力N，剝離破壞。1.碳纖維的強度利用率不到15%（由于碳纖維彈性摸量與鋼材相當）普通CFRP加固普通CFRP加固碳纖維標準強度碳纖維標準強度普通非預應力碳纖維使用強度2強度利用率低

（為控制被加固混凝土構件的裂縫不致太寬,普通的非

預應力碳纖維加固限制碳纖維的使用強度）目前世界上只有少數(shù)國家在研究預應力碳纖維片材加固：美國、加拿大、德國、瑞士、日本中國：清華大學、同濟大學、東南大學、重慶大學缺陷：（1）疲勞性能方面試驗研究較少，疲勞破壞機理研究不透徹（2）設備及工藝難以滿足使用要求，成為研究與應用工作的瓶頸（3）長期性能與耐候性能研究很少，預應力損失研究少預應力碳纖維加固技術比非預應力碳纖維加固技術提高了材料強度的利用率4-6倍20000.0104000.002碳纖維標準強度普通碳纖維利用強度預應力碳纖維利用強度二、關鍵內容研究

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

預應力碳纖維板加固受彎構件的疲勞性能研究材料要求:無特殊指標。碳板拉伸強度（標準強度)>=3000MPa,彈性模量>=140GPa。無氣泡孔隙。粘結膠正拉粘結強度>2*混凝土抗拉標準強度。彈性模量>=4.0GPa。

預應力碳纖維加固受彎構件的受力性能研究，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系統(tǒng)碳纖維加固量的試驗研究MM第一次受力第二次受力M較大時截面應力M較小時截面應力平截面應變截面高度增大時的應力應變考慮二次受力（帶載）加固時的截面應力應變分布M較大時截面應力的計算分布M較小時截面應力的計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）考慮二次受力的內力臂MM實際的截面應力狀況M二次受力一次受力壓應變卸載后一次受力二次受力平截面變形鋼筋應力應變曲線混凝土應力應變曲線構件的彎矩撓度曲線計算的截面應力狀況碳板張拉機研究碳板錨具研究預應力碳纖維加固受彎構件的工藝研究纖維板材預應力張拉裝置碳纖維板錨具當梁底為反拱時

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。當梁底為正拱時

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。預應力碳纖維片材加固受彎構件的設計計算

與普通預應力鋼筋混凝土結構大體相同。只須注意碳板在截面上的高度位置、屬于體外預應力“配筋”即可。限于時間關系，略。

預應力碳纖維板長期受拉狀態(tài)下應力松弛研究預應力碳纖維板在日照溫差下應力狀態(tài)研究預應力碳纖維板加固受彎構件

的疲勞性能研究

測量及加載方案1、靜載試驗階段疲勞加載前，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，重復三次。2、疲勞試驗階段在1、2、5、10、50、100、150萬次時停機，進行最大荷載為疲勞荷載上限的靜載試驗。3、靜載試驗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應力加固試件剝離被推遲截面水平向應變分布符合平截面變形假定平截面應變疲勞試驗結果本項目課題組碳纖維張拉最大預應力4.國內外同類技術碳纖維張拉應力比較課題組進行了高預應力下的碳纖維加固研究，獲得了一批有價值試驗數(shù)據(jù)，建立了一系列加固設計理論、實用公式、施工工藝。2008年10月發(fā)表的學術論文《建筑結構學報》、《工程力學》、國際會議

[1]尚守平,彭暉等，預應力碳纖維部材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究，建筑結構學報，2003年10月，24卷5期，24－30

[2]彭暉,尚守平,用預應力CFRP對RC梁的加固工藝研究,建筑技術開發(fā),2003年5月,30卷5期,第21—23頁[3]彭暉，尚守平，金勇俊，預應力碳纖維板加固受彎構件的試驗研究，工程力學，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

課題組對瀏陽金剛頭橋成功進行了預應力碳纖維加固。該項目是世界范圍內除德國及英國外第三例成功的預應力碳纖維技術工程應用，也是亞洲第一例工程應用。三、預應力碳纖維板加固橋梁結構的工程應用

已有的國外兩個預應力碳纖維加固工程實例：德國南部實施的Lauter橋加固工程英國牛津實施的Hythe橋修復工程中國金剛頭橋，位于湖南省瀏陽市境內106國道線上，建于1963年，至今服役時間已超過40年。結構體系為典型的鋼筋混凝土T梁結構，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梁之間設置了較強的橫隔梁聯(lián)系裂縫較多，病害嚴重，通行能力不足，需要加固原設計荷載汽－15，目標設計荷載汽－20加固方案：主梁通長粘貼初始應力為1000MPa的預應力碳纖維板。1、施工工藝混凝土表面處理安裝碳纖維板錨具及張拉機具

涂抹膠粘劑，安裝碳纖維板張拉碳纖維板至初始應力釋放預應力，切斷碳纖維板如有必要進行電輔加熱錨具及碳纖維板表面防護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具錨具將預應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端錨具壓板擰緊施工完畢后的加固梁利用溫控設備在冬季施工時提升碳纖維溫度冬季施工時利用加溫設備對碳纖維板升溫碳板端部電極溫控設備4、荷載試驗（1）荷載布置車輛布置電阻應變片及光纖光柵布置（2）試驗結果及分析

預應力碳纖維板加固效果分析采用光纖光柵應變傳感器對加固橋進行長期觀測。端部錨具密封防銹完好的光柵傳感器完好的光柵應變傳感器橋底仰視圖長期觀測結果：未發(fā)現(xiàn)因碳纖維錨具滑移使碳板產生松弛；碳板的應變松弛<0.4%.未發(fā)現(xiàn)碳板粘結膠流淌；未發(fā)現(xiàn)碳板粘結膠脆硬；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4號3號2號應變(με)間隔時間(天)測量日期

光纜光柵應變傳感器碳纖維板松弛長期監(jiān)測結果

長期觀測結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。且從每個傳感器的讀數(shù)可以看出，各碳纖維板在加固后初期的應變變化較大，在以后的時間內變化速度都相對較小。根據(jù)設計的預應力，碳纖維板的初始預應變6000με，而監(jiān)測數(shù)據(jù)中，最大應變變化為20.5654με，僅為初始應變的0.34%。各傳感器的測量結果均略大于計算結果，但總體趨勢比較接近。可見，一般在1~2個月時間內加固梁會完成大部分時效應變，然后趨于收斂，同時受其它因素的影響時會出現(xiàn)一定的波動?？傮w來說，各加固梁總的時效應變很小，對加固效果的影響也很小。

美國混凝土協(xié)會(ACI)制定的《外貼FRP加固混凝土結構設計和施工指導規(guī)程》中對碳纖維片材的最大應力進行了限制，即在加固設計中，碳纖維片材的最大應力不能超過極限應力的55%。金剛頭橋的碳纖維板的設計最大應力約為其極限應力的40%。

應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力不超過一定限值就不會發(fā)生徐變斷裂。這個一定的限值保守地取在50%比較合適。

有研究顯示，碳纖維片材經過徐變后，其應力-應變關系仍接近于直線，彈性模量有所增加，極限應變相對下降，碳纖維片材的脆性會增加。所以碳纖維板的徐變，會導致加固構件的剛度增大，但也會使構件的承載能力和延性下降。

從金剛頭橋的監(jiān)測結果來看，在加固完成后近兩年的時間里，碳纖維板的徐變最大值還不到初始預應變的0.4%?？梢钥闯鲭m然碳纖維板的徐變對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。

當然，這是在使用我們自己研制的錨具的前提下。溫度測量數(shù)據(jù)記錄表表程名稱：金剛頭橋光纖光柵試驗編號：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橋面梁側下梁側上距橋面1.5m高橋底橋面梁側2梁側1紅外測溫(Co)溫度計測溫(Co)位置時間金剛頭橋光纖光柵晝夜溫差測量數(shù)據(jù)記錄晝夜溫差對預應力碳纖維加固橋梁的影響5、小結金剛頭橋是亞洲范圍內首次將預應力碳纖維板加固技術應用于橋梁工程。金剛頭橋的成功加固及荷載試驗證明：預應力碳纖維片材加固技術具有傳統(tǒng)的碳纖維加固技術及體外預應力無法比擬的優(yōu)勢，在提高結構抗彎剛度、承載力，減小結構變形，抑制裂縫發(fā)展等方面表現(xiàn)出了顯著的效果。作者將通過設置在金剛頭橋上的光纖光柵傳感器對此項技術的長期效果進行監(jiān)測，以驗證及完善該項技術。加固完成的金剛頭橋四結論1、預應力碳纖維加固技術可有效提高結構承載能力與抗裂性能，減小結構變形，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、預應力碳纖維加固對碳纖維的材料強度利用程度遠遠高于非預應力碳纖維加固，有效解決了非預應力碳纖維加固無法發(fā)揮材