窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用技術(shù)研究報告

第第頁窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用技術(shù)研究研究報告xx學(xué)院目錄TOC\o"1-3"\h\u88221概述 6114311.1研究背景 638321.1.1高強(qiáng)FRP布加固結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀 619311.1.2高強(qiáng)FRP布在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用前景 1063161.2研究目的 12103491.3研究內(nèi)容 12216772嵌入式預(yù)應(yīng)力FRP布加固海洋結(jié)構(gòu)理論分析 1337352.1嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)原理 13290082.2窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶加固海洋鋼筋混凝土梁理論分析 13292962.2.1FRP材料在海洋結(jié)構(gòu)加固中的適用性 1389892.2.2FRP材料加固鋼筋混凝土梁理論分析 1494982.3窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶基材張拉控制應(yīng)力的研究 1747422.3.1張拉控制應(yīng)力確定的一般原則 1786552.3.2FRP基材的受力特點及張拉控制應(yīng)力初步確定 1762012.3.3FRP基材張拉控制應(yīng)力的試驗研究 1818812.3.4FRP基材強(qiáng)拉控制應(yīng)力研究結(jié)論 20177432.4本章小結(jié) 2187303嵌入式預(yù)應(yīng)力FRP布加固鋼筋混凝土梁試驗研究 22239713.1試驗?zāi)康?22131793.2試驗準(zhǔn)備 22240753.2.1試件設(shè)計 22188823.2.2材料力學(xué)性能 23136563.2.3試驗設(shè)備 25214003.2.4測點布置 27200293.2.5試驗控制荷載的估算 28135173.2.6CFRP布的安裝 30147383.3加載試驗 3136043.3.1加載制度及試件安裝 319113.3.3加載試驗 32142863.4試驗結(jié)果 33214853.4.1開裂荷載和極限荷載 33123313.4.2破壞現(xiàn)象 34143583.5本章小結(jié) 36325334窄幅寬纖維布實橋加固工程實例 37122324.1工程概況 37263164.1.1橋梁損傷調(diào)查 3761024.1.2橋梁損傷分析 37118114.2橋梁加固 38112464.2.1加固目標(biāo) 38311474.2.2加固方案 38244574.3加固施工 4249614.4本章小結(jié) 423958參考文獻(xiàn) 44

插圖目錄TOC\t"圖,1"\h1248圖1.1土木工程加固中常用的碳纖維布 930117圖1.2某利用CFRP布加固的結(jié)構(gòu) 917278圖2.1纖維布的錨固 1323269圖2.2纖維布張拉后 1311655圖2.3單筋梁加固截面示意圖 1522542圖2.4單筋梁加固計算簡圖 1527235圖2.5試驗安裝示意圖 1921015圖3.1梁截面尺寸及配筋圖 22407圖3.2混凝土抗壓強(qiáng)度試驗 2414126圖3.3鋼筋拉伸試驗 248786圖3.6底膠 2429855圖3.7微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī) 2623608圖3.8壓力試驗機(jī) 2631967圖3.9TS3866靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀 2731688圖3.10智能裂縫測寬儀 2726334圖3.11試驗梁計算簡圖 293804圖3.12碳纖維布的錨固 3114612圖3.13預(yù)應(yīng)力張拉 3131232圖3.14預(yù)應(yīng)力加固后的試件 3117903圖3.15加載試驗 313516圖3.16測點布置及試驗安裝示意圖 3227768圖3.18KJG-1荷載位移曲線 3417162圖3.19ZJG-1荷載位移曲線 3426484圖3.20ZJG-2荷載位移曲線 3416517圖3.21ZJG-3荷載位移曲線 3426194圖3.22ZJG-4荷載位移曲線 345661圖4.1纖維布的錨固 3918070圖4.2纖維布張拉后 3919278圖4.3CFRP布在板底的布置 4014764圖4.4空心板截面 4031790圖4.5空心板計算簡圖 40

表格目錄TOC\t"表,1"\h30051表1.1代表性纖維軸向力學(xué)性能參數(shù)與鋼、鋁的比較 917381表3.1混凝土力學(xué)性能指標(biāo) 237214表3.2鋼筋力學(xué)性能指標(biāo) 2324083表3.3碳纖維布力學(xué)參數(shù) 2413714表3.4CFRP布拉伸試驗結(jié)果 257996表3.5試驗構(gòu)件概況一覽表 3331421表3.6實測開裂荷載和破壞荷載 33窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用技術(shù)研究1概述1.1研究背景1.1.1高強(qiáng)FRP布加固結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀碳纖維材料最早用于航空航天領(lǐng)域，由于其具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕、與環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠配合可制成性能優(yōu)異的復(fù)合材料，目前已開始大量用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。用于建筑結(jié)構(gòu)加固補強(qiáng)處理的CFRP材料，強(qiáng)度為普通建筑用鋼的十到二十倍，彈性模量與建筑鋼材處于同一水平并略有提高。高強(qiáng)纖維復(fù)合材料(FRP)具有優(yōu)異的物理性能、良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。（表1.1）。纖維材料的這些特點，為建筑結(jié)構(gòu)及橋梁的補強(qiáng)加固處理提供了強(qiáng)有力地支持。自20世紀(jì)80年代至今，CFRP布在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到長足的發(fā)展和應(yīng)用，圖1.1為土木工程領(lǐng)域常用的碳纖維布，圖1.2為某實際應(yīng)用CFRP布進(jìn)行加固的結(jié)構(gòu)。國外對纖維布在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究較早，1981年，瑞典Meier最早采用粘貼碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固了Ebaeh橋，此后十年間，F(xiàn)RP尤其是CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在日本、美國等國家得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。1982年～1991年期間瑞典（EMPA）實驗室的Meier、Kaiser等人對CFRP加固鋼筋混凝土梁采用四點加載方式[1,2,3]進(jìn)行了多項試驗研究，Meier等人指出：在極限承載力方面，加固梁與非加固梁相比提高近一倍；在裂縫發(fā)展方面，加固梁比非加固梁裂縫出現(xiàn)晚，發(fā)展緩慢、裂縫分布更加均勻，裂縫寬度較非加固梁的寬度小；對于CFRP加固梁，平截面假定仍然適用，Meier等人還提出了與試驗結(jié)果具有較好吻合程度的分析模型，深入探討了加固梁的三種破壞形式。Triantafillou于1991年ADDINNE.Ref.{439DBE6E-B5C6-4522-91C6-D7C3836ADF0E}[4]對預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了CFRP布放張后端部應(yīng)力傳遞問題。他認(rèn)為預(yù)應(yīng)力放張后，CFRP布錨固區(qū)破壞方式分為混凝土剪切破壞和粘貼樹脂破壞兩種，采用機(jī)械錨固措施可以提高初始預(yù)應(yīng)力水平。Triantafillou于1992年[5]又進(jìn)一步通過試驗對其分析模型進(jìn)行了驗證，由模型計算出的CFRP布可以施加的最大初始預(yù)應(yīng)力與試驗結(jié)果吻合較好，同時反映出預(yù)應(yīng)力CFRP布對混凝土梁的承載力、剛度和延性加固均具有顯著效果。Quantrill、Nanni等[6-9]通過試驗研究，分析了采用不同的CFRP加固參數(shù)(如面積、寬度、層數(shù)等)對加固粱性能的影響，并建立了理論模型，對受拉CFRP材料的拉應(yīng)變和構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的預(yù)測；Bencardino等人[10]研究了CFRP加固梁的延性，分析了采用不同端部錨固形式對加固梁延性性能的影響；Shahawy等人[11,12]還對不同環(huán)境下采用碳纖維加固的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及疲勞性能進(jìn)行了研究。Garden等人于1998年ADDINNE.Ref.{E401275B-D0E0-44C2-A666-68A60D9C92A9}[13]進(jìn)行了多根粘貼纖維布加固和預(yù)應(yīng)力CFRP加固的1.0m～4.5m鋼筋混凝土梁的四點加載的試驗。通過對比試驗結(jié)果得出：普通粘貼CFRP布加固梁的破壞是由于粘結(jié)層剝離引起，多數(shù)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固梁的破壞是由于CFRP材料拉斷引起；與普通CFRP布加固梁相比，采用預(yù)應(yīng)力CFRP布技術(shù)加固的梁，在開裂荷載、同級荷載下的裂縫寬度、構(gòu)件剛度等方面均得到改善。2001年Wight等ADDINNE.Ref.{0785C3EB-FCA3-49A3-8F26-B4F913A859F4}[14]發(fā)明了固定在梁上的錨固系統(tǒng)，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力的施加延遲了裂縫產(chǎn)生，使鋼筋應(yīng)力顯著轉(zhuǎn)移至CFRP布上，同時對預(yù)應(yīng)力CFRP布加固和非預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的特點作了對比分析，指出預(yù)應(yīng)力CFRP布能有效地提高梁的承載能力。2004年WightandGreen等[15]進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力CFRP布加固梁在室溫（22℃）及低溫（-28℃）環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能對比試驗，結(jié)果表明從22℃到-28℃溫度之間加固梁強(qiáng)度不受溫度影響，低溫狀況下的梁極限抗彎承載力甚至比室溫下梁極限抗彎承載力方略高。Iwashita等在2005年ADDINNE.Ref.{AED0D9AC-D01D-4B72-94DA-1846A2C319A8}[16]將液壓千斤頂張拉裝置安裝于被加固梁端部，對CFRP布進(jìn)行先張拉、后錨固（U型箍或結(jié)合鋼板壓條）的試驗，研究錨固區(qū)粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律。在我國，利用CFRP材料加固補強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究起步較晚。1997年國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心最早開始了“碳纖維材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)試驗研究開發(fā)與應(yīng)用”的研究并定為國家“九五”重點科技攻關(guān)項目。針對該項目于1997年9月至1998年4月進(jìn)行了首批CFRP布加固混凝土基本構(gòu)件的試驗研究，并于1998年公開發(fā)表了國內(nèi)第一篇關(guān)于CFRP加固梁試驗研究的文獻(xiàn)[17]。該試驗針對同一尺寸的鋼筋混凝土梁分別采用不同層數(shù)、不同種類的碳纖維布進(jìn)行了抗彎性能的加固實驗。試驗結(jié)果表明，經(jīng)碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁的承載力有明顯提高；加固后梁的破壞形態(tài)隨CFRP加固量而變化；配筋率越低加固效果越好。隨后，國內(nèi)其它一些高校和科研院所也開始了大量試驗研究，一些關(guān)于應(yīng)用CFRP材料加固后的柱、梁等構(gòu)件抗彎、抗剪及抗震性能方面的文章相繼發(fā)表，給出了相應(yīng)加固構(gòu)件的承載力計算方法[18-27]。天津大學(xué)博士趙彤等人探討了CFRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)理，研究了CFRP使用量對普通混凝土抗壓強(qiáng)度和變形性能的影響，提出了CFRP布約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程，可用于碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析[28]。陳小兵[29-30]等通過試驗研究并結(jié)合理論分析，研究了抗剪加固的混凝土梁的一次受力和二次受力構(gòu)件中兩種材料的協(xié)同工作性能，并給出了FRP的承載力折減系數(shù)建議值為0.7。2001年，東南大學(xué)張繼文[31]采用數(shù)值方法研究了粘貼加固梁，結(jié)果顯示：部分粘結(jié)膠從外粘板端部擠出后在一定程度上能有效減緩應(yīng)力奇異；在影響粘結(jié)界面應(yīng)力的主要因素中一般情況是膠層越薄，膠層彈性模量越高，粘板端點離支座越遠(yuǎn)，粘板越厚，粘板彈性模量越高，粘結(jié)應(yīng)力就越大。趙彤[32]、謝劍[33]等人使用FRP材料進(jìn)行了梁加固試驗，通過對不同影響參數(shù)和試驗梁發(fā)生的不同破壞形態(tài)的進(jìn)行研究，得出了計算模型，并提出了簡化的計算公式。2003年，侯發(fā)亮[34]探討了粘結(jié)加固的基本原理，利用有限元對各種典型加固構(gòu)件粘結(jié)應(yīng)力的分布、大小及規(guī)律進(jìn)行了分析，論述了CFRP粘結(jié)類加固計算方法，并分析和比較了我國及歐、美等國規(guī)范中規(guī)定的計算方法，還分析了三類纖維增強(qiáng)塑料加固結(jié)構(gòu)的有關(guān)試驗和結(jié)果，得出許多有價值的結(jié)論。通過國內(nèi)外學(xué)者的共同努力，高強(qiáng)FRP加固技術(shù)取得了令人矚目的研究成果，但這些成果主要集中于非預(yù)應(yīng)力加固方面，非預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)FRP布加固技術(shù)本身存在著一定的局限性：（1）材料的強(qiáng)度利用率很低，碳纖維材料優(yōu)異的力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮，造成較大的浪費：碳纖維材料只有在結(jié)構(gòu)產(chǎn)生進(jìn)一步變形時才會受力，普通粘貼高強(qiáng)FRP布加固的構(gòu)件往往在FRP布的應(yīng)力水平還很低（不到其極限強(qiáng)度的30%）時就會產(chǎn)生影響正常使用的變形或受拉鋼筋屈服；（2）屬于被動加固方式，不能對結(jié)構(gòu)已有的變形起到糾正；（3）對粘結(jié)材料的依賴性大，往往因為粘結(jié)材料的破壞引起整個碳纖維加固體系的破壞。2005年葉列平等[35]進(jìn)行了模擬實際工程情況的大尺寸T型梁（7m）采用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的試驗研究，開發(fā)了可供實際工程運用的CFRP布預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備。試驗比較分析了不同CFRP布加固量、預(yù)應(yīng)力度、鋼筋配筋率、二次受力因素對加固梁受力性能的影響，在對預(yù)應(yīng)力CFRP布加固效果驗證的基礎(chǔ)上，對常用CFRP布實際所能施加的初始預(yù)應(yīng)力大小進(jìn)行了對比試驗研究。2006年，xx學(xué)院田安國教授研制出新型嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，巧妙地解決了纖維布的預(yù)應(yīng)力張拉難題，使預(yù)應(yīng)力FRP技術(shù)能夠應(yīng)用于工程實踐。2006年至年間，嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)取得了抗彎、抗剪、動力特性、疲勞特性等研究成果，并在工程加固中投入使用。預(yù)應(yīng)力FRP布技術(shù)較好地普通粘貼加固技術(shù)存在的應(yīng)力滯后、不能糾正結(jié)構(gòu)的已有變形、對粘結(jié)材料依賴性強(qiáng)等問題，取得了一系列的研究成果，并在部分加固工程中得到應(yīng)用，具有良好前景。圖1.1土木工程加固中常用的碳纖維布圖1.2某利用CFRP布加固的結(jié)構(gòu)表1.SEQ表1.\*ARABIC1代表性纖維軸向力學(xué)性能參數(shù)與鋼、鋁的比較材料種類比重拉伸強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）熱脹系數(shù)（10-6/℃）延伸率（%）比強(qiáng)度（GPa）比模量（GPa）玻璃纖維E（低導(dǎo)）S（高強(qiáng)）2.553500745.04.81.37292.4949008734M（高模）2.8935001138AR（抗堿）2.7032001.1927碳纖維標(biāo)準(zhǔn)型（T300）1.753500235-0.411.52.00134高強(qiáng)型（T800H）1.815600300-0.561.73.09166高模型（M50J）1.884000485-3213極高模型（P120）2.182200830-1381芳綸纖維Kelvar491.443600125-2.02.52.5087Kelvar1491.452900165-0144HM-501.39310077-1.04.22.2355鋼HRB400鋼筋7.840020012180.0526高強(qiáng)鋼絞線7.81860195123.50.2426鋁2.763074223.00.23271.1.2高強(qiáng)FRP布在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用前景海洋氣候環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于長期暴露而受到氯鹽污染的影響，引發(fā)的鋼筋銹蝕問題比較普遍和突出。因此，關(guān)于海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理、腐蝕防護(hù)措施、修復(fù)與加固等的研究都具有非常重要的意義。隨著時間的推移，大量沿海地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)均不同程度出現(xiàn)劣化：1988年7月至12月，受交通部水利規(guī)劃設(shè)計院規(guī)范管理室委托，由交通部三航局科研所、上海交通大學(xué)土建系組織了聯(lián)合調(diào)查和分析課題組，對華東地區(qū)的連云港、華東某海軍駐地、舟山海洋漁業(yè)公司所轄碼頭做了調(diào)查。這次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，華東地區(qū)的海港碼頭因氯離子侵蝕而導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝落現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。但對于不同碼頭、不同構(gòu)件、不同工作部位，銹蝕損壞程度不同。破壞最嚴(yán)重的是位于浪濺區(qū)的碼頭上部結(jié)構(gòu)中的縱梁，尤以外邊梁為主。這類縱梁屬于施工質(zhì)量差、保護(hù)層厚度嚴(yán)重不足、使用不當(dāng)，以連云港老煤碼頭為例，使用10年時就出現(xiàn)了銹跡、縱裂現(xiàn)象;使用10－15年后，多數(shù)縱梁會發(fā)生較嚴(yán)重的損壞。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，一般鋼筋混凝土面板、橫梁的銹蝕損傷程度比華南地區(qū)輕;而下部結(jié)構(gòu)包括樁帽、樁身，基本上沒發(fā)現(xiàn)因銹蝕引起的損傷。1990年4月，四航局科研所對湛江海軍4#碼頭劣化狀況進(jìn)行了調(diào)查，該碼頭建成于1972年7月。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，銹蝕的主要原因是氯離子侵蝕引起，銹蝕破壞最嚴(yán)重的是碼頭次梁、引橋π形板肋梁、主梁及U形管溝。碼頭次梁共228片，其中發(fā)生底面角部露筋的共141片，占62%；嚴(yán)重銹蝕損壞的83片，占36%；基本完好的僅4片，占2%。樁及混凝土面板則腐蝕破壞輕微，絕大部分仍保持完好。鋼筋橫截面平均損失率35%。引橋:形板肋梁2%片，發(fā)生剝落露筋的240片，占81%；嚴(yán)重開裂的54片，占18%；僅2片保持完好，占1%。1997年11月至12月，四航局科研所對赤灣港碼頭使用5年以上的泊位進(jìn)行了普查。所調(diào)查的泊位，使用期基本在10年上下，其中的油碼頭浪濺區(qū)鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重，樁帽的腐蝕損傷率為84%，橫梁、靠船構(gòu)件損傷率為64%。1998年9月，四航局科研所對湛江港一區(qū)南一期工程高樁碼頭進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，處于大氣區(qū)的二形面板、潮差區(qū)的樁帽完好無損，腐蝕破壞基本發(fā)生在浪濺區(qū)，銹跡、銹斑非常多，順筋脹裂、剝落、露筋比較普遍。2000年8月至9月，廣州四航工程技術(shù)研究院(原四航局科研所)對惠州港3萬噸級油碼頭進(jìn)行了調(diào)查，該碼頭建成于1992年。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，腐蝕損傷破壞主要集中在處于浪濺區(qū)的π型梁板體系底面，約有86%以上的梁底出現(xiàn)寬度3mm以上的順筋裂縫，部分順筋裂縫縱貫梁長，且出現(xiàn)了嚴(yán)重的脹裂現(xiàn)象。總之，大量針對海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查表明：①氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕，是沿海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主導(dǎo)因素;②處于浪濺區(qū)的結(jié)構(gòu)部位銹蝕劣化最為嚴(yán)重，其次是潮差區(qū)，而大氣區(qū)和水下區(qū)則要晚得多;③絕大部分腐蝕損傷表現(xiàn)為順筋開裂，甚至保護(hù)層剝落，導(dǎo)致鋼筋腐蝕加速。④腐蝕劣化現(xiàn)象在梁、板、柱等構(gòu)件類型里都普遍存在，而且開裂或剝落區(qū)域占整個結(jié)構(gòu)表面積的比重也非常大，具有腐蝕劣化的嚴(yán)重性和普遍性。當(dāng)前，高強(qiáng)纖維復(fù)合材料（FRP）加固技術(shù)已經(jīng)在大量工程結(jié)構(gòu)加固中得到應(yīng)用，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。其物理力學(xué)性能優(yōu)秀、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕、施工速度快，這些優(yōu)良的性能決定了它們同樣能夠應(yīng)用于海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)加固。為此，加強(qiáng)高強(qiáng)FRP材料在海洋結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究具在重要的現(xiàn)實意義。1.2研究目的本文擬在已經(jīng)取得的嵌入式預(yù)應(yīng)力纖維布加固技術(shù)的各項研究成果的基礎(chǔ)上，針對工程實踐中暴露出來的需要改進(jìn)的問題進(jìn)行研究。（1）普通工程結(jié)構(gòu)加固中用到的各種纖維布(FRP)材料的幅寬均較大(>150mm)，纖維布幅寬太大直接導(dǎo)致普通粘貼加固時施工難度大；（2）幅寬較大的纖維布應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)時由于施工操作不當(dāng)極易出現(xiàn)纖維布內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致部分應(yīng)力水平過高的絲束過早達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，進(jìn)而導(dǎo)致其余絲束應(yīng)力突增而出現(xiàn)“各個擊破”的逐絲破壞現(xiàn)象，使被加固構(gòu)件達(dá)不到設(shè)計承載力；（3）加固施工質(zhì)量隨著FRP材料幅寬的增大而降低，構(gòu)件破壞時延性特征不明顯，破壞無明顯征兆；（4）海洋結(jié)構(gòu)加固時FRP材料受到海浪的拍打、海水中氯鹽的侵蝕，會對其耐久性產(chǎn)生較大影響，如何使加固材料盡可能地少受到海水的影響，保證加固效果也需要進(jìn)行重點研究。1.3研究內(nèi)容本課題擬研究的基本內(nèi)容如下：通過試驗研究確定適用于預(yù)應(yīng)力FRP布加固技術(shù)的最佳幅寬范圍；研究窄幅預(yù)應(yīng)力FRP布的預(yù)應(yīng)力張拉工藝；研究一根加固構(gòu)件上同時存在不同應(yīng)力水平的窄幅預(yù)應(yīng)力FRP布對構(gòu)件延性性能的影響；窄幅預(yù)應(yīng)力FRP布與普通非預(yù)應(yīng)力FRP布混雜加固對構(gòu)件受彎性能的影響；窄幅預(yù)應(yīng)力FRP布與普通預(yù)應(yīng)力FRP布加固效率的對比；

2嵌入式預(yù)應(yīng)力FRP布加固海洋結(jié)構(gòu)理論分析2.1嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)原理嵌入式預(yù)應(yīng)力技術(shù)利用螺栓和錨固鋼板將纖維布錨固于被加固構(gòu)件兩端(圖1)，然后在纖維布上涂上環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，以被加固構(gòu)件本身為張拉臺座，利用張拉夾具對纖維布進(jìn)行張拉[3]，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加。預(yù)應(yīng)力張拉完畢后纖維布能自然貼緊在構(gòu)件表面，此時在張拉夾具內(nèi)側(cè)安裝二次錨固鋼板，待結(jié)構(gòu)膠固化形成強(qiáng)度后將原錨固鋼板及張拉夾具拆除循環(huán)利用（圖2）。此過程可簡要歸納為“錨固”－“張拉”－“二次錨固”－“夾具拆除”四個程序。圖2.1纖維布的錨固圖2.2纖維布張拉后2.2窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶加固海洋鋼筋混凝土梁理論分析2.2.1FRP材料在海洋結(jié)構(gòu)加固中的適用性海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或近海鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載或超載作用下，結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生細(xì)微裂縫。隨著裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境中富含的含鹽水汽會進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，腐蝕結(jié)構(gòu)中的鋼筋。鋼筋銹蝕后體積膨脹，膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土脹裂、崩落，從而結(jié)構(gòu)內(nèi)部更加暴露于含鹽水汽中，進(jìn)一步加速結(jié)構(gòu)的劣化。預(yù)應(yīng)力FRP布加固海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)特點高強(qiáng)纖維復(fù)合材料（FiberReinforcedPlastic）采用高強(qiáng)纖維織物與環(huán)氧樹脂塑料形成復(fù)合材，具有粘貼方便、輕質(zhì)高強(qiáng)、不增加結(jié)構(gòu)自重、不影響結(jié)構(gòu)外觀的特點，其工作應(yīng)力能達(dá)到2500MPa甚至更高，非常適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固。裂縫的存在加速對海洋鋼筋混凝土的損傷和劣化具有非常關(guān)鍵的作用，可以說，控制了裂縫，就在很大程度上控制了海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。高強(qiáng)纖維復(fù)合材料是將高強(qiáng)纖維織物粘貼于被加固結(jié)構(gòu)表面，復(fù)合材料能夠?qū)Y(jié)構(gòu)表面起到非常好的覆蓋，加固后能夠有效阻止水汽向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的侵入。在加固過程中對FRP材料施加合適的預(yù)應(yīng)力，能夠起到閉合裂縫、恢復(fù)結(jié)構(gòu)變形的作用，加固中配合灌縫膠對裂縫進(jìn)行修補，能起到非常好的修復(fù)效果。以高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料為代表的纖維復(fù)合材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐候性好，受環(huán)境影響小，對加固后的結(jié)構(gòu)能起到很好的保護(hù)層作用，因此在含鹽量大的環(huán)境中非常適用。2.2.2FRP材料加固鋼筋混凝土梁理論分析基本假定為分析和計算方便，作如下假定：1）被加固結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力已達(dá)屈服應(yīng)力；2）不考慮混凝土裂縫及結(jié)構(gòu)劣化對結(jié)構(gòu)剛度的影響；3）不考慮結(jié)構(gòu)變形的影響；4）不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；5）截面應(yīng)變保持平面（平截面假定）；6）不考慮梁上部筋的影響。計算參數(shù)被加固鋼筋混凝土梁寬度為b，高為h（圖2.3），受拉鋼筋截面面積為As，混凝土抗壓強(qiáng)度為fc，鋼筋抗拉強(qiáng)度為fy，F(xiàn)RP材料抗拉強(qiáng)度為fp，F(xiàn)RP材料截面面積為Ap，在FRP材料中施加的有效預(yù)應(yīng)力為σ0。圖2.3單筋梁加固截面示意圖基本計算公式單筋梁加固正截面受彎承載力計算簡圖如圖2.4所示：圖2.4單筋梁加固計算簡圖1）預(yù)應(yīng)力FRP加固梁使用階段開裂荷載計算加載至截面下邊緣混凝土應(yīng)力為零時，構(gòu)件所承受的彎矩按下式計算：（式2.1）式中W——梁截面對受拉邊緣的彈性抵抗矩；σc——混凝土下邊緣有效預(yù)壓應(yīng)力。加載至梁截面下邊緣混凝土即將開裂時，構(gòu)件上承受的彎矩為：（式2.2）式中，，γm為混凝土受彎構(gòu)件截面抵抗矩塑性影響系數(shù)基本值。2）梁正截面極限承載力加固梁出現(xiàn)正截面破壞時，F(xiàn)RP材料達(dá)到極限應(yīng)力，梁內(nèi)鋼筋屈服，由力的平衡條件可得：（式2.3）（式2.4）構(gòu)件所能承受的彎矩為：

（式2.5）式中：M——彎矩設(shè)計值；fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；As——縱向受拉鋼筋截面面積；fp——FRP材料抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；Ap——FRP材料截面面積；b——鋼筋混凝土梁截面寬度；x——等效矩形應(yīng)力圖換算受壓區(qū)高度；h0——截面有效高度；α1——混凝土受壓區(qū)等效矩形應(yīng)力系數(shù)，混凝土強(qiáng)度等級小于等于C50時取1.0，混凝土強(qiáng)度等級大于等于C80時取0.94，中間值按差值法取用或按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取用；2.3窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶基材張拉控制應(yīng)力的研究2.3.1張拉控制應(yīng)力確定的一般原則張拉控制應(yīng)力的取值直接關(guān)系到預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用效果。一方面，為了使材料的抗拉強(qiáng)度得到充分利用，提高預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗裂度和剛度，同時考慮預(yù)應(yīng)力損失，張拉控制應(yīng)力的取值不宜太低；另一方面，如果張拉控制應(yīng)力的取值太高，則構(gòu)件一旦出現(xiàn)裂縫很快就會產(chǎn)生破壞，破壞特征呈脆性性質(zhì)，為了保證預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在破壞時具有足夠的延性和變形性能，張拉控制應(yīng)力的取值也不能太高?，F(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定了預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力值σcon不宜小于0.4ftpk；對消除應(yīng)力鋼絲、鋼絞線，σcon不宜大于0.75ftpk，對熱處理鋼筋，先張法不宜大于0.70ftpk，后張法不宜大于0.65ftpk。此原則對FRP材料同樣具有參考價值。2.3.2FRP基材的受力特點及張拉控制應(yīng)力初步確定FRP帶基材張拉控制應(yīng)力上限值的初步確定組成FRP材料的高強(qiáng)纖維布是利用高強(qiáng)度的纖維絲編織而成，單根纖維絲直徑很小，能承受的拉力十分有限，纖維布工作時是依靠全部的細(xì)小纖維絲的協(xié)同受力的來提供抗拉力的。由于纖維布材料本身編織的誤差再加上施工的安裝誤差，纖維布在工作時不可避免地會出現(xiàn)受力不均現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工作時受力最大的纖維絲先達(dá)到極限強(qiáng)度發(fā)生斷裂，然后其余的纖維絲陸續(xù)斷裂，最終使整個高強(qiáng)纖維布產(chǎn)生破壞。同時，采用嵌入式張拉技術(shù)對高強(qiáng)纖維布進(jìn)行張拉時纖維布自身會發(fā)生彎折，由于碳纖維布本身的抗彎折和抗剪強(qiáng)度低，當(dāng)應(yīng)力水平太高時容易在彎折處發(fā)生絲束破壞最終導(dǎo)致整個材料破壞。再者，高強(qiáng)纖維材料本身接近理想的線彈性材料，沒有明顯的流幅，當(dāng)拉應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度時會發(fā)生突然斷裂?？紤]到上述不利因素，結(jié)合張拉控制應(yīng)力確定的一般原則，可初步確定高強(qiáng)FRP基材的張拉控制應(yīng)力值不應(yīng)大于熱處理鋼筋后張法的張拉控制應(yīng)力上限值，即0.65ftpk。FRP帶基材張拉控制應(yīng)力下限值的初步確定嵌入式張拉技術(shù)屬于后張法，采用在纖維布上粘貼電阻應(yīng)變計的方式確定張拉過程中碳纖維布中的應(yīng)力。該測量方式是直接對應(yīng)于高強(qiáng)纖維布本身的拉伸應(yīng)變，測得的應(yīng)力值較準(zhǔn)確，故預(yù)應(yīng)力損失的計算內(nèi)容與普通的后張法通過測量張拉千斤頂拉力的計算內(nèi)容不同：1）由于錨具滑移和預(yù)應(yīng)力材料內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失σl1張拉過程中錨固端有可能產(chǎn)生滑移，故應(yīng)考慮σl1的影響。2）預(yù)應(yīng)力材料與孔道壁之間的磨擦引起的預(yù)應(yīng)力損失σl2采用嵌入式張拉技術(shù)張拉過程中，F(xiàn)RP材料本身并不與構(gòu)件表面接觸，不存在磨擦，故σl2＝0。3）后張法σl3＝0。4）材料松馳引起的預(yù)應(yīng)力損失σl4經(jīng)試驗研究，高強(qiáng)纖維材料在應(yīng)力不超過0.4ftpk時，其應(yīng)力松馳很小，可基本忽略不計。5）混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失σl5由于FRP帶主要用于工程加固，待加固工程往往混凝土齡期較長且?guī)Ш奢d工作，收縮、徐變已基本完成，故可基本不考慮。由此可見，采用FRP帶嵌入式張拉技術(shù)時產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通后張預(yù)應(yīng)力法。因此，F(xiàn)RP基材的張拉控制應(yīng)力下限值可較預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力下限值適當(dāng)降低。2.3.3FRP基材張拉控制應(yīng)力的試驗研究初次張拉試驗為進(jìn)一步驗證FRP基材的張拉控制應(yīng)力限值，選取高強(qiáng)碳纖維布為基材，對高強(qiáng)碳纖維布進(jìn)行了張拉試驗。試驗采用三根150×250×2800的梁作為張拉臺座，選用碳纖維布實測抗拉強(qiáng)度為3521.3MPa，彈性模量為2.4×105MPa，厚度為0.110mm，利用電阻應(yīng)變計測量碳纖維布的張拉應(yīng)變（圖2.5）。試驗時按照嵌入式張拉方法，先將碳纖維布在梁兩端用鋼板和環(huán)氧樹脂進(jìn)行錨固，待環(huán)氧樹脂完全固化后收緊張拉夾具螺栓進(jìn)行張垃。圖2.5試驗安裝示意圖試驗結(jié)果如下：1）試驗過程中錨固端和張拉夾具工作情況良好，未發(fā)生錨固滑移或其他形式的錨固破壞，也未明顯發(fā)現(xiàn)碳纖維布在張拉夾具處發(fā)生破壞。2）碳纖維布拉應(yīng)變達(dá)到4600με時，碳纖維絲開始出現(xiàn)斷裂，斷裂時發(fā)出噼啪聲，電阻應(yīng)變儀顯示碳纖維布應(yīng)力下降，進(jìn)而更多的絲束發(fā)生斷裂，碳纖維布破壞。3）盡管通過各種方法提高安裝精度和改善張拉夾具處碳纖維布的受力狀態(tài)，但始終不能得到較高的張拉應(yīng)力。碳纖維布均是在被張拉到4600με左右時發(fā)生破壞，其破壞時的拉應(yīng)力約為1100MPa，還不到其極限強(qiáng)度的1/3。通過對試驗現(xiàn)象的研究分析得出以下結(jié)論：1）由于碳纖維布材料的特殊構(gòu)造，單純通過提高試驗安裝精度來使碳纖維布實現(xiàn)完全均衡受力的方法是不切實際的，試驗安裝過程中的誤差是不可避免的，這種安裝誤差將會使部分碳纖維絲束在張拉時產(chǎn)生過高的拉應(yīng)力而過早地破壞，進(jìn)而導(dǎo)致逐絲破壞，從而被各個擊破。2）碳纖維布在約1100MPa的拉應(yīng)力下發(fā)生破壞并不是碳纖維材料本身的質(zhì)量原因，而是試驗方法的問題。嵌入式張拉時為了確保碳纖維布不在張拉端因彎折發(fā)生破壞，張拉時整段碳纖維布并未用結(jié)構(gòu)膠浸漬。而碳纖維布力學(xué)參數(shù)的出廠檢測報告上的數(shù)據(jù)是以結(jié)構(gòu)膠浸漬過的碳纖維布測得的。研究表明：經(jīng)結(jié)構(gòu)膠浸漬過的碳纖維布由于浸漬膠的作用使得各纖維絲之間受力均衡，其與未經(jīng)結(jié)構(gòu)膠浸漬的碳纖維布的抗拉極限強(qiáng)度相差3倍。故可認(rèn)為，試驗中未經(jīng)結(jié)構(gòu)膠浸漬碳纖維布最高只能張拉到1100MPa的應(yīng)力水平，要想碳纖維布的應(yīng)力水平進(jìn)一步提高，必須對碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠浸漬，提高碳纖維絲束的受力均衡性。3）為防止結(jié)構(gòu)膠浸漬后的碳纖維布過硬過脆而在張拉夾具處發(fā)生過早的彎折破壞，浸漬結(jié)構(gòu)膠的用量不宜太多，且應(yīng)保證結(jié)構(gòu)膠固化后具有足夠的彎折和變形性能。改進(jìn)后的張拉試驗對錨固后的碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠浸漬后再張拉，浸漬時為了保證碳纖維布的柔性，對結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行了增塑和稀釋處理。浸漬膠配比為：環(huán)氧樹脂∶固化劑∶丙酮∶鄰苯二甲酸二丁酯＝10∶7∶5∶2；15℃時結(jié)構(gòu)膠固化24小時，約達(dá)到其強(qiáng)度的50%，兼顧了強(qiáng)度和柔韌性的要求。通過對浸漬結(jié)構(gòu)膠的碳纖維布進(jìn)行張拉試驗，得到如下結(jié)果：1）試驗過程中錨固端和張拉夾具工作情況良好。2）張拉應(yīng)變達(dá)到6000με，此時碳纖維布中的拉應(yīng)力為1440MPa，約為其極限強(qiáng)度的41%，碳纖維布仍然工作正常，未發(fā)生明顯斷絲斷束現(xiàn)象。3）夾具的張拉能力得到充分發(fā)揮，碳纖維布緊貼梁底面，夾具行程已滿，已無張拉空間。由以上試驗可以發(fā)現(xiàn)：使用結(jié)構(gòu)膠浸漬過的碳纖維布在張拉到0.41ftpk時，纖維絲之間的受力能夠保持均衡，若增加夾具數(shù)量，仍具備一定的張拉空間。2.3.4FRP基材強(qiáng)拉控制應(yīng)力研究結(jié)論由前面的分析和試驗可知：采用嵌入式張拉技術(shù)時由于預(yù)應(yīng)力損失小，碳纖維材料強(qiáng)度高，張拉控制應(yīng)力下限值可略低于普通預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力下限值。同時，碳纖維布在未使用結(jié)構(gòu)膠浸漬時，只能被張拉到約0.31ftpk，使用結(jié)構(gòu)膠浸漬時，可張拉到0.41ftpk。研究表明：碳纖維布初始應(yīng)變不大于6500με時（約0.44ftpk），可基本保證被加固構(gòu)件的延性。為確保碳纖維布工作的可靠性和耐久性，同時保證結(jié)構(gòu)破壞時的延性，其張拉控制應(yīng)力宜留有余地，將碳纖維布張拉控制應(yīng)力上限值定為0.4ftpk是比較合理的。同時，為了保證結(jié)構(gòu)的抗裂度和材料的充分利用，可將碳纖維布張拉控制應(yīng)力下限值定為0.3ftpk，也能夠滿足預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固工程的實際需要。2.4本章小結(jié)本章從力學(xué)及材料的角度對窄幅預(yù)應(yīng)力FRP材料在海洋結(jié)構(gòu)加固中的適用性及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上對預(yù)應(yīng)力加固進(jìn)行了理論推導(dǎo)，同時結(jié)合FRP材料的特點，對FRP基材的張拉控制應(yīng)力進(jìn)行理論分析和試驗研究，得到如下成果：窄幅FRP材料化學(xué)穩(wěn)定性好，粘貼于結(jié)構(gòu)表面能在結(jié)構(gòu)表面形成保護(hù)層，隔絕含鹽水汽對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的侵蝕，非常適用于海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固；施加預(yù)應(yīng)力的FRP材料能夠起到閉合裂縫、恢復(fù)結(jié)構(gòu)剛度的作用，適用于海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)；FRP材料加固鋼筋混凝土梁的正截面承載能力可按公式2.5進(jìn)行計算；FRP基材的張拉控制應(yīng)力范圍在0.3ftpk到0.4ftpk，既能保證材料強(qiáng)度的充分利用，又能保證張拉施工的順利進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的安全儲備。3嵌入式預(yù)應(yīng)力FRP布加固鋼筋混凝土梁試驗研究3.1試驗?zāi)康牟捎迷囼炑芯框炞C上一章關(guān)于窄幅預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固鋼筋混凝土梁的相關(guān)理論分析。主要試驗?zāi)康娜缦拢和ㄟ^試驗檢驗關(guān)于多條窄幅CFRP帶加固鋼筋混凝土梁的合理性；與采用寬幅單條CFRP布加固鋼筋混凝土梁的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗加固效果；測量試驗過程中的各種結(jié)構(gòu)反映，完善加固工藝；3.2試驗準(zhǔn)備3.2.1試件設(shè)計本次試驗研究采取的思路為模擬普通的適筋梁超過承載力極限狀態(tài)發(fā)生正截面破壞后采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)FRP布加固，通過試驗對加固后梁的正截面承載力進(jìn)行分析，評估加固效果。故根據(jù)初步估算，考慮混凝土梁的構(gòu)造要求、施工工藝要求及實驗室具體情況，設(shè)計梁的截面尺寸及鋼筋配置情況如下：混凝土強(qiáng)度等級C30，主筋2B14,架立筋2A8,箍筋為A8@200,梁凈長為2800mm，b×h=150mm×250mm,保護(hù)層厚度為25mm。其截面尺寸及配筋見圖3.1:圖3.1梁截面尺寸及配筋圖試件在實驗室制作完成，為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可對比性，綁扎鋼筋籠時要求所有的鋼筋位置必須對應(yīng)；支設(shè)模板時為便于試驗時CFRP布的安裝及混凝土表面應(yīng)變測點的布置，要求模板應(yīng)平整光滑，尺寸準(zhǔn)確；混凝土采用商品混凝土，在構(gòu)件廠生產(chǎn)車間一次澆筑完成，正常環(huán)境下灑水養(yǎng)護(hù)，七天后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28天后達(dá)到試驗要求的強(qiáng)度。3.2.2材料力學(xué)性能1）混凝土澆筑試驗構(gòu)件時選取同批次混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊（150mm×150mm×150mm），在同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（DBJ81－85）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法在xx學(xué)院材料測定室對混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試（圖3.2），具體結(jié)果見表3.1。表3.1混凝土力學(xué)性能指標(biāo)試塊編號123456破壞荷載（kN）12151120975126013001260立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)54.049.843.356.057.856.0立方體抗壓強(qiáng)度推定值52.8MPa根據(jù)計算結(jié)果可算得實測混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為：根據(jù)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系得到實測混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度為：＝2.71MPa2）鋼筋試驗梁澆筑前按國家相關(guān)規(guī)范要求預(yù)留鋼筋試件，在WDW300型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行鋼筋拉伸試驗（圖3.3），其結(jié)果見表3.2：表3.2鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)試件編號HRB335HRB235123123屈服強(qiáng)度(MPa)348.7352.4349238.3242.6239.2極限強(qiáng)度(MPa)510.6512.3510.3289.0290.4290.5推定值(MPa)350240圖3.2混凝土抗壓強(qiáng)度試驗圖3.3鋼筋拉伸試驗3）碳纖維布對受彎構(gòu)件進(jìn)行正截面加固在一般情況下都是單向加固，故試驗用碳纖維布（圖3.4）也應(yīng)選用單向碳纖維布。為保證試驗效果，選用300K碳纖維布為南京曼卡特公司生產(chǎn)，幅寬150mm，計算厚度0.167mm，原材料采用進(jìn)口日本東麗公司生產(chǎn)的高強(qiáng)碳纖維絲，編織生產(chǎn)在國內(nèi)完成。廠商提供的由國家建筑材料測試中心出具的檢驗報告顯示材料符合GB50367－2006中碳纖維復(fù)合材料安全性能指標(biāo)（單向織物高強(qiáng)度I級）的要求。（表3.3）圖3.4碳纖維布圖3.5浸漬膠圖3.6底膠表3.3碳纖維布力學(xué)參數(shù)序號檢驗項目單向織物（布）高強(qiáng)I級檢驗值單項判定1抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥3400MPa3830MPa合格2受拉彈性模量2.4×105MPa2.41×105MPa合格3伸長率≥1.7%1.70%合格4）結(jié)構(gòu)膠結(jié)構(gòu)膠（底膠、浸漬膠）是決定碳纖維復(fù)合材料工作性能的重要因素之一，為保證加固試驗的效果及與實際工作的可比性，結(jié)構(gòu)膠應(yīng)選用我國工程結(jié)構(gòu)加固市場上常用的碳纖維加固用膠。這里選用的是由南京曼卡特公司生產(chǎn)的碳纖維加固用底膠和浸漬膠（圖3.5，圖3.6），國家化學(xué)建筑材料測試中心出具的檢驗報告顯示，材料符合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB50367－2006中A級膠的技術(shù)要求。5）CFRP布力學(xué)性能的實驗室測定由于國家建筑材料測試中心出具的針對碳纖維布的檢驗報告采用的浸漬膠使用的是韓日浸漬膠，而實際試驗所用的浸漬膠為南京曼卡特公司生產(chǎn)的浸漬膠，為保證CFRP布強(qiáng)度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，研究人員依據(jù)國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T1447－2005）對使用國產(chǎn)浸漬膠的CFRP布進(jìn)行了試驗。試驗在xx學(xué)院工程結(jié)構(gòu)測試中心完成，使用儀器設(shè)備為WD－300型電子萬能材料試驗機(jī)，其試驗結(jié)果見表3.4。表3.4CFRP布拉伸試驗結(jié)果試樣編號123抗拉強(qiáng)度值(MPa)380238133787抗拉強(qiáng)度推定值3800MPa3.2.3試驗設(shè)備1）WDW－300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)WDW－300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)（圖3.7）由長春科新試驗儀器有限公司生產(chǎn)，主要用于金屬，非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能試驗。配備相應(yīng)的附件還可以進(jìn)行剪切、剝離、撕裂等試驗及各種不同環(huán)境下的試驗。試驗機(jī)所配置的GTC350型全數(shù)字測量控制器能與計算機(jī)有機(jī)地配合，實現(xiàn)試驗力、變形、位移閉環(huán)控制，按GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T7314《金屬材料室溫壓縮方法》自動控制或切換試驗過程中的勻應(yīng)力速率、勻應(yīng)變速率、勻試驗速度，也可以做到全過程的勻應(yīng)變速率控制。其主要技術(shù)指標(biāo)為：最大試驗力30kN，試驗力分辨力1/300000（全程分辨力不變化）；加載速度0.0025－250（無級調(diào)速）；示值相對誤差±0.5%；位移分辨力0.001mm，示值相對誤差±0.5%。WDW－300型微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)性能穩(wěn)定，配合不同的夾頭，適用于多種材料的拉伸、彎曲、剪切等試驗。本次試驗主要利用該設(shè)備進(jìn)行鋼筋和CFRP布的力學(xué)性能試驗。圖3.7微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)圖3.8壓力試驗機(jī)2）TS3866靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀TS3866靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀（圖3.9）由揚州泰司電子有限公司生產(chǎn)，采用分布式構(gòu)成，每臺采集控制單元可控制10臺應(yīng)變測量模塊，每個模塊10個測點，采樣速率50測點/秒；最大系統(tǒng)配置達(dá)2000點，由20臺儀器并行采集，在1秒種內(nèi)完成；可與應(yīng)變計、應(yīng)變式傳感器直接連接；同時監(jiān)視50點測量值，每個通道系數(shù)、橋路形式均可設(shè)置，可以方便地與計算機(jī)進(jìn)行通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：測量點數(shù)：每個應(yīng)變模塊10測點，采集控制單元與采集控制單元相互接連可擴(kuò)展至2000點；橋路形式：1/4橋、半橋、全橋；橋路電阻：120Ω、240Ω、350Ω；測量范圍：0～±20000με；分辨率：±1με；準(zhǔn)確度：±0.5%±3με；穩(wěn)定性：零點漂移不大于±4με/4h、讀數(shù)值變化不大于±0.3%±3με/4h、溫度變化影響：不大于±1με/℃。本次試驗利用TS3866靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行鋼筋和混凝土和CFRP布的應(yīng)變測量，結(jié)合電阻應(yīng)變式位移傳感器進(jìn)行試件位移、試件撓度的測量，結(jié)合荷載傳感器進(jìn)行荷載的控制。3）智能裂縫測寬儀裂縫測寬儀（圖3.10）是其由嵌入式電腦、數(shù)字信號連接電纜、測頭三部分組成。通過放大鏡將裂縫圖像放大成像在CCD/COMS器件上，CCD/COMS對圖像進(jìn)行分析量化后，通過USB接口由數(shù)字信號連接電纜傳輸至掌上電腦，掌上電腦接收到圖像信號后進(jìn)行圖像智能分析及處理，自動標(biāo)示裂縫寬度情況，檢測范圍：0-3mm；檢測精度：0.02mm；圖3.9TS3866靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀圖3.10智能裂縫測寬儀4）其它設(shè)備試驗中還用到的其他試驗設(shè)備包括ND2000型壓力試驗機(jī)（圖3.8），主要用于混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的測定；位移傳感器用于試件位移和撓度的測量；荷載傳感器用于荷載的測量和控制；其它工具和設(shè)備還包括磨光機(jī)、螺旋千斤頂、鋼支墩、反力架、磁性表座等。3.2.4測點布置根據(jù)試驗?zāi)康牡囊?，布設(shè)如下測點（圖3.12）：1）梁跨中正截面應(yīng)變測點：在梁的兩側(cè)對稱布置，每側(cè)五個測點，從上到下均勻分布；2）縱筋應(yīng)變測點：每根縱筋設(shè)一個；3）CFRP布應(yīng)變測點，每幅CRFP布布設(shè)一道；4）梁跨中和支座處布置位移測點；5）裂縫觀測，裂縫出現(xiàn)后，選取代表性裂縫進(jìn)行觀測。3.2.5試驗控制荷載的估算為準(zhǔn)確控制試驗荷載，檢驗理論公式推導(dǎo)的正確性，試驗開始前應(yīng)對試驗荷載進(jìn)行估算，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010－2010），根據(jù)實測鋼筋、混凝土及CFRP材料的強(qiáng)度，對試驗荷載進(jìn)行估算如下：確定初步計算簡圖：根據(jù)試驗要求，確定計算簡圖（圖3.11）：以不采取任何加固措施的鋼筋混凝土簡支梁為基準(zhǔn)梁，由于梁的自重相對試驗荷載很小，故此處不考慮加載時梁的自重影響，依其參數(shù)進(jìn)行正截面極限荷載估算。主要計算參數(shù)如下：1）基準(zhǔn)梁試驗荷載估算：計算跨度L0=2400mm，加載點距支座的距離a=800mm，梁高h(yuǎn)=250mm，梁有效高度h0=250-25-7-8=210mm，梁寬b=150mm，混凝土強(qiáng)度fc=fc測＝34.2MPa,縱向鋼筋強(qiáng)度fy=fy測=350MPa,實測混凝土強(qiáng)度等級fc=52.8MPa。實測混凝土強(qiáng)度等級＞C50，取α1=0.994，根據(jù)受力平衡，有：(式3.1）式中：α1——受壓區(qū)等效矩形應(yīng)力圖形系數(shù)；x——換算受壓區(qū)高度；代入各項數(shù)據(jù)，解得x=22.5mm；根據(jù)彎矩平衡，有：(式3.2）解得則極限荷載P=Mu/a=26.78kN。斜截面承載力估算：取ft=ft測＝2.71MPa，fyv=240MPa，Asv=100.6mm2，由集中荷載作用下矩形截面梁斜截面承載力計算公式：(式3.3）得Vu=63.69kN基準(zhǔn)梁正截面承載力遠(yuǎn)小于斜截面承載力，梁將發(fā)生正截面破壞，滿足試驗要求。開裂荷載估算：查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）得矩形截面抵抗矩塑性影響系數(shù)，所以鋼筋混凝土梁開裂彎矩為：式中為受拉邊緣截面抵抗矩。則開裂荷載為：圖3.11試驗梁計算簡圖2）150mm寬FRP加固梁（KJG-1、ZJG-1、ZJG-2）試驗荷載計算：取FRP材料極限強(qiáng)度fp=3800MPa，其余參數(shù)同基準(zhǔn)梁，根據(jù)受力平衡，有：(式3.4）式中：α1——受壓區(qū)等效矩形應(yīng)力圖形系數(shù)；x——換算受壓區(qū)高度；Ap——FRP材料截面面積；代入各項數(shù)據(jù)，解得x=39.8mm；根據(jù)彎矩平衡，有：(式3.5）式中：h0——FRP材料與梁內(nèi)鋼筋合力點至梁上表面的距離；(式3.6）式中：dv——箍筋直徑；d——梁下部縱向受力鋼筋直徑；代入各項數(shù)據(jù)，解得則極限荷載P=Mu/a=53kN。梁斜截面承載力與基準(zhǔn)梁相同，由于梁正截面承載力小于斜截面承載力，加固梁將發(fā)生正截面破壞，滿足試驗要求。開裂荷載估算：預(yù)應(yīng)力FRP加固梁開裂彎矩應(yīng)按第2章式2.2進(jìn)行計算查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）得矩形截面抵抗矩塑性影響系數(shù)，由材料力學(xué)可知：截面上下邊緣的混凝土應(yīng)力分別為：所以鋼筋混凝土梁開裂彎矩為：式中W為受拉邊緣截面抵抗矩。代入各項數(shù)據(jù)，得Mcr=8.3kNm則開裂荷載為：3.2.6CFRP布的安裝1）試件表面的處理在安裝CFRP布前應(yīng)對試件表面進(jìn)行處理：用砂輪將試件表面的浮漿、雜物和小凸起磨平，除凈表面浮灰，用沾丙酮的脫脂棉將試件表面擦凈，然后按2:1比例調(diào)配好碳纖維加固底膠并均勻涂抹在構(gòu)件表面，用抹刀找平。2）CFRP布的錨固待底膠完全固化后即可進(jìn)行碳纖維布的錨固，錨固時將碳纖維布對位準(zhǔn)確，擰緊錨固螺栓即可（圖3.12）。圖3.12碳纖維布的錨固圖3.13預(yù)應(yīng)力張拉3）CFRP布的張拉錨固端結(jié)構(gòu)膠完全固化后即可進(jìn)行碳纖維布的預(yù)應(yīng)力張拉。張拉前先在CFRP布與試驗對象之間涂刷碳纖維浸漬膠，隨著張拉過程的進(jìn)行，CFRP布將會逐漸貼緊構(gòu)件表面，碳纖維浸漬膠則會將CFRP布粘緊于試件表面，張拉過程中對涂膠不到位的地方應(yīng)及時補涂。張拉預(yù)應(yīng)力通過擰緊張拉夾具的螺栓實現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力的大小通過粘貼在CFRP布上的電阻應(yīng)變計測量（圖3.13）。預(yù)應(yīng)力張拉工作結(jié)束后，待浸漬膠固化，即完成了預(yù)應(yīng)力CFRP布的加固工作，經(jīng)加固處理后的試件見圖3.14。圖3.14預(yù)應(yīng)力加固后的試件圖3.15加載試驗3.3加載試驗3.3.1加載制度及試件安裝1）試件就位形式為了便于試驗過程中CFRP布的安裝和張拉，同時更好地觀察CFRP布與構(gòu)件表層的剝離、試驗過程中的開裂和其他破壞現(xiàn)象，試件安裝反位試驗形式，即將梁倒過來安裝，梁底朝上，千斤頂由下往上加載。由于試件自重相對試驗荷載很小，試驗過程中忽略構(gòu)件自重的影響，見圖3.16。圖3.16測點布置及試驗安裝示意圖2）加載制度為了使試驗過程更加具有對比性和說服力，所有試驗構(gòu)件的加載程序、每級荷載大小均應(yīng)與基準(zhǔn)梁相同。每次試驗加載過程分為預(yù)載和正式加載兩個階段。（1）為了使試驗構(gòu)件與加載裝置各部分接觸良好，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，使荷載與變形關(guān)系相對穩(wěn)定，消除可能在正式加載中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，同時檢查試驗加載、測試儀器和試驗人員的工作情況，正式加載前應(yīng)進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)載分三級進(jìn)行，每級荷載取不超過開裂荷載的20%，根據(jù)第3.2.5節(jié)對梁開裂荷載的估算，取2kN/級較合適，預(yù)載結(jié)束后分兩級卸載到零。（2）正式加載開裂荷載前按4kN/級進(jìn)行加載，試件開裂后取10kN/級進(jìn)行加載，試驗加載至計算破壞荷載的90%以后，取5kN/級進(jìn)行加載直至構(gòu)件破壞。荷載持續(xù)時間為不少于15min/級。3.3.3加載試驗影響混凝土簡支梁正截面承載力的主要因素有混凝土強(qiáng)度等級、縱筋配筋率、預(yù)應(yīng)力CFRP用量等，為正確評定加固效果，采用一根普通鋼筋混凝土梁（FJGL）作為基準(zhǔn)梁，普通幅寬預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁2根，窄幅預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁3根進(jìn)行試驗對比。試驗構(gòu)件概況見表3.5：表3.5試驗構(gòu)件概況一覽表構(gòu)件編號b×h×l(m3)主筋箍筋加固情況預(yù)應(yīng)力(MPa)備注FJGL150×250×24002B14A8@200未加固0KJG-1150×250×24002B14A8@200普通幅寬加固800150幅寬ZJG-1150×250×24002B14A8@200窄幅加固800*3150/3幅寬ZJG-2150×250×24002B14A8@200窄幅加固800*3150/3幅寬ZJG-3150×250×24002B14A8@200窄幅加固750*2+900150/3幅寬ZJG-4150×250×24002B14A8@200窄幅加固0+1200+0150/3幅寬3.4試驗結(jié)果3.4.1開裂荷載和極限荷載試驗實測開裂荷載和極限荷載和破壞類型見表3.4:表3.6實測開裂荷載和破壞荷載構(gòu)件編號加固情況預(yù)應(yīng)力（MPa）開裂荷載（kN）破壞荷載（kN）破壞現(xiàn)象備注FJGL未加固08.7529.6適筋梁破壞KJG-180011.0442.6剝離ZJG-1窄幅加固800*311.5458.2FRP斷裂幅寬相等ZJG-2窄幅加固800*311.0858.9FRP斷裂幅寬相等ZJG-3窄幅加固750+900+75011.2346.8FRP斷裂幅寬相等ZJG-4窄幅加固0+1200+09.6650.6FRP斷裂60+30+60試驗梁荷載位移曲線見圖3.17~3.22:圖3.17FJG-1荷載位移曲線圖3.18KJG-1荷載位移曲線圖3.19ZJG-1荷載位移曲線圖3.20ZJG-2荷載位移曲線圖3.21ZJG-3荷載位移曲線圖3.22ZJG-4荷載位移曲線3.4.2破壞現(xiàn)象1）未采取任何加固措施處理的梁（FJGL）的破壞類型為典型的適筋梁破壞形態(tài)，其破壞特征為：加載至開裂荷載后，首先在梁的純彎段出現(xiàn)一條細(xì)微直裂縫，隨著試驗加載的進(jìn)行純彎段直裂縫不斷開展，鋼筋應(yīng)變隨之增加。進(jìn)一步施加荷載后，鋼筋應(yīng)變繼續(xù)增加，純彎段開始出現(xiàn)多條裂縫并向上延伸，最終裂縫延伸至梁受壓區(qū)，混凝土壓碎后梁破壞。2）梁底采用150幅寬預(yù)應(yīng)力CFRP加固處理的梁（KJG-1）的破壞形態(tài)為CFRP布的剝離（圖3.18），其破壞特征為：加載至開裂荷載后，在梁的純彎段產(chǎn)生垂直裂縫，隨著加載的進(jìn)行，裂縫數(shù)量不斷增加，長度不斷延伸，彎剪區(qū)段也出現(xiàn)斜裂縫。梁底不斷增加的裂縫導(dǎo)致CFRP布粘膠層的不斷分化開裂，最終CFRP布出現(xiàn)剝離，剝離后由于端部錨固仍然存在，梁仍能繼續(xù)承載，但此時撓度過大，已達(dá)到混凝土構(gòu)件破壞標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)對破壞現(xiàn)象的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種破壞現(xiàn)象的原因是由于CFRP安裝時膠層分布不均，部分部位出現(xiàn)較嚴(yán)重的空鼓現(xiàn)象，正是由于粘膠層施工質(zhì)量不滿足要求才導(dǎo)致了CFRP的過早剝離。該梁的破壞現(xiàn)象說明了普通CFRP加固方式對粘膠層的極度依賴，實際工程中采用普通粘貼CFRP布方式加固，若粘膠層施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，則很可能出現(xiàn)加固失效現(xiàn)象。采用端部有錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP布加固，由于端部錨固的存在，盡管梁出現(xiàn)CFRP布剝離破壞后仍能繼續(xù)承載，但CFRP布一旦出現(xiàn)逐絲破壞各個擊破，梁仍有出現(xiàn)脆性斷裂的可能性。3）采用50mm×3窄幅預(yù)應(yīng)力FRP帶加固的梁（ZJG-1，ZJG-2），其裂縫產(chǎn)生和發(fā)展過程與KLG-1基本相同。隨著荷載的進(jìn)一步增加，梁上裂縫不斷開展，最終出現(xiàn)CFRP布斷裂。但此時的破壞荷載比KJG-1大。ZJG-1、ZJG-2梁采用的CFRP布面積與KJG梁完全一樣，預(yù)應(yīng)力水平也完全相同。但最終的破壞荷載卻是采用的窄幅預(yù)應(yīng)力CFR材料加固的梁破壞荷載高。原因分析：在對三根不同梁破壞現(xiàn)象進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，采用普通幅寬預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁，由于碳纖維布幅寬太大，錨固時不容易將碳纖維布安裝平整，導(dǎo)致張拉時碳纖維絲束松緊程度不一，絲束之間應(yīng)力不均勻現(xiàn)象較嚴(yán)重。同時，在纖維布與鋼筋混凝土梁粘貼過程中，由于纖維布的幅寬太大，導(dǎo)致環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠有容易均勻地涂抹在纖維布與鋼筋混凝土梁表面之間，膠層易出現(xiàn)空鼓。不均勻的膠層不能很好地起到對碳纖維絲束的保護(hù)作用，導(dǎo)致纖維絲束出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且空鼓的膠層更容易脫落。因此KJG梁較早地發(fā)生了加固材料的剝離。采用50mm×3應(yīng)力水平相同的窄幅預(yù)應(yīng)力FRP布加固的梁（ZJG-1，ZJG-2）由于碳纖維布幅寬較窄，錨固時能夠較方便地將其安裝平整，因此各纖維絲束之間的應(yīng)力比較均勻。有對纖維布進(jìn)行粘貼時，環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠能夠較好地從兩側(cè)涂抹進(jìn)纖維布與梁表面之間，膠層分布更加均勻，有效避免了空鼓現(xiàn)象的產(chǎn)生。故直到最后破壞，也未出現(xiàn)纖維布剝離更象，試驗過程最終以窄幅寬的纖維布斷裂而告終。4）采用混合預(yù)應(yīng)力水平加固的梁（ZJG-3），三根窄幅預(yù)應(yīng)力CFRP布應(yīng)力水平為750Ma×2+900MPa，其實測開裂荷載與ZJG-1和ZJG-2基本相同，破壞荷載比ZJG-1和ZJG-2均小。原因在于在加載過程中，張拉控制應(yīng)力為900MPa的CFRP帶首先達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，該CFRP帶破壞后，原先由其承擔(dān)的應(yīng)力被分?jǐn)偟绞Ｓ鄡筛鵆FRP帶，導(dǎo)致其應(yīng)力迅速上升達(dá)到極限應(yīng)力而破壞。因此，該梁破壞時CFRP帶的應(yīng)力應(yīng)以高應(yīng)力水平的CFRP帶達(dá)到極限強(qiáng)度時的荷載為準(zhǔn)。5）在（ZJG-3）的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)CFRP帶有層次的破壞，即出現(xiàn)破壞前有明顯征兆，梁底采用三根CFRP帶加固，其幅寬分別為60mm、30mm和60mm。其中幅寬為60mm的CFRP材料不施加預(yù)應(yīng)力，對30mm幅寬的CFRP材料施加1200MPa的預(yù)應(yīng)力（ZJG-4）。加載后發(fā)現(xiàn)，ZJG-4梁的開裂荷載比基準(zhǔn)梁有所提高，但低于ZJG-1、ZZJG-2及ZJG-3，原因是該梁在混凝土受壓區(qū)存在的預(yù)壓力小于ZJG-1、ZZJG-2及ZJG-3，加載到較大荷載(P0)后，中間30mm寬的CFRP材料突然斷裂，但此時梁仍能繼續(xù)承載，繼續(xù)加載后發(fā)現(xiàn)，最終余下的兩根CFRP帶斷裂，構(gòu)件破壞。此時的破壞荷載(P1)大于第一根CFRP帶斷裂時的荷載。由于合理地調(diào)整了預(yù)應(yīng)力在三根窄幅CFRP材料中的分布，ZJG-4梁實現(xiàn)了有征兆的破壞，第一根CFRP帶斷裂后構(gòu)件并不是喪失承載能力，而可以繼續(xù)承載，且最終的破壞荷載P1>P0。3.5本章小結(jié)本章在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗研究。研究時重點突出了窄幅寬加固效果與普通幅寬加固效果的對比，并且在實現(xiàn)構(gòu)件有征兆破壞方面進(jìn)行了探索，取得的研究成果如下：窄幅加固與普通幅寬加固相比，結(jié)構(gòu)膠分布更加均勻，出現(xiàn)空鼓的機(jī)率更小，能更好地保證粘結(jié)質(zhì)量，因而可靠性較高；窄幅加固在設(shè)計前應(yīng)準(zhǔn)確計算CFRP材料的預(yù)應(yīng)力分布，防止出現(xiàn)其中一根CFRP帶斷裂后導(dǎo)致其余加固材料隨之?dāng)嗔训拇嘈云茐?；合理調(diào)整了預(yù)應(yīng)力在多根窄幅CFRP材料中的分布及CFRP布的幅寬，能實現(xiàn)加固構(gòu)件有征兆破壞，保證構(gòu)件的延性。

4窄幅寬纖維布實橋加固工程實例4.1工程概況連云港市黑林東橋建于2000年，位于S220線贛榆縣境內(nèi)，該橋與河流正交，橋梁全長82.2m，橋跨組合為13m+16m+16m+16m+13m，橫向布置為：0.5m+11m+0.5m，主橋上部承重構(gòu)件采用鋼筋混凝土預(yù)制板梁形式，下部結(jié)構(gòu)采用重力式U型橋臺，柱式橋墩。橋梁施工方法為預(yù)制安裝，設(shè)計荷載為汽-20級，掛-100級。4.1.1橋梁損傷調(diào)查外觀檢查檢測橋梁現(xiàn)狀整體外觀表象為橋面鋪裝不平整，存在坑槽、開裂、車轍、松散等現(xiàn)象；個別護(hù)欄損壞；伸縮縫有堵塞，但無破損、脫落等；橋面橫坡、縱坡順適、排水效果良好；主梁結(jié)構(gòu)表面較光滑，無蜂窩、麻面、削落、露筋現(xiàn)象，但主梁板底有多條橫向貫穿裂縫，寬度較大，最大寬度0.24mm。荷載試驗檢測結(jié)果1)經(jīng)實際檢測，橋面板、蓋梁、橋墩混凝土強(qiáng)度均能滿足設(shè)計要求；2)橋跨結(jié)構(gòu)在總重310kN的單車、雙車試驗荷載作用下，各點的撓度、應(yīng)變實測值基本與計算值接近，個別甚至略超出計算值，且存在較明顯的相對殘余變形和殘余應(yīng)變。說明在汽-20級荷載作用下其橋跨剛度及強(qiáng)度能基本滿足要求，但安全儲備較低。3)主梁底板裂縫分布較多，多為荷載裂縫，最大裂縫為0.24mm，在試驗荷載作用下裂縫最大寬度達(dá)0.40mm，已超過規(guī)范規(guī)定值[2]。4.1.2橋梁損傷分析綜合分析橋梁的外觀情況及荷載試驗結(jié)果可得到如下結(jié)論：1)本橋梁位于蘇、魯兩省交界，實際車流量遠(yuǎn)高于設(shè)計車流量，且多為重載、超載車輛，由實測車流量數(shù)據(jù)結(jié)合橋梁外觀及橋面鋪裝的損傷情況可知：該橋長期處于較嚴(yán)重的超負(fù)荷工作狀態(tài)。2)超載車輛的重壓使得橋梁底部產(chǎn)生裂縫，疲勞荷載的反復(fù)作用導(dǎo)致裂縫不斷發(fā)展，梁底產(chǎn)生大量細(xì)小密集的直裂紋。3)橋梁位于蘇北沿海地區(qū)且使用環(huán)境較差，橋下河水受生活污水和工業(yè)廢水污染嚴(yán)重，周圍水汽中電解質(zhì)含量高，在橋梁帶裂縫工作狀態(tài)下，將會加速對混凝土的侵蝕和鋼筋的銹蝕作用。4)超載、超設(shè)計流量、疲勞及環(huán)境條件的綜合影響將會加速鋼筋的銹蝕和混凝土的劣化，降低橋梁的剛度，縮短使用壽命，必須及時采取加固及修復(fù)措施。由此可見，盡管橋梁目前實測承載力基本能滿足設(shè)計要求，但橋梁病害較嚴(yán)重，安全儲備較低，且實際已處于較嚴(yán)重超負(fù)荷工作狀態(tài)，若不及時采取有效措施，則難以保證橋梁今后的安全正常服役。4.2橋梁加固4.2.1加固目標(biāo)針對橋梁損傷現(xiàn)狀，考慮長期的不利影響，橋梁加固應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：1)封閉裂縫，修復(fù)開裂的混凝土，避免環(huán)境中的含鹽水汽對橋梁空心板內(nèi)鋼筋的進(jìn)一步侵蝕，確保結(jié)構(gòu)的耐久性；2)適當(dāng)提高橋梁的承載能力及安全儲備；3)通過封閉裂縫，粘合已開裂混凝土，施加預(yù)應(yīng)力等方法恢復(fù)或部分恢復(fù)橋梁的剛度，保證其正常使用功能。4)為鋼筋卸載，延長橋梁的疲勞壽命。4.2.2加固方案考慮到該橋梁跨度較小，根據(jù)加固目標(biāo)的要求，擬采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)纖維復(fù)合材料對空心板進(jìn)行加固，部分提高空心板承載力的同時能夠起到主動加固、恢復(fù)結(jié)構(gòu)變形、閉合裂縫、為鋼筋卸載的作用，具體方案如下：1)受侵蝕混凝土處理：將受侵蝕混凝土鑿除，然后用火堿水將其表面洗刷干凈，用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補。2)裂縫處理：將板底裂縫處用火堿水清洗干凈，對寬度大于0.2毫米的裂縫采用改性環(huán)氧樹脂膠壓力灌縫處理；對寬度小于0.2毫米的裂縫采用改性環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行表面封閉處理。3)空心板加固：采用嵌入式張拉技術(shù)，利用高強(qiáng)纖維復(fù)合材料對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，每塊空心板下安裝4道150寬的雙層300g高強(qiáng)纖維布與環(huán)氧樹脂膠形成高強(qiáng)復(fù)合材料。4)加固完畢后在板底噴涂15厚M15抗裂水泥砂漿保護(hù)層。嵌入式預(yù)應(yīng)力纖維布加固原理嵌入式預(yù)應(yīng)力技術(shù)利用螺栓和錨固鋼板將纖維布錨固于被加固構(gòu)件兩端(圖4.1)，然后在纖維布上涂上環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，以被加固構(gòu)件本身為張拉臺座，利用張拉夾具對纖維布進(jìn)行張拉[3]，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加。預(yù)應(yīng)力張拉完畢后纖維布能自然貼緊在構(gòu)件表面，此時在張拉夾具內(nèi)側(cè)安裝二次錨固鋼板，待結(jié)構(gòu)膠固化形成強(qiáng)度后將原錨固鋼板及張拉夾具拆除循環(huán)利用（圖4.2）。此過程可簡要歸納為“錨固”－“張拉”－“二次錨固”－“夾具拆除”四個程序。圖4.1纖維布的錨固圖4.2纖維布張拉后加固材料的選擇本次加固主要目的是恢復(fù)結(jié)構(gòu)的變形，封閉裂縫并適當(dāng)提高承載能力，故應(yīng)選用化學(xué)性能穩(wěn)定，耐候性好，強(qiáng)度高的材料，同時所選材料還應(yīng)便于施工?？紤]以上因素，選用高強(qiáng)度CFRP對橋梁進(jìn)行加固較為合適，取纖維布幅寬為150mm，其極限抗拉強(qiáng)度為3400MPa，纖維布在板底的布置見圖3。加固參數(shù)確定以橋梁邊跨中板為例，跨度為13m，為簡化計算，將空心板簡化為圖4及圖5所示簡圖，經(jīng)計算得到空心板參數(shù)如下：截面基本參數(shù)為：截面面積；慣性矩;混凝土強(qiáng)度等級為C40，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，彈性模量。實測CFRP布極限強(qiáng)度為3400MPa，設(shè)計強(qiáng)度取極限強(qiáng)度的70%，2400MPa。根據(jù)嵌入式張拉技術(shù)的特點并參考已有的研究成果及工程經(jīng)驗[4]，取CFRP布張拉控制應(yīng)力為：(1)此張拉控制應(yīng)力能夠做到兼顧張拉時的安全和主動加固的效果。圖4.3CFRP布在板底的布置圖4.4空心板截面圖4.5空心板計算簡圖加固計算每根梁下使用四道雙層CFRP布進(jìn)行加固。結(jié)合嵌入式技術(shù)特點，考慮預(yù)應(yīng)力損失，取纖維布有效預(yù)應(yīng)力為,通過施加此預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)變形可得到一定程度的恢復(fù)。預(yù)應(yīng)力提供的恢復(fù)彎矩用于恢復(fù)結(jié)構(gòu)的變形，此力臂平均值為： (2)CFRP布截面面積:(3)纖維布設(shè)計強(qiáng)度:(4)預(yù)應(yīng)力提供的恢復(fù)彎矩為：(5)極限抗彎承載力提高：(6)錨固端設(shè)計：錨固鋼板寬100，長230。取張拉控制應(yīng)力σpcon為1000MPa，按采用雙層纖維布加固進(jìn)行計算，一道雙層纖維布總面積:(7)所需錨固力:(8)采用2根14A級化學(xué)螺栓進(jìn)行端部錨固：(9)則螺栓可提供的錨固力為:；(10)螺栓埋入混凝土的深度為90(確保螺栓孔承壓承載力大于螺栓的抗剪承載力)，滿足錨固要求。4.3加固施工嵌入式預(yù)應(yīng)力纖維布加固技術(shù)基本不需阻斷交通，所有操作均在橋梁底板以下完成，社會影響小。施工時宜按以下操作步驟進(jìn)行：螺栓的安裝：按設(shè)計要求在板底相應(yīng)部位打孔，安裝端部化學(xué)錨固螺栓及中部二次錨固螺栓；板底清潔：將板底浮漿、灰塵、油漬打磨掉，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并擦拭干凈；2）裂縫處理：寬度大于0.2mm的裂縫，采用密封膠壓力灌縫處理，寬度小于0.2mm的裂縫暫不處理；3）板底涂抹纖維布底膠，涂抹底膠的同時底膠能起到封閉較小裂縫（＜0.2mm）的作用；4）纖維布固定：在纖維布的錨固部位涂滿環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，擰緊錨固螺栓，將纖維布安裝在錨固鋼板1上，此過程應(yīng)注意保持纖維布平直且適當(dāng)崩緊；（圖1）5）預(yù)應(yīng)力張拉：在纖維布與板底涂上結(jié)構(gòu)膠，然后在靠近錨固端的部位將張拉夾具安裝在纖維布與板底之間，通過擰緊夾具上的張拉螺栓，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的張拉。張拉過程中可用手持式引申儀監(jiān)測纖維布的應(yīng)變。預(yù)應(yīng)力張拉完成后，纖維布能自然緊貼于板底混凝土表面（圖4.2）；6）安裝附加錨固：為了提高各板之間的協(xié)同工作性能并防止CFRP布在往復(fù)荷載下的剝離，在空心板橫向每隔2.5m或板底表面凹陷較大處設(shè)置一道橫向連接鋼板，該連接鋼板同時起到附加錨固的作用，能夠為防止纖維布的剝離提供多道防線。7）表面處理：在纖維布表面灑上一層綠豆砂以便于后期表面抹灰。本步驟需在預(yù)應(yīng)力張拉完成，纖維布與板底緊密貼合后立即進(jìn)行；8）張拉夾具及錨固鋼板1拆除：待結(jié)構(gòu)膠完全凝固達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，將圖4.2所示張拉夾具及錨固鋼板1拆除用于循環(huán)利用。9）在纖維布表面噴涂保護(hù)層。4.4本章小結(jié)整個加固施工過程完全未阻斷交通，社會影響小，加固成本低。工程加固完成后，經(jīng)檢測，橋梁的剛度得到了明顯恢復(fù)，同級荷載下的結(jié)構(gòu)撓度比加固前明顯減小，混凝土拉應(yīng)變明顯降低，橋梁使用功能得到了較好地恢復(fù)，加固效果較好。本工程應(yīng)用實例也充分證明了窄幅寬預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)纖維布加固技術(shù)在沿海地區(qū)中小跨徑公路橋梁加固中的應(yīng)用前景，同時，該技術(shù)在本橋梁加固中的成功應(yīng)用，也為其結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣提供了有力的技術(shù)指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)U.Meier.StrengtheningofStructuresUsingCarbonFiber/EpoxyComposites[J].ConstructionandBuildingMaterials,1995,9(6):341～351.U.MeierandH.Kaiser.StrengtheningofStructureswithCFRPLaminates，Proc[J].AdvancedCompositesMaterialsinCivilEngineeringStructures,1991,(1):224～232.U.Meier.CarbonFiberReinforcedPolymers:Modernmaterialsinbridgeengineering[J].StructuralEngineeringInternational,1992,(2):7～12.TriantafillouTC.Innovativepre-stressingwithFRPsheet:Mechanicsofshort-termbehavior[J].ASCEJournalofEngineeringMechanics,1991,117(7):1652～1672.TriantafillouTC,DeskovicN,DeuringM.StrengtheningofConcreteStructureswithPrestressedFiberReinforcedPlasticSheets[J].ACIStructuralJournal,1992,89(3):235～244.R.Quantrill,L.HollawayandA.Thorne,Partl.ExperimentalandAnalyticalInvestigationofFRPStrengthenedBeamResponse，MagazineofConcreteResearch[J],1996,48(177):331～342.R.Quantrill，L.HollawayandAThorne，Part2，PredictionoftheMaximumPlateEndStressesofFRPstrengthenedBeams[J].MagazineofConcreteResearch,1996,48(177):343～35