预应力CFRP加固技术的研究及工程应用.pdf

2 0 1 0年 第 6 期 总 第 2 4 8 期 Nu mb e r 6 i n 2 0 1 0 T o t a 1 No 2 4 8 混 凝 土 Co n cr e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CH OL 0GY d o i 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 3 9 预应力 C F R P加固技术的研究及工程应用 陈华 张鹏 邓朗妮 广西 工学 院 土木建筑工程系 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 摘要 在 自主研发 的一 套预应力 C F R P板加 固技术 的基础上 通过预应 力 C F R P板加 固钢筋混凝土 梁的受弯试验 验证 了预应力 C F R P加固技术的加固效果 并将该技术应用 于在役结构 的加 固 介绍 了实际工程加固的设计计算方法及施工工艺 结果表 明 预应力 C F R P板加固钢筋混凝土粱能有效改善梁的受力性能 该技术适用于实际加固工程 关键词 C F R P 预应力 加固 钢筋混凝土粱 中图分类号 T U5 2 8 0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 1 2 6 0 3 Re s e ar ch a nd a ppl ica t ion of p r es t r es s e d CFRP s t r eng t he n t e c h niqu e CHEN Hu a ZHAN G P e n g DE NG La n g n i D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r in g a n d Ar ch i t e ct u r e Gu a n g x iU n i v e r s i t yo f T e ch n o l o g y L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 C h in a Abs t r a ct Ba s e o n s e l f d e v e l o p e d p r e s t r e s s e d CF R P p l a t e s s u p p o r t in g a n ch o r a g e s o fp r e s t r e s s e d CF RP p l a t e s b e n d in g t e s t s o fr e in f o r ce me n t co n cr e t e b e a ms s tre n g t h e n e d wit h p r e s tre s s e d CF RP p l a t e s we r e ca r ri e d o u t t o co n fir m t h e r e in f o r ce me n t e ff e ct Th e t e ch n ol o gy h a s b e e n a p p l ied in t h e s e r v ice S t r u ct u r e s t r e n g t h e n e d a n d ca l cu l a t io n me t h o d s a n d co n s t r u ct io n t e chn o l o g y a l e i n t r o d u ce d T h e r e s u l t s in d ica t e t h a t fl e x u r a l e a p a city C a ll b e i n cr e a s e d e ff e ct i v e l y a n d t h e co n t r u ct io n t e chno l o gy ca n b e a d o p t e d i n p r a ct i ca l p r o j e ct s Ke ywo r d s ca r b o nfib e r r e i n f o r ce dp l a s t i cs C F R P p r e s t r e s s s tr e n g t h e n e d r e i n f o r ce me n t co n cr e t e b e a ms 0 引 言 碳纤维增强塑料 C F R P 具有轻质 高强 耐腐蚀 耐疲劳等 优点 近年来在工程加 固中得 到了广泛 的应用川 但 由于 C F R P 的弹性模量与钢筋相当 采用现有的普通 表层粘贴法 加固钢 筋混凝土梁时 C F R P应变始终滞后于梁的受拉钢筋 只有在受 拉钢筋屈服后才能发挥其高强度 对梁的正常使用阶段的受力 性能作用不大 而通过对 C F R P施 加预应力可 以克服这些缺 点 因此 预应力 C F R P加 固技术成 为 C F R P加 固技术的重大突 破 具有较好的应用前景 本研究在 自主研发 的一套 预应力 C F R P板加 固钢筋混凝 土梁施工工艺及配套装置的基础上 对该技术进行了试验验证 并应用于在役结构的加固 介绍了实际工程加固的设计计算方 法及施工工艺 为该加固技术 的推广应用提供参考 1 预应力 C F RP加 固技术 预应力 C F R P加固技术的关键是在梁内建立永久存在的预 应力 因此在预应力 C F R P加固技术中 如何使张拉后的C F R P 片材可靠的锚固于混凝土梁上 是预应力 C F R P 加固技术的关键 在既有的研究中 采用的锚固方法主要有两种口 卅 一种是采用 粘贴 u形 C F R P箍的方法 另一种是采用螺栓和金属片把 C F R P 片材直接固定于混凝土上 前一种方法当 C F R P片材内力达到 一 定水平后 u形箍本身会发生剥离破坏 后一种方法可能发生 C F R P片材拔 出或在锚固端切 断 因此 推广应用预应力 C F R P 加固技术必须研制出一套更加安全可靠 简便易行的施工技术 以及配套的锚 固和张拉装置 1 1 CF RP片材 用于加固的C F R P片材主要有布材和板材 C F R P布直接 由纤维编织而成 而C F R P板是将 C F R P纤维浸渍树脂后在模 具内固化并连续拉挤成型 与C F R P布相比 C F R P板材具有以 下优点 1 C F R P板力学性能的离散性较 C F R P布小 从而可以减 少材料用量 降低成本 2 C F R P板不需要像 C F R P布那样现场浸润树脂 施工较 简便 3 C F R P板的厚度一般为 1 1 6 1 1 1 1 1 1 一层板状材料相当 于 6 8层布状材料 在现场施工中不需多层粘贴 施工更为便 捷 且 能避免层 间剥离破坏的发生 4 C F R P板 在生产时 已经 固化成型 且具有一定的厚度 与锚具连接方便 更适合应用于预应力技术 因此 本研究的预应力C F R P加固技术及其配套装置是基 于 C F R P板材研制 的 1 2锚 具 预应力锚具按锚固方式的不同分为以下类型 夹片式锚具 支承式锚具 锥塞式锚具及握裹式锚具 本文采用的是夹片式锚 具 该锚具利用摩阻锚固原理设计 工作时 C F R P板回缩带动夹 片一起移动 使夹片挤紧在锚板内壁上 同时挤压力也使夹片将 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 5 基金项目 广 西自 然科 学基 金重 点 项目 桂 科自 0 8 3 2 0 0 2 z 广 西科 技开 发 计划 项目 桂 科攻 o 9 9 2 o 0 1 1 3 柳州 市科 学研 究与 技 术开 发项目 2 o 0 8 0 3 l 5 0 2 1 2 6 C F R P板紧紧夹住 产生极大的摩擦力 阻止 C F R P板 的回缩 1 3 锚 固装置 由于预应 力 C F R P板加 固钢筋 混凝 土梁是 在梁底 附加预 应力 C F R P板对梁进行加固 锚具必须通过一定的装置固定在 梁底 因此 将锚具牢固固定在梁上才能保证梁的安全可靠 本 研究采用的 固定端和张拉端支架如 图 1 所示 图 1 预应力 C F RP板锚具示意图 张拉端 支架 固定端锚 具 张拉端示意图 圃定端示意图 图 2预应 力 CF RP板加固梁示意图 1 4 预 应 力 的施 加 C F R P 板的张拉设备 一个直径较小的千斤顶 一台液压油 泵及一个力 传感器或精密油压表 C F R P板 的张拉 以张拉端限位板作为张拉端座板 千斤顶 开始工作后 基板通过螺杆带动锚具后移 使 C F R P板变形而 产生拉应力 张拉过程一般分 5级 0 2 0 4 0 6 0 8 用扳手把螺母稍旋紧 达到张拉控制应力以后 扭紧张拉端限 位板端的螺母以长期保持预应力 1 5 CF RP板 及锚 具 的防护 预应力 C F R P加固后 还应对 C F R P板 锚具 张拉端和固 定端支架喷射 2 0 3 0 IT t t n厚的水泥砂浆防护层 防护层的作用 主要有 7 1 1 避免 C F R P可能受到的偶然碰撞造成 C F R P板的破断 2 阻隔温度 湿度 紫外线 空气等对结构胶的影响 延缓 结构胶的老化 3 防止锚具 张拉夹具及锚固螺栓等金属材料的锈蚀 4 能延缓火 灾发生 时结 构胶 的升 温 软 化 失效 以及锚 具 张拉夹具的失效 延长火灾发生时结构的持荷时间 2 预应 力 CF RP加 固技 术的试验验 证 2 1 锚 具试 验 为了检验所研制锚具 的可靠性 用 C F R P板和锚具 的组装 件进行拉力试验 试验结果表明 锚具在试验所用 C F R P 板达极 限抗拉强度发生破坏时 与 C F R P板 锚固 良好 没有发生 滑脱 组装件的破 坏形式为 C F R P丝发散 2 2 梁式试 验 为了验证预应力 C F R P板加固混凝土梁的加固效果 对 6 根 矩形截面试验梁进行受弯试验 试验梁尺寸b x h l 6 0 mm x 2 8 0 i T l n l 长度为 3 2m C F R P板宽度 5 013 Lr n 厚度 1 2mm 6根梁 中 1 根 作为不加固的对 比梁 1 根粘贴非预应力 C F R P板进行加固 4根 粘贴预应力 C F R P板进行加 固 试验梁 的设计参数及主要试验 1 0 每次加载完毕后静置 l 2 min 待 C F R P板变形稳定后 结果如表 l 所示 表 1 试验梁参数及主要试验结果汇总表 注 为 C F R P板的极限抗拉 强度 试验结果表明 采用预应力 C F R P板加固技术加固钢筋混 凝土梁 可提高梁 的开裂荷载 屈 服荷载和承 载力 改善梁 的变 形性能 降低梁的挠度 同时 C F R P板的强度也得到较充分的 利用 完全能够满足工程结构加固的要求 3工 程 应 用 3 1工 程 概 况 金秀县头排镇农贸市场 建于 1 9 9 3 年 钢筋混凝 土框架结 构 现仍在使用 当中 2 0 0 9年受业 主委 托对市场进行结 构检测 及可靠性 鉴定 鉴定结 果表 明 用超声 法结合抽 样开凿检测 梁 配筋 发现部分框架梁配筋不足 其中一轴框架梁的梁底配筋 为仅为 2 l 6 箍筋为 8 2 0 0 按现行 混凝土结构设计规范 验算 跨中受弯承载力设计值 帆 为2 8 9 k N m 按实际受力组合 其弯矩设计值 为 3 9 9 k N m 无法满足其正截面承载力要求 根据结构检测的结果 为保证结构安全 必须进行抗弯加固 3 2 加 固方案选 择 在进行加 固设计 时 有以下 3种加 固方案 1 加大截面法 较为常规的加固方法 但施工工序复杂 工期长 且加固后截面面积增大 影响结构使用 2 粘贴 C F R P布加 固 施工较加 大截面法简单 且加 固后 对构件基本无影响 但梁的变形较大 且已经出现裂缝 如采用 此法加固 C F R P布的应 力始终滞 后于原结 构的累计 应力 对减 小挠度 延缓开裂没有明显作用 3 预应 力 C F R P板加 固 除 了要在 C F R P两 端设置锚具 安装固定支架和张拉支架 以外 其施 工方 法和非预应力加 固基 本相同 采用端锚预应力加 固方法还省略了在 C F R P板两端设 置 u形箍的步骤 与非预应力加固方法相 比 除了提高梁的承 载力之外 还可以通过使梁产生反拱 减小梁的挠度和裂缝 综合以上原因 采用预应力 C F R P板对框架梁进行加固 3 3 加 固计算 3 3 1 张拉控制应力 若张拉控制应力过低 则预应力的作用不能得到体现 而若张 拉控制应力定得过高 则梁的延性较差 在施工时可能发生由于应 力的不均匀造成C F R P的实际张拉应力偏高而发生 C F R P 板破断 27 本试验 C F R P板采用 OV M C F P 5 0 1 2型 C F R P板 拉伸设 计强度为 2 3 0 0 MP a 弹性模量为 1 7 3 1 0 MP a 宽度 5 O m m 厚度 1 2 m m A 产 6 O mm 梁底加 固 C F R P板长度为 3 0 m C F R P 板的张拉控制应力值 l 3 5 8 0 5 MP a 3 3 2 预应力损失 预应力 C F R P板加 固钢筋混凝土 梁的预应力损失 主要包 括 锚具的变形及预应力筋的 回缩 混凝土的弹性压缩 混凝土 的收缩和徐变 C F R P板的松弛 采用后张法施丁工 艺 混凝土 的弹性收缩在张拉时已基本完成 可不考虑 本T程已使用十 余年 混凝土的收缩和徐变已基本完成 也可不考虑 因此 预 应力损失主要考虑以下两项 1 锚具的变形及 C F R P板 的回缩 对于夹片式锚具 卸去 张拉设备后 预应力 C F R P板在弹力作用下会出现一定的回缩 锚具的变形及 C F R P板的回缩值可按文献 5 进行估算 E f t 1 1 l 式中 一张拉端锚具变形和 C F R P板内缩值 根据试验结果 n 取 1 6 m m 卜一 张拉端至锚 固端之间的距离 广一 C F R P板的弹性模量 2 C F R P板 的松 弛 基 于试验 研究 长期 荷载 作用 下 C F R P板的长期预应力损失约为 1 5 o 3 混凝土的收缩和徐变 可按 G B5 0 0 1 o o 0 2 混凝土结构 设计规范 进行估算 放张后 C F R P板的预应力损失 0 9 2 3 1 2 1 56 7 1 61 1 M P a 3 3 3 正截 面承载力计算 课题组通过试验和理论研究 给 出了预 应力 C F R P板加 固 混凝土梁的承载力计算方法n 预应力 C F R P板加固混凝士梁的 破坏模式主要有 混凝土压碎破坏和 C F R P板拉断破坏 C F R P 板拉断引起的破坏一般发生在加 固梁配筋率很小且配纤 率亦 较小时 承载力较低 故在本工程中按照 C F R P板未断 混凝土 压碎的承载力极限状态进行设计 计算步骤如下 C F R P板所受的应力 t r r E f e b e c e 2 式 中 s 一 混凝土消压应变 混凝土的预压应 变 s C F R P板 的有效预拉应变 仃 一 D 尸8 O 5 1 6 1 1 6 4 3 9 MP a 3 r h x sb 8 5 J c s 可 严0 0 0 3 7 2 6 A 0 分别为梁换算截面的面积及惯性矩 可将梁内受拉 受 压钢筋和 C F R P板按弹性模量比换算成等效面积 将梁看作均质 弹陛材料计算换算截面面积A 中和轴位置及惯性矩 n 本工程 中 加固梁的A o 0 计算结果 A o 6 5 1 4 4 mm2 0 4 8 9 1 x l 0 1 1 3 1 1 1 2 将 代入平衡方程 O b x 盯 可解出x c l 1 4 m m t r l 5 8 9 M Pa 将 o f 4 人平衡方程 M o A h 0 4 x A h o 0 4 x 解得 M 4 9 7 k N m 3 9 9 k N m 说明该方案可行 否则须重 新选择 C F R P板尺寸进行计算 28 3 4加 固 施 工 加固前 首先进行混凝土结构界面处理 将所要进行加固 表面的抹灰凿掉 对于表明不平整的部位进行打磨 完成准备 工作后 对 C F R P板预应力施工按以下步骤进行 1 量好安装两端支架的具体位置 在固定端凿出一个 2 5 0 mmx l 2 0 mmx 2 0 m m 的预留槽 在张拉端凿出一个 3 5 0 m n x 1 2 0 mmx 2 0 l T l I n的预留槽 以安装固定端和张拉端的锚具和 支架 2 在固定端和张拉端分别安装好化学螺栓 注意钻孔时 不要破坏原结构钢筋 3 待化学螺栓完全 达到其 设计强度后 将 张拉端的支架 用螺母固定在化学螺栓上 4 C F R P板上胶 上胶时应注意使 C F R P板中间部位的胶 较两侧厚 以便安装后粘贴胶受到压力往两边挤出 使其密实 不空鼓 另外 结构胶 的使用还需注意配好 的胶必须在规定的 时间内使用 超过时间会影响黏结效果 5 将 C F R P板安装到支架上 固定端支架用螺母固定在 化学螺栓上 张拉端锚具用螺杆与支架连接 安装时应注意 C F R P 板要与构件轴线方向一致 且位置正确 以免预应力偏心造成 不利影响 6 在环氧胶固化前对 C F R P 板进行张拉 张拉方法同 1 4 节 7 将千斤顶逐级卸载 完全卸载后 撤除千斤顶 8 将张拉端的螺杆裁至合适长度 在 C F R P板表面安装 压型条 使 C F R P板与混凝土梁表面更为贴合 9 清理完成张拉后挤出的环氧胶 将板边的胶水轻刮成 斜坡状 1 0 待环氧胶固化后 采用喷射水泥砂浆结合抹灰的方 法 对 C F R P板及两端锚具进行防护 3 5 加 固效果 采用一根面积为 6 0 m i l l 的 C F R P板加固钢筋混凝土梁 张拉控制应力为 3 5 f o 梁的极限承载力从 2 8 9 k N IT I 提高到 4 9 7 k N 1 11 正截面承载力提高显著 若按照弯矩设计值 为 3 9 9 k N m计算所需 C F R P板 的截面面积 当采用非预应力 C F R P 板 加 固 时 A r 7 2 2 mmz 而采 用 预应 力 C F R P板 加 固 时 A F 4 3 8 m m C F R P板 的用量大大减少 通过施加预应力 梁 的裂 缝部分闭合 挠度减小 4结 论 1 采用 预应力 C F R P板加 固混凝 土梁 可以有效增强 构 件的极限承载力 达到对结构 构件加固补强的作用 极大的提 升普通 表层粘贴 法 的使用效率 2 采用预应力 C F R P加固技术可以改善构件正常使用阶 段的工作性能 通过施加预应力 使裂缝部分闭合 挠度减小 3 采用预应力 C F R P板加 固混凝土梁 施工工期短 工作 面小 无需支模 不需要大型机械 张拉全程可用精密仪表监 控 施工精度高 4 采用预应力 C F R P技术 被加固结构 构件的负重轻 损伤小 不影响结构的使用 5 经济性好 采用预应力技术 节省的 C F R P板用量在 3 0 以上 若加固桥梁等跨度较长的受弯构件 节省的工程造价 相当可观 下转第 1 4 2页 1 1 牛开明 李世绮 刘 清泉 高等级公 路碾 压混凝土路面施 工技术指 南 R 1 9 9 6 1 2 Q A S R AWI H Y A S I I M WA HH A B B H I P r o p o rt io n i n g R C C P m ix e s u n d e r h o t w e a t h e r co n d it i o n s f o r a s p e cif i e d t e n s i l e s t r e n g t h J C e me n t a n d C o n cr e t e R e s e a r ch 2 0 0 5 3 5 2 2 6 7 2 7 6 1 3 王振辉 蔡良才 刘晓军 正交法碾压混凝土基层设计研究fJ 混凝 土 2 0 0 7 2 0 8 2 8 2 8 3 1 4 王崇涛 郑木莲 贫混凝土基层强度与模量研究 J 混凝土 2 O 0 7 4 3 5 1 5 DE L A q T E N A ME R N S T O R E Y C I m p r o v e d m a n a g e me n t o f R C C 上接第 1 2 5页 水泥细度的减小 水泥中粗颗粒含量的增加 也有利于减小 混凝土的化学收缩 温度收缩 干燥收缩 提高混凝土体积稳定性 2 4 对其他性 能的影 响 2 4 1 与外加剂的相容性 影响水泥与高效减水剂相容性的主要因素对水泥而言是 S O 含量同水泥中C 细度和碱含量的匹配 当不能做到石膏 的重新优化时 C 3 A和碱含量低 比表面积小的水泥与外加剂具有 较好的相容性 外加剂饱和点的降低有利于减少外加剂的掺 量 减少混凝 土中胶凝材料总用量 提高混凝土体积稳定性 从 而提高混凝土耐久性 2 4 2 对混凝土强度变异性的影响 根据混凝土搅拌站强度统计数据 C 5 0 的标准差为 4 3 2 MP a C 6 0标准差为 3 2 9 MP a 施工单位抽检 C 5 0与 C 6 0混凝 土强 度统计标准差均为 5 7 MP a 较小的标准差除与本 T程严格的 质量管理有关外 水泥质量的稳定性也是重要的因素 混凝土 标准差越小 在满足规范的条件下可降低混凝土配制强度 控制 胶凝材料总用量 从而降低化学收缩 降低水化放热总量 降低 混凝土温升 减少混凝土开裂及温度变形 降低混凝土徐变等 对提高混凝土的综合技术性能起到了非常重要的作用 3结论 由于重庆特殊的地理环境条件 跨江大桥在城市交通中起 到至关重要的作用 重庆的桥梁建设随着重庆经济 的腾飞 以前 所未有的速度发展 针对重庆长江大桥复线桥大体积结构特 征 基于水泥对混凝土性能及混凝土结构耐久性的影响分析 在 G B l 7 5 一l 9 9 9 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 基础上 从保 证混凝土结构耐久性角度出发 在水泥品质上对早期强度 细度 3 d和7 d水化热提出了上限控制指标 对水泥熟料中的 c 氯 离子含量 碱含量也提出的明确的限值要求 同时将水泥的强 度离散性纳人质量控制 并将水泥品质控制延伸到混凝土生产 上接第 1 2 8页 参考文献 f 1 K I M Y J S H I C G R E E N M F D u ct i l i t y a n d cr a ck i n g b e h a v i o r o f p r e s t res s e d co n cret e b e a m s s t r e n gth e n e d w it h p r e s t r e s s e d C F R P s h e e t s J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s f o r C o n s t r u ct io n 2 0 0 8 1 2 3 2 7 4 2 8 3 2 叶歹 U 平 庄江波 曾攀 等 预应力 C F R P布加固钢筋混凝土 T形梁 的试验研究册 工业建筑 2 0 0 5 3 5 8 7 1 2 3 李庆伟 杨勇新 岳清瑞 等预 应力碳纤维布加固混凝土梁锚固方 式试验研究 工业建筑 2 0 0 6 3 6 4 9 1 1 3 9 4 彭晖 尚守平 王海东 等 用预应力 C F R P对 R c 梁的加工工艺研 究 J 建筑技术开发 2 0 0 3 3 0 5 2 1 2 3 j 42 p a v e m e n t t e ch n o l o g y R U n i v e r s ity T r a n s p o r t a t i o n C e n t e r for A t a b a ma UTC A Re p o rt 01 2 31 2 0 0 3 1 6 N A D E R H A F E Z A ME R L a b o r a t o r y e v a l u a t i o n o f f a t i g u e b e h a v i o r o f t h i n b o n d e d o v e r l a y s o n r o l e r co mp a e t e d co n cr e t e p a v e m e n t s D D o c t o r o f En g in e e r in g At t h e Cl e v e l an d S t a t