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预应力纤维布加固技术

     1、

        用于建筑结构补强加固的高强纤维材料,具有高强高效、耐腐蚀性能及耐久性,不增加构件的自重及体积、适用面广及便于施工等优点。但当采用无预应力方式加固时,由于纤维布的应力滞后造成高强纤维布的强度利用率很低。以碳纤维布为例,构件达到正常使用极限状态时,纤维布的应力约为300MPa。实际工程中,因构件为二阶段受力,如未采取卸载或顶撑等措施,其实际的应力水平将更低。在使用高强纤维布对梁进行加固时,有一种特有的破坏形态,即纤维布与构件的粘结层破坏而使纤维布被整体的剥离,这种破坏形态带有明显的脆性特点,是非常危险的破坏形式。同时这种破坏使高强纤维布的高强特性无从发挥,极大地降低了构件的承载力和变形。

        2、FRP加固受弯构件

        2.1 破坏形式

        根据相关研究资料表明,FRP加固受弯构件有以下6种破坏形态:
        ①超筋破坏,即在受拉钢筋达到屈服前受压区混凝土压坏;
        ②部分超筋破坏,即钢筋屈服后受压区混凝土压坏,而FRP未达到极限拉应变;
        ③适筋破坏,即钢筋屈服后FRP达到极限拉应变拉断,而受压区混凝土尚未压坏;
        ④表层混凝土剪切受拉剥离破坏;
        ⑤ FRP与混凝土间粘结基层剥离破坏。
        ⑥在预应力FRP加固中,钢筋未屈服而纤维布拉断。
        对于①可通过限制FRP的加固量来避免。④⑤可通过采用相应的构造措施、规定最小混凝土强度、保证粘结质量和选用性能优良的粘结材料来控制。对于⑥,可通过控制预应力度来避免。②③两种破坏形式,相比较而言,构件有较大的变形,FRP的强度也得到了较为充分的利用,是相对理想的破坏形式。

        2.2 剥离应力的产生

        在典型的弯剪构件中,粘结界面上有两类剥离应力:一是剥离剪应力τ,主要由两个因素引起:①由构件沿纵向弯曲变形的差异,引起纤维布自身的应变梯度而产生的;②裂缝处纤维布的局部不均匀应变所引起的。二是剥离正应力σ,两个因素:①裂缝处截面在剪力作用下产生竖向的相互错动所引起的;②对于未施加预应力的纤维布,直接粘贴时,由于构件表面不平整,在纤维布拉直的过程中所引起的。当粘结界面在这两类剥离应力的综合作用下达到了粘结层的拉剪强度或是混凝土的抗拉强度,就会引起纤维布与混凝土构件的粘结层破坏或表层混凝土撕裂,而使纤维布被剥离。
        如何有效解决粘结界面过早发生剥离破坏的现象,是解决高强纤维布加固技术在工程应用中的一个关键问题。

        3、预应力高强纤维布加固技术

        3.1 预应力的作用

        试验表明,预应力的存在有四个方面的作用。①提高开裂荷载,增大构件刚度,解决高强纤维布的应力滞后问题,提高加固效率;②构件刚度大,纤维布应变增加较慢,同样的荷载作用下,纤维布的应力梯度小,减小剥离剪应力;③轴向压力可抑制裂缝的发展和截面的竖向错动,减小裂缝处粘结层的剥离剪应力和正应力;④预应力使纤维布从开始就处于平直状态,能减小剥离正应力。②③④共同作用使被加固构件的极限承载力明显提高,纤维布的高强度也得到较为充分的利用。

        3.2 粘结层的影响

        粘结层的主要作用是将纤维布与混凝土粘结成为一个整体,传递应力。通常加固所用的粘结材料,虽然粘结强度较高,但往往变形能力较差,很容易发生剥离破坏。试验表明,如在基本不降低粘结强度的基础上,提高粘结层的变形能力,可降低粘结层的剥离应力,防止剥离破坏发生;最终亦能使纤维布整体的应变得以充分地发展。粘结层良好的变形能力和对纤维布浸渍性可以延缓破坏过程,构件的变形大为提高,明显改善构件的延性。

        3.3 锚固的作用

        由于锚固的存在,当荷载较大时,力的传递不再仅仅依靠纤维布与混凝土的粘结力,纤维布端头处的应力将会明显的增加,纤维布的应力梯度减小,提高发生剥离破坏时纤维布的整体应力;而且,即使发生剥离破坏也不致使构件整体失效。

        4、挤压式预应力张拉技术

        传统预施加应力的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,并且,在锚固的时候,预应力的损失也比较大。而挤压式预应力张拉技术,其特点就是先锚固后张拉,无需复杂的张拉机具和相应的反力装置,预应力损失小,方法简便有效。通过测纤维布的应变,可以直接掌握有效预应力。装置见图1:

    (a)安装前                                     (b)安装后

    图1 锚夹具安装示意图

        原理及操作方法:按图1(a)抹胶后将纤维布拉直就位,盖上锚固钢板,安装紧固螺帽,将钢筋连同纤维布向外拉,同时收紧锚固钢板,利用钢筋与锚固钢板一端的弧面作用,利用挤压力将钢筋和纤维布向外推动,初步将纤维布张紧。胶硬结后,收紧夹具,通过挤压,使纤维布收紧,建立预应力。

        5、工程实践及施工工艺

        5.1 工程简介

        本工程为一改造加固工程,混合结构房屋,由于使用用途的变化,需要将底层的一个洞口由原来的1.5m扩大为2.9m,原洞口上梁为圈梁兼过梁,混凝土为C25。
        经验算,改造后梁底纵筋计算面积为583.5mm2,实际面积为339.3mm2,构件抗弯承载力不足。
        箍筋实际面积为282.74mm2,而计算面积为272mm2,无需进行抗剪加固。

        5.2 加固方案

        本工程原加固方案如图3所示,采用先拆除墙体,后在梁底粘贴碳纤维布,最后在梁两端各补做一混凝土柱。

    图3 原加固方案图

        此方案因补做柱需要开挖至承台,又需要植筋,工程量和难度都较大。并且碳纤维布要发挥作用,尚需构件继续发生变形,而过大的变形有可能引起上部砌体的开裂。因此,此方案的缺陷是很明显的。
        经过多方比较,并结合现场的情况,确定如下加固方案:在梁两侧下部各采用7.5cm宽的双层碳纤维布进行加固,Asf =50.1mm2,纤维布可提供极限抗弯承载力约19KN.M,构件有足够的安全储备。考虑实际使用的要求,有效预应力控制在800MPa,约合3400,考虑长期预应力损失,实际张拉至3800。此时构件在变形基本不增加的条件下即可满足抗弯承载力的要求。
        优点:①由于采用预应力,可在梁两侧加固。先加固后拆除,无需支撑,施工方便安全;②施加预应力,构件变形小,充分利用碳纤维布的高强度;③采用有较好变形能力的粘结层,有效防止剥离破坏的发生,提高构件的延性。
        缺点:纤维布的有效力臂短,工作效率低。可通过增加纤维布的用量和施加预应力来弥补。

        5.3 施工工艺及过程

        纤维布加固施工中,施工工艺和质量直接关系到加固的效果,先进合理的施工工艺和可靠的施工质量是取得良好加固效果的前提。挤压式预应力张拉技术经过大量的试验,并结合相应的现场条件,其施工工艺及过程如下:
        ①首先将梁两侧,及板底靠近梁两侧10cm范围,梁下20cm范围内墙两侧的抹灰层清除;
        ②按图4所示位置打孔,清孔后将螺栓带胶植入孔内,蒙锚固钢板固定;
        ③梁两侧找平,先将表面松动的混凝土打磨找平,露出密实层,清理后再用粘胶刮平;
        ④待螺栓处胶硬结后,采用挤推法带胶按图5所示位置安装碳纤维布,将纤维布初步张紧;
        ⑤待锚固处胶硬结后第一次施加预应力,约为2500,将纤维布完全拉直,此时纤维布与混凝土表面留有约2mm的空隙,用纱布浸胶将纤维布下沿塞紧后灌粘结胶;
        ⑥胶稍干后第二次施加预应力至预定大小(有挤压效应),同时将挤出的胶涂抹在纤维布的表面,用胶将纤维束充分浸透,待胶初步硬结后,表面撒中砂。
        ⑦48小时后,待胶充分硬结后,拆除墙体,割除多余的螺杆,分层抹1:2水泥砂浆20厚覆盖纤维布和锚具。对夹具进行防锈处理后,采用装饰手段处理。

     

        参考文献
        [1] 杨勇新,岳清瑞,叶列平.碳纤维布与混凝土的粘结强度指标.工业建筑,2003,33(2).
        [2]  Zhishen Wu *, Jun Yin. Fracturing behaviors of FRP-strengthened concrete structures[J]. Engineering Fracture Mechanics 70 (2003) 1339–1355
        [3]  叶列平,崔卫等,碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析. 建筑结构,2001第31卷第3期.
        [4] 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).