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CFRP加固钢筋混凝土结构的技术与应用

发布日期:2013-07-22 15:13:08 浏览量:1377
传统钢筋混凝土结构的加固方法有:加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、裂缝修补法及喷射混凝土加固法、缠绕钢丝加固法等。总体上看,传统加固方法存在以下缺点:增加结构尺寸,减少使用空间,影响建筑的使用和美观;形成不必要的焊接节点和连接;自重大,可能造成连锁修补问题;无法加固修复形体复杂构筑物;抗侵蚀能力弱;施工难度大、周期长、费用高。CFRP加固修复的优点:轻质高强,比强度为钢的8倍;施工便捷,不需大型机具;施工周期短,仅为传统修复的1/2—1/4;费用低,仅为传统修复的1/2—1/3;抗腐蚀;可加固修复任何形状构筑物等。

纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastic.简称FRP)加固修复建筑结构技术于20世纪80年代初在发达国家开始研究与应用:1982年瑞士的Meier首先尝试采用粘贴纤维增强塑料(FRP)对桥梁结构进行加固的研究,随后使用FRP进行结构加固的方法在日本、美国和欧洲等发达国家得到突飞猛进的发展,许多学者、科研机构对FRP材料加固修补结构技术进行了大量研究。1991年美国混凝土协会成立了ACI440委员会.负责开展纤维增强复合材料加固混凝土与砌体结构的研究。加拿大也成立了一个FRP加固修补土建结构的国家重点研究开发基地。1993年ACI在加拿大主办了第一届国际FRP专题会议,此后每两年举办一次FRP混凝土国际学术研讨会。1999年3月日本土木学会成立了FRP加固委员会,井完成了应用FRP材料对混凝土结构进行

加固修复的草案。其他国家如德国、瑞士等也进行了大量的研究、应用工作,成立了相应的研究机构。据不完全统计,国内外已应用碳纤维材料对桥梁、道路、隧道、建筑物(构筑物)等多种1混凝土结构构件进行了加固。日本、美国等国家编制了一系列碳纤维材料加固混凝土结构构件的设计及施工标准和指南

用于指导加固设计及施工。

2 国内外研究应用进展

CFRP加固混凝土结构技术是FRP技术中一种应用较普遍、性能较好的混凝土结构补强加固新技术。包括四方面的内容:抗弯加固、 抗剪加固、碳纤维与混凝土界面粘结性能和抗震性能研究,该领域的研究也由这四方面构成。

2.1 抗弯加固

CFRP(碳纤维板和碳纤维布)对混凝土构件的抗弯加固是最基本的形式,特别是对混凝土梁的加固更是如此,所以这方面的研究和应用比较多。

Ritchie等人应用碳纤维板对小剪跨比钢筋混凝土乘进行丁加固试验,结果表明:外贴碳纤维板可提高梁的承载力和刚度,在此基础上采用迭代分析法进行了梁抗弯承载力和刚度的计算,计算值偏高,原因是由于没有考虑碳纤维板端应力集中和碳纤维板的锚固问题。

Fanning 也进行了碳纤维板加固混凝土梁的试验研究.结果表明破坏形态都是碳纤维板端剪切剥离破坏,碳纤维板加固混凝土梁可提高梁的承载力和刚度,采用有限元方法计算了碳纤维加固混凝土梁的抗弯承载力,与实验结果对比,计算结果较好,同时提出了对脆性破坏形态和锚固作用需进一步研究。

Arduini等人通过加固混凝土梁试验,研究了碳纤维布加固量、锚固方式导致的不同的破坏形态和抗弯承载力,试验结果表明,采用碳纤维布加固混凝土梁可提高梁的屈服荷载和极限荷载,但只是在截面受压区较小时,碳纤维布才能充分发挥性能,同时针对脆性破坏现象提出了在剪跨区全部采用U型箍锚固方式加固,可防止脆性剥离破坏发生,但对界面形态和剥离破坏原因没有进行分析。

Malek等人计算了碳纤维板加固混凝土梁在加固特征点(板端、裂缝处等)的正应力、剪应力的集中程度,并与有限元方法的计算结果进行了对比.来研究碳纤维板增强钢筋混凝土梁的局部失效,但由于假定碳纤维板与混凝土之间无粘结滑移,所以不能得出令人满意的结果。

Hamid 等人推导了加固梁二次受力状态下正截面承载力的计算公式;Mckenna等人提出了T型梁加固后的承载力计算方法,定义了破坏形态界限,并控制不同的破坏模式。

Spadeu 等人进行了加固量、纵向钢筋配筋量、箍筋配筋量、锚固方式和位置等条件不同情况下的试验,加固后梁的承载力和廷性都有不同程度的提高。

White等人分别用基于碳纤维布与混凝土之间无粘结滑移的假定,建立截面分层模型来计算截面中碳纤维布、混凝土及钢筋的响应,但计算结果与实验结果的剥离破坏形态不符。

2.2抗剪加固

CFRP抗剪加固混凝土构件的破坏模式有很多种,破坏模式受碳纤维片材与混凝土之间粘结强度、碳纤维片材锚固长度、粘贴方式、厚度等多种因素的影响。对纤维类材料抗剪加固的研究.最早是由麻省理工学院的Berset进行的。

Berset采用玻璃纤维片贴在梁受剪区段侧面进行加固,通过与末加固梁的对比,提出了纤维片材加固梁的受剪承载力分析模型,模型中纤维片材的作用类似箍筋,对抗剪的贡献由试验中得到的纤维最大允许应变决定。

Uji 用碳纤维布粘贴在梁侧面和用碳纤维布封闭箍对混凝土梁进行加固,基于对碳纤维—混凝土剥离界面的分析,提出了产生剥离破坏的受剪计算模型。Uji 认为,在纤维剥离时,界面的平均应力由试验确定为1.3Mpa. Chajes 对梁进行了受剪加固试验,指出梁的受剪承载力可提高50%-160%,并进行了计算。

Triantafilou 研究了碳纤维片材中纤维方向对受剪加固的效果,结果表明450/1350纤维排列加固效果优于900纤维排列加固效果;研究了碳纤维加固量对构件达到最大承载力时碳纤维有效应变的影响,结果表明,随碳纤维布加固量的增大,梁的极限抗剪强度先增加后减小,即当碳纤维的加固量超过一定范围时,碳纤维的加固作用反而降低。

清华大学的赵树红等进行了碳纤维布加固混凝土矩形截面柱的受剪试验,研究了混凝土强度、轴压比、剪跨比和配箍特征值对碳纤维布加固混凝土矩形截面柱受剪承载力的影响;同时进行了碳纤维布加固混凝土矩形截面柱抗震性能的试验,研究了轴压比、纵筋配筋率和配箍率对碳纤维布加固构件延性的影响。

碳纤维布抗剪加固计算理论主要有两种方法:一种是利用经典理论分析碳纤维片材加固后粱或柱的受剪承载力表达式;另一种是把碳纤维片材的抗剪能力部分归人已有的设计表达式。

Malek等人应用桁架理论对碳纤维片材厚度、纤维方向、横向弹模、箍筋间距等参数的作用进行了分析,在抗剪承载力表达式中引进了裂缝角度变量。

Chajes 等认为碳纤维片材最大应变由受剪区极限应变限制,其试验测得为0.005。

Khalifa等人研究了FRP板对抗剪能力的贡献。

Malek、Kobayashi等人分别进行了碳纤维布加固混凝土梁抗剪承载力的试验,认为外粘的碳纤维布可起类似箍筋的作用,建立了剪切剥离的计算评价模型,但计算值与试验值的偏差较大。

Spadeu 和Picard等人研究了碳纤维布提高混凝土梁延性的方式及效果,提出了加固设计方法。

张继文等人进行了碳纤维布加固梁的受剪承载力试验,提出了计算方法。

李全旺等人提出以反映碳纤维与混凝土强度的加固特征值作为加固量的参数,认为碳纤维片材强度发挥系数随加固量的增加而减小,达到一定界限值后,强度发挥系数稳定在0.2左右。

2.3 CFRP与混凝土界面粘结性能

碳纤维布与混凝土之间的锚固粘结性能是影响碳纤维布加固混凝土构件的强度、刚度和破坏形态的主要因素。在碳纤维布的锚固粘结性能方面,C.Y.Wang等人研究了碳纤维布加固梁开裂后碳纤维布的剥离破坏现象。

Philip A.Ritchie等认为从支座边缘起自然锚固一般不能保证纤维不发生剥离破坏,因此可采用附加锚固,即在粱端部侧面附加纤维片材箍。

吴智深等人通过试验对加固的综合效果进行了考察,并用断裂能方法对碳纤维布与混凝土粘结界面的剥离破坏进行了分析,但认为只有剪切断裂能起作用,忽略了张开断裂能的作用。

Garden 研究了剪跨比对锚固的影响,认为剪切剥离破坏有“保护层剥离”与“部分保护层剥离”两种破坏形式,前者指整个剪跨范围内梁底保护层剥落、钢筋外露,这是由于碳纤维片材端部出现剪切裂缝而引起的;后者指钢筋仅在剪跨区内一小部分外露,其余范围内碳纤维片材上粘有混凝土薄层,此由弯剪主裂缝引起。随着碳纤维片材厚度的增加,片材端部的剪应力与正应力增加,片材发生剥离破坏,同时伴随有沿纵筋的局部混凝土拉剪破坏;研究结果表明,采用附加锚固能防止脆性剪切剥离破坏的发生,但对锚固的定量计算没有成熟的研究成果。

德国的M.Blaschko等人从传统的粘钢方法出发,类推出外粘碳纤维板的粘结破坏,对粘结破坏进行了分类和描述,提出一些建议计算公式,但用碳纤维布加固的计算结果精度较差。

2.4抗震性能

国内外许多学者对碳纤维加强钢筋混凝土柱的抗震性能进行了研究。研究表明:CFRP加固的钢筋混凝土短柱具有很好的廷性和滞回耗能能力,能有效提高钢筋混凝土柱的抗震性能。采用CFRP加固钢筋混凝土柱,可防止斜裂缝发现或限制斜裂缝发展,有效提高柱的受剪承载力,实现强剪弱弯的抗震要求。增加横向箍筋和粘贴碳纤维布.可以在一定程度上延缓压区混凝土的压屈区域的进一步发展,有效阻止构件的高剪压破坏,减缓高轴压比构件在大变形过程中的强度退化进程。

CFRP对构件抗剪的贡献类似于箍筋,除与混凝土共同承受反复循环的外剪力外,还能起防止主筋过早压屈和增强对混凝土核心的约束,它比混凝土的约束更为直接,可有效防止混凝土表层的剥落。

Priestly 进行了圆形截面大尺寸的3个受弯和4个受剪柱的往复荷载试验,结果表明,采用CFRP加固后的柱在往复荷载作用下均表现出良好的抗震性能。由于CFRP的约束作用,使得构件一方面避免了钢筋搭接部位的接头破坏,另一方面提高了构件的延性和抗剪能力,使得构件的破坏形式由脆性剪切破坏转变为具有延性的弯曲破坏。

Nanni的试验结果表明.圆形截面的构件加固对强度和廷性的提高要优于方形截面构件。Saiidl在震动台上进行了3个相似比为0.3喇叭形桥墩的抗震试验,其中有两个分别为采用玻璃纤维和碳纤维加固后的试件、另一个为未进行加固的对比试件,试验表明FRP加固提高了构件的位移延性和抗剪承载力;试验结果还显示玻璃纤维和碳纤维两种FPP材料的加固效果基本一致。观察了不同加固形式(如仅加固柱、加固柱和部分墙及全部加固)和不同CFRP加固量对带翼墙柱滞回性能的影响,发现CFRP加固不仅可以提高构件的抗震性能,构件的抗剪能力也会随CFRP用量的增加而线性增加,但有一界限值。

近几年国内对CFRP约束混凝土抗震性能的研究开展很多。叶列平等人在试验数据的基础上,还得出了碳纤维布加固钢筋混凝土柱的滞回耗能系数与目标延性系数的关系,并基于能量的概念,确定了目标延性系数的计算公式,从而可以利用该公式确定被加固柱的碳纤维用量。

目前,国内外研究者对CFRP约束混凝土结构和构件抗震性能的理论研究主要是利用试验获得构件水平力与侧移之间的滞回曲线,采用钢筋混凝土的方法,提出位移延性系数和剪切强度的计算公式,并与试验结果进行对比。如Matsuzak利用和普通钢筋混凝土相同的桁架模型给出了CFRP约束钢筋混凝土柱的抗剪承载力计算公式,并以剪切和抗弯强度比的形式给出延性系数的计算公式。

3 展 望

我国对碳纤维布加固混凝土结构技术的研究和应用虽然时间不长,但由于国内钢筋混凝土结构的工程量巨大,其中许多结构的使用龄期已达几十年,加上碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构独具的技术优势,该项技术的研究与应用具有巨大的价值,在短短的几年里在国内学术界和工程界已形成研究和工程应用的热点。目前国内已有国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、清华大学、东南大学、同济大学、天津大学、中国建筑科学研究院、四川省建筑科学研究院及其他高校和研究单位对CFRP加固工程技术展开了研究,并已取得多项成果。但仍需要在下列方面深入研究:CFRP对不同结构在各种荷载下加固与实效机理、结构抗力与荷载效应、加固设计与工艺优化、加固材料性价比、智能CFRP加固以实现实时安全测评、加固工程技术规范与标准等等,以拓展应用。



文章来源: 永年加固公司
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