结构加固新概念-预应力CFRP

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预应力碳纤维加固梁桥

尚守平一、碳纤维加固结构的致命弱点二、关键内容研究三、预应力碳纤维板加固梁桥结构的

工程应用四、结论一、碳纤维加固结构的致命弱点（1）剥离（2）强度利用率低1.碳纤维的剥离撕裂导致被加固构件的提前破坏(国内外一直未解决的难题)，极限强度降低。普通粘贴碳纤维片材加固因构件表面的不平整产生法向力N，剥离破坏。1.碳纤维的强度利用率不到15%（由于碳纤维弹性摸量与钢材相当）普通CFRP加固普通CFRP加固碳纤维标准强度碳纤维标准强度普通非预应力碳纤维使用强度2强度利用率低

（为控制被加固混凝土构件的裂缝不致太宽,普通的非

预应力碳纤维加固限制碳纤维的使用强度）目前世界上只有少数国家在研究预应力碳纤维片材加固：美国、加拿大、德国、瑞士、日本中国：清华大学、同济大学、东南大学、重庆大学缺陷：（1）疲劳性能方面试验研究较少，疲劳破坏机理研究不透彻（2）设备及工艺难以满足使用要求，成为研究与应用工作的瓶颈（3）长期性能与耐候性能研究很少，预应力损失研究少预应力碳纤维加固技术比非预应力碳纤维加固技术提高了材料强度的利用率4-6倍20000.0104000.002碳纤维标准强度普通碳纤维利用强度预应力碳纤维利用强度二、关键内容研究

预应力碳纤维板加固受弯构件的二次受力性能研究预应力碳纤维加固受弯构件的工艺研究预应力碳纤维板长期受拉状态下应力松弛研究

预应力碳纤维板加固受弯构件的疲劳性能研究材料要求:无特殊指标。碳板拉伸强度（标准强度)>=3000MPa,弹性模量>=140GPa。无气泡孔隙。粘结胶正拉粘结强度>2*混凝土抗拉标准强度。弹性模量>=4.0GPa。

预应力碳纤维加固受弯构件的受力性能研究，剥离研究，二次受力研究，非线性研究吊篮砝码杠杆加载二次受力试验系统碳纤维加固量的试验研究MM第一次受力第二次受力M较大时截面应力M较小时截面应力平截面应变截面高度增大时的应力应变考虑二次受力（带载）加固时的截面应力应变分布M较大时截面应力的计算分布M较小时截面应力的计算分布二次受力臂一次受力臂一次受力（抛物线）二次受力（接近矩形）考虑二次受力的内力臂MM实际的截面应力状况M二次受力一次受力压应变卸载后一次受力二次受力平截面变形钢筋应力应变曲线混凝土应力应变曲线构件的弯矩挠度曲线计算的截面应力状况碳板张拉机研究碳板锚具研究预应力碳纤维加固受弯构件的工艺研究纤维板材预应力张拉装置碳纤维板锚具当梁底为反拱时

加固前后，在荷载作用下梁的正挠度f不得超过跨度L的1/400。当梁底为正拱时

加固前后，在荷载作用下梁的正挠度f不得超过跨度L的1/400。预应力碳纤维片材加固受弯构件的设计计算

与普通预应力钢筋混凝土结构大体相同。只须注意碳板在截面上的高度位置、属于体外预应力“配筋”即可。限于时间关系，略。

预应力碳纤维板长期受拉状态下应力松弛研究预应力碳纤维板在日照温差下应力状态研究预应力碳纤维板加固受弯构件

的疲劳性能研究

测量及加载方案1、静载试验阶段疲劳加载前，加载至5（15）kN，然后卸载，然后缓慢加载至疲劳荷载上限，然后卸载再重新加载，重复三次。2、疲劳试验阶段在1、2、5、10、50、100、150万次时停机，进行最大荷载为疲劳荷载上限的静载试验。3、静载试验破坏阶段疲劳加载至200万次后如果未破坏，采用静力加载方式将试件加载至破坏。开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均显著提高预应力加固试件剥离被推迟截面水平向应变分布符合平截面变形假定平截面应变疲劳试验结果本项目课题组碳纤维张拉最大预应力4.国内外同类技术碳纤维张拉应力比较课题组进行了高预应力下的碳纤维加固研究，获得了一批有价值试验数据，建立了一系列加固设计理论、实用公式、施工工艺。2008年10月发表的学术论文《建筑结构学报》、《工程力学》、国际会议

[1]尚守平,彭晖等，预应力碳纤维部材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究，建筑结构学报，2003年10月，24卷5期，24－30

[2]彭晖,尚守平,用预应力CFRP对RC梁的加固工艺研究,建筑技术开发,2003年5月,30卷5期,第21—23页[3]彭晖，尚守平，金勇俊，预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究，工程力学，ISSN1000-4750，2008年25卷5期，P142[4]ShoupingShang,PatrickX.W.Zou,Hui

Peng,andHaidong

Wang,.Avoidingde-bondinginFRPstrengthenedRCbeamsusingprestressingtechniques,ProceedingsoftheInternationalSymposiumonBondBehaviorofFRPinStructures,2005HongKong,329-335主编国家CECS规程

课题组对浏阳金刚头桥成功进行了预应力碳纤维加固。该项目是世界范围内除德国及英国外第三例成功的预应力碳纤维技术工程应用，也是亚洲第一例工程应用。三、预应力碳纤维板加固桥梁结构的工程应用

已有的国外两个预应力碳纤维加固工程实例：德国南部实施的Lauter桥加固工程英国牛津实施的Hythe桥修复工程中国金刚头桥，位于湖南省浏阳市境内106国道线上，建于1963年，至今服役时间已超过40年。结构体系为典型的钢筋混凝土T梁结构，全长共39m，分为两跨，单跨长度19.5m。每跨由5根钢筋混凝土T形主梁及上部的桥面板组成，T梁之间设置了较强的横隔梁联系裂缝较多，病害严重，通行能力不足，需要加固原设计荷载汽－15，目标设计荷载汽－20加固方案：主梁通长粘贴初始应力为1000MPa的预应力碳纤维板。1、施工工艺混凝土表面处理安装碳纤维板锚具及张拉机具

涂抹胶粘剂，安装碳纤维板张拉碳纤维板至初始应力释放预应力，切断碳纤维板如有必要进行电辅加热锚具及碳纤维板表面防护锚具安装示意张拉碳纤维板将梁表面打磨并在梁表面凿出锚具槽埋入锚具并用化学锚栓固定在梁表面和碳纤维板材上涂抹胶粘剂安装张拉机具锚具将预应力碳纤维板固定端固定油泵加压，开始张拉利用角钢将碳纤维板材压紧张拉到位后将活动端锚具压板拧紧施工完毕后的加固梁利用温控设备在冬季施工时提升碳纤维温度冬季施工时利用加温设备对碳纤维板升温碳板端部电极温控设备4、荷载试验（1）荷载布置车辆布置电阻应变片及光纤光栅布置（2）试验结果及分析

预应力碳纤维板加固效果分析采用光纤光栅应变传感器对加固桥进行长期观测。端部锚具密封防锈完好的光栅传感器完好的光栅应变传感器桥底仰视图长期观测结果：未发现因碳纤维锚具滑移使碳板产生松弛；碳板的应变松弛<0.4%.未发现碳板粘结胶流淌；未发现碳板粘结胶脆硬；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号4号3号2号应变(με)间隔时间(天)测量日期

光缆光栅应变传感器碳纤维板松弛长期监测结果

长期观测结果表明锚具处碳纤维板没有出现明显的滑移，加固中采用的锚具具有良好的耐久性。且从每个传感器的读数可以看出，各碳纤维板在加固后初期的应变变化较大，在以后的时间内变化速度都相对较小。根据设计的预应力，碳纤维板的初始预应变6000με，而监测数据中，最大应变变化为20.5654με，仅为初始应变的0.34%。各传感器的测量结果均略大于计算结果，但总体趋势比较接近。可见，一般在1~2个月时间内加固梁会完成大部分时效应变，然后趋于收敛，同时受其它因素的影响时会出现一定的波动。总体来说，各加固梁总的时效应变很小，对加固效果的影响也很小。

美国混凝土协会(ACI)制定的《外贴FRP加固混凝土结构设计和施工指导规程》中对碳纤维片材的最大应力进行了限制，即在加固设计中，碳纤维片材的最大应力不能超过极限应力的55%。金刚头桥的碳纤维板的设计最大应力约为其极限应力的40%。

应力水平是影响碳纤维板徐变的最大因素，只要碳纤维板所承受的应力不超过一定限值就不会发生徐变断裂。这个一定的限值保守地取在50%比较合适。

有研究显示，碳纤维片材经过徐变后，其应力-应变关系仍接近于直线，弹性模量有所增加，极限应变相对下降，碳纤维片材的脆性会增加。所以碳纤维板的徐变，会导致加固构件的刚度增大，但也会使构件的承载能力和延性下降。

从金刚头桥的监测结果来看，在加固完成后近两年的时间里，碳纤维板的徐变最大值还不到初始预应变的0.4%。可以看出虽然碳纤维板的徐变对整体加固效果是不利的，但由于碳纤维板和端部锚具具有良好的长期性能，使得加固后的碳纤维板的徐变很小，所以这种不利影响也非常有限。

当然，这是在使用我们自己研制的锚具的前提下。温度测量数据记录表表程名称：金刚头桥光纤光栅试验编号：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桥面梁侧下梁侧上距桥面1.5m高桥底桥面梁侧2梁侧1红外测温(Co)温度计测温(Co)位置时间金刚头桥光纤光栅昼夜温差测量数据记录昼夜温差对预应力碳纤维加固桥梁的影响5、小结金刚头桥是亚洲范围内首次将预应力碳纤维板加固技术应用于桥梁工程。金刚头桥的成功加固及荷载试验证明：预应力碳纤维片材加固技术具有传统的碳纤维加固技术及体外预应力无法比拟的优势，在提高结构抗弯刚度、承载力，减小结构变形，抑制裂缝发展等方面表现出了显著的效果。作者将通过设置在金刚头桥上的光纤光栅传感器对此项技术的长期效果进行监测，以验证及完善该项技术。加固完成的金刚头桥四结论1、预应力碳纤维加固技术可有效提高结构承载能力与抗裂性能，减小结构变形，提高使用阶段工作性能，并且有效抑制碳纤维片材与混凝土间的剥离。2、预应力碳纤维加固对碳纤维的材料强度利用程度远远高于非预应力碳纤维加固，有效解决了非预应力碳纤维加固无法发挥材