第八讲-预应力纤维复合材(FRP)加固法

正常使用条件下碳纤维材料的利用率极低，一般不超过材料设计强度的10%。不能有效改善加固结构的使用性能，如减小裂缝宽度、提高结构刚度、降低结构挠度等。正截面加固时片材端部容易产生界面高剪应力，导致端部剥离；裂缝两侧界面容易产生高剪应力导致剥离；简支构件斜裂缝的发展容易诱发片材剥离；抗剪加固时U形箍自由端容易产生剥离。普通粘贴碳纤维用于受弯构件加固的技术瓶颈钢筋受拉屈服-纤维拉断（不选择）受弯构件抗弯加固的破坏形态钢筋受拉屈服-纤维不断-压区混凝土压碎（选择）受弯构件抗弯加固的破坏形态受弯能力增强，抗剪能力相对较弱，导致剪切破坏（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态沿钢筋的表层混凝土剥离破坏（撕裂，debondingofsurfaceconcretefromrerar)（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态纤维片材自端部而起的剥离破坏（脱层,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态纤维片材自裂缝截面的剥离破坏（脱层,delaminationofFRPsheetfrombaseconcrete）（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态斜裂缝剪错导致的纤维片材剥离破坏（限制）受弯构件抗弯加固的破坏形态可以大幅度提高CFRP材料强度利用率；大幅度降低同等拉应力条件下CFRP片材与基层混凝土之间的剪应力，降低因弯曲裂缝导致的剥离风险；经张拉的CFRP片材在端部设置专用锚固装置后，可以有效防止端部剥离破坏和因剪切裂缝导致的剥离破坏。对纤维片材施加预应力的优势

反拱法产生的预应力度很低，能有效说明对FRP材料施加预应力带来的明显优势，但该方法在实际工程中难以采用。纤维布施加预应力的方法：反拱法

•国内外较早采用反拱法对GFRP材料建立预应力。Saadatmanesh和Ehsani[5]（美国Arizona大学，1991）在实验室内用千斤顶在跨中将混凝土梁顶起产生反拱，保持荷载使梁维持弯曲状态，然后在梁底凹面粘贴GFRP板，待胶层固化获得强度后卸除千斤顶，混凝土梁回弹使GFRP板受拉，从而建立起预应力。该试验混凝土梁尺寸为4570mm×200mm×460mm，四点弯曲试验的开裂荷载提高了100%，承载力提高400%。纤维布施加预应力的方法：反拱法

•Yu，Silver和Nanni[6]（美国Missouri-Rolla大学，2003）采用反拱法对尺寸6300mm×1000mm×220mm的混凝土梁用CFRP板进行加固，使承载力比对比板提高了80%。

•赵启林[7]（解放军理工大学，2002）分析了反拱法对钢构件采用预应力FRP加固的可能性。

•赵军[8]（广西工学院，2005）采用反拱法用CFRP布对尺寸为2000mm×120mm×200mm的混凝土梁进行了加固试验，表明能有效提高承载力，并控制裂缝的发展。纤维布施加预应力的方法：反拱法纤维布施加预应力的方法：先张法纤维布施加预应力的方法：先张法手扳葫芦张拉法：江世永、飞渭等（1）提升装置（2）钢板（3）螺栓（4）滚轴（5）CFRP布（6）夹具（7）手扳葫芦（8）挂钩（9）力传感器。纤维布施加预应力的方法：先张法直接张拉法：杨勇新、岳清瑞、叶烈平纤维布施加预应力的方法：先张法直接张拉法：杨勇新、岳清瑞，叶烈平纤维布施加预应力的方法：先张法直接张拉法的施工工艺流程(1)将待加固RC梁粘贴面打磨至坚硬层,粘贴面找平处理并清除粘贴面上的油污、浮浆和粉尘。(2)在加固构件粘贴面上用涂胶辊均匀刷涂底胶,养护至规定时间至手指触摸不粘手。(3)安装张拉设备,可以采用植筋方法在被加固梁端的支墩或柱上固定张拉设备。(4)安装CFRP布,并张拉CFRP布达到预定的值。(5)用粘贴树脂均匀刷涂CFRP布。(6)抬升CFRP布与构件底面紧密结合,碾压排除气泡,使粘贴紧密,粘贴树脂养护达到强度。(7)释放张拉端。(8)采用多层粘贴时重复上述步骤。(9)全部粘贴加固完成后进行表面防护处理,必要时表面需涂防火涂料。纤维布施加预应力的方法：先张法先张法的优点无锚具，节约材料，跨内裂缝截面的剥离问题得以缓解。先张法的缺点1.不能解决端部剥离问题，放张时可能直接产生剥离现象。2.多层张拉时耗时太长。应用情况系统尚不完善，实际工程中几乎未见使用。纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法东南大学：吕志涛纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法东南大学：吕志涛纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法辊轴收紧法的优点装置简单，易于张拉。缺点预应力值不易控制；事先须在构件两端粘贴固定纤维布，且一旦固定再无更改可能；收紧时纤维存在破损的风险。纤维布施加预应力的方法：波形锚法法重庆大学：李唐宁纤维布施加预应力的方法：波形锚法重庆大学：李唐宁施加预应力的方法：波形锚法波形锚法的优点装置简单，易于张拉，可多层叠放一次压紧。缺点预应力值不易控制；对较大跨度，需要较多的中间波形板，或许使造价提高；收紧时纤维存在破损的风险。注：有工程应用实例纤维板施加预应力

CFRP预成型板简称CFRP板是将CFRP丝和树脂胶体拉挤成型的板材，在CFRP布相同宽度的前提下其有效横截面积是布材的7~11倍，这样只要张拉一条CFRP板就相当于张拉7~11层的CFRP布材，可以看出CFRP板材在预应力应用中具有与生俱来的优势，这是布材所不能比拟的。纤维板施加预应力：sikastresshead固定端

纤维板施加预应力：sikastresshead张拉端

锚固靴纤维板施加预应力：sikastresshead张拉情景

纤维板施加预应力：sikastresshead锚固靴

纤维板施加预应力：sikastressheadSika应力头技术优点张拉技术成熟可靠，是目前最具实用价值的纤维板预应力加固系统。缺点锚固靴中钢管直径大约120mm，钢筋密集的梁式构件难以使用；由于构造上对张拉位移提供的空间有限，事先必须对碳纤维板的长度计算精准，否则可能导致不能按计划张拉。由于上述第2条原因，该法难以应用在大跨度桥梁加固，否则锚固靴需加大尺寸。纤维板施加预应力：压紧式板式锚具中南大学：何贤辉；湖南大学：彭晖高效碳纤维预应力张拉系统的技术要求（1）在高性能锚具方面，要求达到能可靠锚固高强度I级板50×1.4mm2规格条板，锚固能力不小于150kN；（2）张拉系统不受跨度限制，以满足对不同跨度的适应性；（3）张拉后及时锚固，不占用张拉设备；（4）张拉端锚具外除夹持所需长度外，无多余CFRP板材料；（5）系统能有效改善结构的加固效果，大幅度提高CFRP板在正常使用条件下的抗拉强度利用率，有效预应力不低于1200MPa。全学友的部分基础性研究成果胶体/碳纤维板与金属基体粘接强度的剪压复合试验全学友的部分基础性研究成果胶体剪压复合试验正应力MPa剪应力MPa全学友的部分基础性研究成果碳纤维板剪压复合试验剪应力MPa正应力MPa全学友的部分基础性研究成果碳纤维板与金属基体间的摩擦系数全学友的部分基础性研究成果碳纤维板与金属基体间的摩擦系数全学友的部分基础性研究成果碳纤维板夹片式夹具性能全学友的部分基础性研究成果碳纤维板夹片式夹具性能全学友的部分基础性研究成果碳纤维板夹片式夹具性能全学友的部分基础性研究成果