窄幅预应力FRP带在海洋结构加固中的应用技术研究报告

第第页窄幅预应力FRP带在海洋结构加固中的应用技术研究研究报告xx学院目录TOC\o"1-3"\h\u88221概述 6114311.1研究背景 638321.1.1高强FRP布加固结构研究现状 619311.1.2高强FRP布在海洋结构加固中的应用前景 1063161.2研究目的 12103491.3研究内容 12216772嵌入式预应力FRP布加固海洋结构理论分析 1337352.1嵌入式预应力张拉技术原理 13290082.2窄幅预应力FRP带加固海洋钢筋混凝土梁理论分析 13292962.2.1FRP材料在海洋结构加固中的适用性 1389892.2.2FRP材料加固钢筋混凝土梁理论分析 1494982.3窄幅预应力FRP带基材张拉控制应力的研究 1747422.3.1张拉控制应力确定的一般原则 1786552.3.2FRP基材的受力特点及张拉控制应力初步确定 1762012.3.3FRP基材张拉控制应力的试验研究 1818812.3.4FRP基材强拉控制应力研究结论 20177432.4本章小结 2187303嵌入式预应力FRP布加固钢筋混凝土梁试验研究 22239713.1试验目的 22131793.2试验准备 22240753.2.1试件设计 22188823.2.2材料力学性能 23136563.2.3试验设备 25214003.2.4测点布置 27200293.2.5试验控制荷载的估算 28135173.2.6CFRP布的安装 30147383.3加载试验 3136043.3.1加载制度及试件安装 319113.3.3加载试验 32142863.4试验结果 33214853.4.1开裂荷载和极限荷载 33123313.4.2破坏现象 34143583.5本章小结 36325334窄幅宽纤维布实桥加固工程实例 37122324.1工程概况 37263164.1.1桥梁损伤调查 3761024.1.2桥梁损伤分析 37118114.2桥梁加固 38112464.2.1加固目标 38311474.2.2加固方案 38244574.3加固施工 4249614.4本章小结 423958参考文献 44

插图目录TOC\t"图,1"\h1248图1.1土木工程加固中常用的碳纤维布 930117图1.2某利用CFRP布加固的结构 917278图2.1纤维布的锚固 1323269图2.2纤维布张拉后 1311655图2.3单筋梁加固截面示意图 1522542图2.4单筋梁加固计算简图 1527235图2.5试验安装示意图 1921015图3.1梁截面尺寸及配筋图 22407图3.2混凝土抗压强度试验 2414126图3.3钢筋拉伸试验 248786图3.6底胶 2429855图3.7微机控制电子万能材料试验机 2623608图3.8压力试验机 2631967图3.9TS3866静态应变数据采集仪 2731688图3.10智能裂缝测宽仪 2726334图3.11试验梁计算简图 293804图3.12碳纤维布的锚固 3114612图3.13预应力张拉 3131232图3.14预应力加固后的试件 3117903图3.15加载试验 313516图3.16测点布置及试验安装示意图 3227768图3.18KJG-1荷载位移曲线 3417162图3.19ZJG-1荷载位移曲线 3426484图3.20ZJG-2荷载位移曲线 3416517图3.21ZJG-3荷载位移曲线 3426194图3.22ZJG-4荷载位移曲线 345661图4.1纤维布的锚固 3918070图4.2纤维布张拉后 3919278图4.3CFRP布在板底的布置 4014764图4.4空心板截面 4031790图4.5空心板计算简图 40

表格目录TOC\t"表,1"\h30051表1.1代表性纤维轴向力学性能参数与钢、铝的比较 917381表3.1混凝土力学性能指标 237214表3.2钢筋力学性能指标 2324083表3.3碳纤维布力学参数 2413714表3.4CFRP布拉伸试验结果 257996表3.5试验构件概况一览表 3331421表3.6实测开裂荷载和破坏荷载 33窄幅预应力FRP带在海洋结构加固中的应用技术研究1概述1.1研究背景1.1.1高强FRP布加固结构研究现状碳纤维材料最早用于航空航天领域，由于其具有优异的物理力学性能、轻质高强、耐热、耐腐蚀、与环氧结构胶配合可制成性能优异的复合材料，目前已开始大量用于结构加固领域。用于建筑结构加固补强处理的CFRP材料，强度为普通建筑用钢的十到二十倍，弹性模量与建筑钢材处于同一水平并略有提高。高强纤维复合材料(FRP)具有优异的物理性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，在结构加固领域得到了日益广泛的应用。（表1.1）。纤维材料的这些特点，为建筑结构及桥梁的补强加固处理提供了强有力地支持。自20世纪80年代至今，CFRP布在混凝土结构加固领域得到长足的发展和应用，图1.1为土木工程领域常用的碳纤维布，图1.2为某实际应用CFRP布进行加固的结构。国外对纤维布在结构加固中的应用研究较早，1981年，瑞典Meier最早采用粘贴碳纤维复合材料(CFRP)加固了Ebaeh桥，此后十年间，FRP尤其是CFRP加固混凝土结构在日本、美国等国家得到了突飞猛进的发展。1982年～1991年期间瑞典（EMPA）实验室的Meier、Kaiser等人对CFRP加固钢筋混凝土梁采用四点加载方式[1,2,3]进行了多项试验研究，Meier等人指出：在极限承载力方面，加固梁与非加固梁相比提高近一倍；在裂缝发展方面，加固梁比非加固梁裂缝出现晚，发展缓慢、裂缝分布更加均匀，裂缝宽度较非加固梁的宽度小；对于CFRP加固梁，平截面假定仍然适用，Meier等人还提出了与试验结果具有较好吻合程度的分析模型，深入探讨了加固梁的三种破坏形式。Triantafillou于1991年ADDINNE.Ref.{439DBE6E-B5C6-4522-91C6-D7C3836ADF0E}[4]对预应力CFRP布加固钢筋混凝土结构技术进行了研究，分析了CFRP布放张后端部应力传递问题。他认为预应力放张后，CFRP布锚固区破坏方式分为混凝土剪切破坏和粘贴树脂破坏两种，采用机械锚固措施可以提高初始预应力水平。Triantafillou于1992年[5]又进一步通过试验对其分析模型进行了验证，由模型计算出的CFRP布可以施加的最大初始预应力与试验结果吻合较好，同时反映出预应力CFRP布对混凝土梁的承载力、刚度和延性加固均具有显著效果。Quantrill、Nanni等[6-9]通过试验研究，分析了采用不同的CFRP加固参数(如面积、宽度、层数等)对加固粱性能的影响，并建立了理论模型，对受拉CFRP材料的拉应变和构件受压区混凝土的压应变进行了比较准确的预测；Bencardino等人[10]研究了CFRP加固梁的延性，分析了采用不同端部锚固形式对加固梁延性性能的影响；Shahawy等人[11,12]还对不同环境下采用碳纤维加固的混凝土结构的耐久性及疲劳性能进行了研究。Garden等人于1998年ADDINNE.Ref.{E401275B-D0E0-44C2-A666-68A60D9C92A9}[13]进行了多根粘贴纤维布加固和预应力CFRP加固的1.0m～4.5m钢筋混凝土梁的四点加载的试验。通过对比试验结果得出：普通粘贴CFRP布加固梁的破坏是由于粘结层剥离引起，多数预应力CFRP布加固梁的破坏是由于CFRP材料拉断引起；与普通CFRP布加固梁相比，采用预应力CFRP布技术加固的梁，在开裂荷载、同级荷载下的裂缝宽度、构件刚度等方面均得到改善。2001年Wight等ADDINNE.Ref.{0785C3EB-FCA3-49A3-8F26-B4F913A859F4}[14]发明了固定在梁上的锚固系统，进行了预应力CFRP布加固试验，结果表明预应力的施加延迟了裂缝产生，使钢筋应力显著转移至CFRP布上，同时对预应力CFRP布加固和非预应力CFRP布加固的特点作了对比分析，指出预应力CFRP布能有效地提高梁的承载能力。2004年WightandGreen等[15]进行了预应力CFRP布加固梁在室温（22℃）及低温（-28℃）环境下的结构性能对比试验，结果表明从22℃到-28℃温度之间加固梁强度不受温度影响，低温状况下的梁极限抗弯承载力甚至比室温下梁极限抗弯承载力方略高。Iwashita等在2005年ADDINNE.Ref.{AED0D9AC-D01D-4B72-94DA-1846A2C319A8}[16]将液压千斤顶张拉装置安装于被加固梁端部，对CFRP布进行先张拉、后锚固（U型箍或结合钢板压条）的试验，研究锚固区粘结应力的分布规律。在我国，利用CFRP材料加固补强混凝土结构技术的研究起步较晚。1997年国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早开始了“碳纤维材料加固修补混凝土结构试验研究开发与应用”的研究并定为国家“九五”重点科技攻关项目。针对该项目于1997年9月至1998年4月进行了首批CFRP布加固混凝土基本构件的试验研究，并于1998年公开发表了国内第一篇关于CFRP加固梁试验研究的文献[17]。该试验针对同一尺寸的钢筋混凝土梁分别采用不同层数、不同种类的碳纤维布进行了抗弯性能的加固实验。试验结果表明，经碳纤维布加固的钢筋混凝土梁的承载力有明显提高；加固后梁的破坏形态随CFRP加固量而变化；配筋率越低加固效果越好。随后，国内其它一些高校和科研院所也开始了大量试验研究，一些关于应用CFRP材料加固后的柱、梁等构件抗弯、抗剪及抗震性能方面的文章相继发表，给出了相应加固构件的承载力计算方法[18-27]。天津大学博士赵彤等人探讨了CFRP材料加固混凝土结构的机理，研究了CFRP使用量对普通混凝土抗压强度和变形性能的影响，提出了CFRP布约束混凝土应力-应变全曲线方程，可用于碳纤维加固混凝土结构构件的受力分析[28]。陈小兵[29-30]等通过试验研究并结合理论分析，研究了抗剪加固的混凝土梁的一次受力和二次受力构件中两种材料的协同工作性能，并给出了FRP的承载力折减系数建议值为0.7。2001年，东南大学张继文[31]采用数值方法研究了粘贴加固梁，结果显示：部分粘结胶从外粘板端部挤出后在一定程度上能有效减缓应力奇异；在影响粘结界面应力的主要因素中一般情况是胶层越薄，胶层弹性模量越高，粘板端点离支座越远，粘板越厚，粘板弹性模量越高，粘结应力就越大。赵彤[32]、谢剑[33]等人使用FRP材料进行了梁加固试验，通过对不同影响参数和试验梁发生的不同破坏形态的进行研究，得出了计算模型，并提出了简化的计算公式。2003年，侯发亮[34]探讨了粘结加固的基本原理，利用有限元对各种典型加固构件粘结应力的分布、大小及规律进行了分析，论述了CFRP粘结类加固计算方法，并分析和比较了我国及欧、美等国规范中规定的计算方法，还分析了三类纤维增强塑料加固结构的有关试验和结果，得出许多有价值的结论。通过国内外学者的共同努力，高强FRP加固技术取得了令人瞩目的研究成果，但这些成果主要集中于非预应力加固方面，非预应力高强FRP布加固技术本身存在着一定的局限性：（1）材料的强度利用率很低，碳纤维材料优异的力学性能得不到充分发挥，造成较大的浪费：碳纤维材料只有在结构产生进一步变形时才会受力，普通粘贴高强FRP布加固的构件往往在FRP布的应力水平还很低（不到其极限强度的30%）时就会产生影响正常使用的变形或受拉钢筋屈服；（2）属于被动加固方式，不能对结构已有的变形起到纠正；（3）对粘结材料的依赖性大，往往因为粘结材料的破坏引起整个碳纤维加固体系的破坏。2005年叶列平等[35]进行了模拟实际工程情况的大尺寸T型梁（7m）采用预应力CFRP布加固的试验研究，开发了可供实际工程运用的CFRP布预应力张拉设备。试验比较分析了不同CFRP布加固量、预应力度、钢筋配筋率、二次受力因素对加固梁受力性能的影响，在对预应力CFRP布加固效果验证的基础上，对常用CFRP布实际所能施加的初始预应力大小进行了对比试验研究。2006年，xx学院田安国教授研制出新型嵌入式预应力张拉技术，巧妙地解决了纤维布的预应力张拉难题，使预应力FRP技术能够应用于工程实践。2006年至年间，嵌入式预应力张拉技术取得了抗弯、抗剪、动力特性、疲劳特性等研究成果，并在工程加固中投入使用。预应力FRP布技术较好地普通粘贴加固技术存在的应力滞后、不能纠正结构的已有变形、对粘结材料依赖性强等问题，取得了一系列的研究成果，并在部分加固工程中得到应用，具有良好前景。图1.1土木工程加固中常用的碳纤维布图1.2某利用CFRP布加固的结构表1.SEQ表1.\*ARABIC1代表性纤维轴向力学性能参数与钢、铝的比较材料种类比重拉伸强度（MPa）弹性模量（GPa）热胀系数（10-6/℃）延伸率（%）比强度（GPa）比模量（GPa）玻璃纤维E（低导）S（高强）2.553500745.04.81.37292.4949008734M（高模）2.8935001138AR（抗碱）2.7032001.1927碳纤维标准型（T300）1.753500235-0.411.52.00134高强型（T800H）1.815600300-0.561.73.09166高模型（M50J）1.884000485-3213极高模型（P120）2.182200830-1381芳纶纤维Kelvar491.443600125-2.02.52.5087Kelvar1491.452900165-0144HM-501.39310077-1.04.22.2355钢HRB400钢筋7.840020012180.0526高强钢绞线7.81860195123.50.2426铝2.763074223.00.23271.1.2高强FRP布在海洋结构加固中的应用前景海洋气候环境下的钢筋混凝土结构，由于长期暴露而受到氯盐污染的影响，引发的钢筋锈蚀问题比较普遍和突出。因此，关于海洋环境下钢筋混凝土结构的劣化机理、腐蚀防护措施、修复与加固等的研究都具有非常重要的意义。随着时间的推移，大量沿海地区的工程结构均不同程度出现劣化：1988年7月至12月，受交通部水利规划设计院规范管理室委托，由交通部三航局科研所、上海交通大学土建系组织了联合调查和分析课题组，对华东地区的连云港、华东某海军驻地、舟山海洋渔业公司所辖码头做了调查。这次调查发现，华东地区的海港码头因氯离子侵蚀而导致保护层混凝土开裂、剥落现象也比较严重。但对于不同码头、不同构件、不同工作部位，锈蚀损坏程度不同。破坏最严重的是位于浪溅区的码头上部结构中的纵梁，尤以外边梁为主。这类纵梁属于施工质量差、保护层厚度严重不足、使用不当，以连云港老煤码头为例，使用10年时就出现了锈迹、纵裂现象;使用10－15年后，多数纵梁会发生较严重的损坏。调查还发现，一般钢筋混凝土面板、横梁的锈蚀损伤程度比华南地区轻;而下部结构包括桩帽、桩身，基本上没发现因锈蚀引起的损伤。1990年4月，四航局科研所对湛江海军4#码头劣化状况进行了调查，该码头建成于1972年7月。调查发现，锈蚀的主要原因是氯离子侵蚀引起，锈蚀破坏最严重的是码头次梁、引桥π形板肋梁、主梁及U形管沟。码头次梁共228片，其中发生底面角部露筋的共141片，占62%；严重锈蚀损坏的83片，占36%；基本完好的仅4片，占2%。桩及混凝土面板则腐蚀破坏轻微，绝大部分仍保持完好。钢筋横截面平均损失率35%。引桥:形板肋梁2%片，发生剥落露筋的240片，占81%；严重开裂的54片，占18%；仅2片保持完好，占1%。1997年11月至12月，四航局科研所对赤湾港码头使用5年以上的泊位进行了普查。所调查的泊位，使用期基本在10年上下，其中的油码头浪溅区钢筋锈蚀最为严重，桩帽的腐蚀损伤率为84%，横梁、靠船构件损伤率为64%。1998年9月，四航局科研所对湛江港一区南一期工程高桩码头进行了现场调查发现，处于大气区的二形面板、潮差区的桩帽完好无损，腐蚀破坏基本发生在浪溅区，锈迹、锈斑非常多，顺筋胀裂、剥落、露筋比较普遍。2000年8月至9月，广州四航工程技术研究院(原四航局科研所)对惠州港3万吨级油码头进行了调查，该码头建成于1992年。调查发现，腐蚀损伤破坏主要集中在处于浪溅区的π型梁板体系底面，约有86%以上的梁底出现宽度3mm以上的顺筋裂缝，部分顺筋裂缝纵贯梁长，且出现了严重的胀裂现象。总之，大量针对海洋环境下钢筋混凝土结构的调查表明：①氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀，是沿海钢筋混凝土结构劣化的主导因素;②处于浪溅区的结构部位锈蚀劣化最为严重，其次是潮差区，而大气区和水下区则要晚得多;③绝大部分腐蚀损伤表现为顺筋开裂，甚至保护层剥落，导致钢筋腐蚀加速。④腐蚀劣化现象在梁、板、柱等构件类型里都普遍存在，而且开裂或剥落区域占整个结构表面积的比重也非常大，具有腐蚀劣化的严重性和普遍性。当前，高强纤维复合材料（FRP）加固技术已经在大量工程结构加固中得到应用，积累了丰富的实践经验。其物理力学性能优秀、化学性能稳定、耐腐蚀、施工速度快，这些优良的性能决定了它们同样能够应用于海洋环境下的结构加固。为此，加强高强FRP材料在海洋结构加固中的应用研究具在重要的现实意义。1.2研究目的本文拟在已经取得的嵌入式预应力纤维布加固技术的各项研究成果的基础上，针对工程实践中暴露出来的需要改进的问题进行研究。（1）普通工程结构加固中用到的各种纤维布(FRP)材料的幅宽均较大(>150mm)，纤维布幅宽太大直接导致普通粘贴加固时施工难度大；（2）幅宽较大的纤维布应用于预应力加固技术时由于施工操作不当极易出现纤维布内部应力分布不均匀的现象，从而导致部分应力水平过高的丝束过早达到极限强度而破坏，进而导致其余丝束应力突增而出现“各个击破”的逐丝破坏现象，使被加固构件达不到设计承载力；（3）加固施工质量随着FRP材料幅宽的增大而降低，构件破坏时延性特征不明显，破坏无明显征兆；（4）海洋结构加固时FRP材料受到海浪的拍打、海水中氯盐的侵蚀，会对其耐久性产生较大影响，如何使加固材料尽可能地少受到海水的影响，保证加固效果也需要进行重点研究。1.3研究内容本课题拟研究的基本内容如下：通过试验研究确定适用于预应力FRP布加固技术的最佳幅宽范围；研究窄幅预应力FRP布的预应力张拉工艺；研究一根加固构件上同时存在不同应力水平的窄幅预应力FRP布对构件延性性能的影响；窄幅预应力FRP布与普通非预应力FRP布混杂加固对构件受弯性能的影响；窄幅预应力FRP布与普通预应力FRP布加固效率的对比；

2嵌入式预应力FRP布加固海洋结构理论分析2.1嵌入式预应力张拉技术原理嵌入式预应力技术利用螺栓和锚固钢板将纤维布锚固于被加固构件两端(图1)，然后在纤维布上涂上环氧结构胶，以被加固构件本身为张拉台座，利用张拉夹具对纤维布进行张拉[3]，实现预应力的施加。预应力张拉完毕后纤维布能自然贴紧在构件表面，此时在张拉夹具内侧安装二次锚固钢板，待结构胶固化形成强度后将原锚固钢板及张拉夹具拆除循环利用（图2）。此过程可简要归纳为“锚固”－“张拉”－“二次锚固”－“夹具拆除”四个程序。图2.1纤维布的锚固图2.2纤维布张拉后2.2窄幅预应力FRP带加固海洋钢筋混凝土梁理论分析2.2.1FRP材料在海洋结构加固中的适用性海洋钢筋混凝土结构损伤机理海洋钢筋混凝土结构或近海钢筋混凝土结构在长期荷载或超载作用下，结构表面会产生细微裂缝。随着裂缝的产生和发展，近海或海洋环境中富含的含盐水汽会进入到结构内部，腐蚀结构中的钢筋。钢筋锈蚀后体积膨胀，膨胀应力导致混凝土胀裂、崩落，从而结构内部更加暴露于含盐水汽中，进一步加速结构的劣化。预应力FRP布加固海洋钢筋混凝土结构特点高强纤维复合材料（FiberReinforcedPlastic）采用高强纤维织物与环氧树脂塑料形成复合材，具有粘贴方便、轻质高强、不增加结构自重、不影响结构外观的特点，其工作应力能达到2500MPa甚至更高，非常适用于钢筋混凝土结构的加固。裂缝的存在加速对海洋钢筋混凝土的损伤和劣化具有非常关键的作用，可以说，控制了裂缝，就在很大程度上控制了海洋钢筋混凝土结构的劣化。高强纤维复合材料是将高强纤维织物粘贴于被加固结构表面，复合材料能够对结构表面起到非常好的覆盖，加固后能够有效阻止水汽向结构内部的侵入。在加固过程中对FRP材料施加合适的预应力，能够起到闭合裂缝、恢复结构变形的作用，加固中配合灌缝胶对裂缝进行修补，能起到非常好的修复效果。以高强碳纤维复合材料为代表的纤维复合材料化学性质稳定、耐候性好，受环境影响小，对加固后的结构能起到很好的保护层作用，因此在含盐量大的环境中非常适用。2.2.2FRP材料加固钢筋混凝土梁理论分析基本假定为分析和计算方便，作如下假定：1）被加固结构钢筋应力已达屈服应力；2）不考虑混凝土裂缝及结构劣化对结构刚度的影响；3）不考虑结构变形的影响；4）不考虑混凝土的抗拉强度；5）截面应变保持平面（平截面假定）；6）不考虑梁上部筋的影响。计算参数被加固钢筋混凝土梁宽度为b，高为h（图2.3），受拉钢筋截面面积为As，混凝土抗压强度为fc，钢筋抗拉强度为fy，FRP材料抗拉强度为fp，FRP材料截面面积为Ap，在FRP材料中施加的有效预应力为σ0。图2.3单筋梁加固截面示意图基本计算公式单筋梁加固正截面受弯承载力计算简图如图2.4所示：图2.4单筋梁加固计算简图1）预应力FRP加固梁使用阶段开裂荷载计算加载至截面下边缘混凝土应力为零时，构件所承受的弯矩按下式计算：（式2.1）式中W——梁截面对受拉边缘的弹性抵抗矩；σc——混凝土下边缘有效预压应力。加载至梁截面下边缘混凝土即将开裂时，构件上承受的弯矩为：（式2.2）式中，，γm为混凝土受弯构件截面抵抗矩塑性影响系数基本值。2）梁正截面极限承载力加固梁出现正截面破坏时，FRP材料达到极限应力，梁内钢筋屈服，由力的平衡条件可得：（式2.3）（式2.4）构件所能承受的弯矩为：

（式2.5）式中：M——弯矩设计值；fc——混凝土轴心抗压强度设计值；fy——钢筋抗拉强度设计值；As——纵向受拉钢筋截面面积；fp——FRP材料抗拉强度设计值；Ap——FRP材料截面面积；b——钢筋混凝土梁截面宽度；x——等效矩形应力图换算受压区高度；h0——截面有效高度；α1——混凝土受压区等效矩形应力系数，混凝土强度等级小于等于C50时取1.0，混凝土强度等级大于等于C80时取0.94，中间值按差值法取用或按《混凝土结构设计规范》取用；2.3窄幅预应力FRP带基材张拉控制应力的研究2.3.1张拉控制应力确定的一般原则张拉控制应力的取值直接关系到预应力混凝土构件的使用效果。一方面，为了使材料的抗拉强度得到充分利用，提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度，同时考虑预应力损失，张拉控制应力的取值不宜太低；另一方面，如果张拉控制应力的取值太高，则构件一旦出现裂缝很快就会产生破坏，破坏特征呈脆性性质，为了保证预应力混凝土构件在破坏时具有足够的延性和变形性能，张拉控制应力的取值也不能太高。现行《混凝土结构设计规范》规定了预应力钢筋的张拉控制应力值σcon不宜小于0.4ftpk；对消除应力钢丝、钢绞线，σcon不宜大于0.75ftpk，对热处理钢筋，先张法不宜大于0.70ftpk，后张法不宜大于0.65ftpk。此原则对FRP材料同样具有参考价值。2.3.2FRP基材的受力特点及张拉控制应力初步确定FRP带基材张拉控制应力上限值的初步确定组成FRP材料的高强纤维布是利用高强度的纤维丝编织而成，单根纤维丝直径很小，能承受的拉力十分有限，纤维布工作时是依靠全部的细小纤维丝的协同受力的来提供抗拉力的。由于纤维布材料本身编织的误差再加上施工的安装误差，纤维布在工作时不可避免地会出现受力不均现象，从而导致工作时受力最大的纤维丝先达到极限强度发生断裂，然后其余的纤维丝陆续断裂，最终使整个高强纤维布产生破坏。同时，采用嵌入式张拉技术对高强纤维布进行张拉时纤维布自身会发生弯折，由于碳纤维布本身的抗弯折和抗剪强度低，当应力水平太高时容易在弯折处发生丝束破坏最终导致整个材料破坏。再者，高强纤维材料本身接近理想的线弹性材料，没有明显的流幅，当拉应力超过其极限强度时会发生突然断裂。考虑到上述不利因素，结合张拉控制应力确定的一般原则，可初步确定高强FRP基材的张拉控制应力值不应大于热处理钢筋后张法的张拉控制应力上限值，即0.65ftpk。FRP带基材张拉控制应力下限值的初步确定嵌入式张拉技术属于后张法，采用在纤维布上粘贴电阻应变计的方式确定张拉过程中碳纤维布中的应力。该测量方式是直接对应于高强纤维布本身的拉伸应变，测得的应力值较准确，故预应力损失的计算内容与普通的后张法通过测量张拉千斤顶拉力的计算内容不同：1）由于锚具滑移和预应力材料内缩引起的预应力损失σl1张拉过程中锚固端有可能产生滑移，故应考虑σl1的影响。2）预应力材料与孔道壁之间的磨擦引起的预应力损失σl2采用嵌入式张拉技术张拉过程中，FRP材料本身并不与构件表面接触，不存在磨擦，故σl2＝0。3）后张法σl3＝0。4）材料松驰引起的预应力损失σl4经试验研究，高强纤维材料在应力不超过0.4ftpk时，其应力松驰很小，可基本忽略不计。5）混凝土收缩、徐变引起的预应力损失σl5由于FRP带主要用于工程加固，待加固工程往往混凝土龄期较长且带荷载工作，收缩、徐变已基本完成，故可基本不考虑。由此可见，采用FRP带嵌入式张拉技术时产生的预应力损失将会远远小于普通后张预应力法。因此，FRP基材的张拉控制应力下限值可较预应力钢筋的张拉控制应力下限值适当降低。2.3.3FRP基材张拉控制应力的试验研究初次张拉试验为进一步验证FRP基材的张拉控制应力限值，选取高强碳纤维布为基材，对高强碳纤维布进行了张拉试验。试验采用三根150×250×2800的梁作为张拉台座，选用碳纤维布实测抗拉强度为3521.3MPa，弹性模量为2.4×105MPa，厚度为0.110mm，利用电阻应变计测量碳纤维布的张拉应变（图2.5）。试验时按照嵌入式张拉方法，先将碳纤维布在梁两端用钢板和环氧树脂进行锚固，待环氧树脂完全固化后收紧张拉夹具螺栓进行张垃。图2.5试验安装示意图试验结果如下：1）试验过程中锚固端和张拉夹具工作情况良好，未发生锚固滑移或其他形式的锚固破坏，也未明显发现碳纤维布在张拉夹具处发生破坏。2）碳纤维布拉应变达到4600με时，碳纤维丝开始出现断裂，断裂时发出噼啪声，电阻应变仪显示碳纤维布应力下降，进而更多的丝束发生断裂，碳纤维布破坏。3）尽管通过各种方法提高安装精度和改善张拉夹具处碳纤维布的受力状态，但始终不能得到较高的张拉应力。碳纤维布均是在被张拉到4600με左右时发生破坏，其破坏时的拉应力约为1100MPa，还不到其极限强度的1/3。通过对试验现象的研究分析得出以下结论：1）由于碳纤维布材料的特殊构造，单纯通过提高试验安装精度来使碳纤维布实现完全均衡受力的方法是不切实际的，试验安装过程中的误差是不可避免的，这种安装误差将会使部分碳纤维丝束在张拉时产生过高的拉应力而过早地破坏，进而导致逐丝破坏，从而被各个击破。2）碳纤维布在约1100MPa的拉应力下发生破坏并不是碳纤维材料本身的质量原因，而是试验方法的问题。嵌入式张拉时为了确保碳纤维布不在张拉端因弯折发生破坏，张拉时整段碳纤维布并未用结构胶浸渍。而碳纤维布力学参数的出厂检测报告上的数据是以结构胶浸渍过的碳纤维布测得的。研究表明：经结构胶浸渍过的碳纤维布由于浸渍胶的作用使得各纤维丝之间受力均衡，其与未经结构胶浸渍的碳纤维布的抗拉极限强度相差3倍。故可认为，试验中未经结构胶浸渍碳纤维布最高只能张拉到1100MPa的应力水平，要想碳纤维布的应力水平进一步提高，必须对碳纤维布进行结构胶浸渍，提高碳纤维丝束的受力均衡性。3）为防止结构胶浸渍后的碳纤维布过硬过脆而在张拉夹具处发生过早的弯折破坏，浸渍结构胶的用量不宜太多，且应保证结构胶固化后具有足够的弯折和变形性能。改进后的张拉试验对锚固后的碳纤维布进行结构胶浸渍后再张拉，浸渍时为了保证碳纤维布的柔性，对结构胶进行了增塑和稀释处理。浸渍胶配比为：环氧树脂∶固化剂∶丙酮∶邻苯二甲酸二丁酯＝10∶7∶5∶2；15℃时结构胶固化24小时，约达到其强度的50%，兼顾了强度和柔韧性的要求。通过对浸渍结构胶的碳纤维布进行张拉试验，得到如下结果：1）试验过程中锚固端和张拉夹具工作情况良好。2）张拉应变达到6000με，此时碳纤维布中的拉应力为1440MPa，约为其极限强度的41%，碳纤维布仍然工作正常，未发生明显断丝断束现象。3）夹具的张拉能力得到充分发挥，碳纤维布紧贴梁底面，夹具行程已满，已无张拉空间。由以上试验可以发现：使用结构胶浸渍过的碳纤维布在张拉到0.41ftpk时，纤维丝之间的受力能够保持均衡，若增加夹具数量，仍具备一定的张拉空间。2.3.4FRP基材强拉控制应力研究结论由前面的分析和试验可知：采用嵌入式张拉技术时由于预应力损失小，碳纤维材料强度高，张拉控制应力下限值可略低于普通预应力钢筋的张拉控制应力下限值。同时，碳纤维布在未使用结构胶浸渍时，只能被张拉到约0.31ftpk，使用结构胶浸渍时，可张拉到0.41ftpk。研究表明：碳纤维布初始应变不大于6500με时（约0.44ftpk），可基本保证被加固构件的延性。为确保碳纤维布工作的可靠性和耐久性，同时保证结构破坏时的延性，其张拉控制应力宜留有余地，将碳纤维布张拉控制应力上限值定为0.4ftpk是比较合理的。同时，为了保证结构的抗裂度和材料的充分利用，可将碳纤维布张拉控制应力下限值定为0.3ftpk，也能够满足预应力碳纤维布加固工程的实际需要。2.4本章小结本章从力学及材料的角度对窄幅预应力FRP材料在海洋结构加固中的适用性及应用前景进行了分析，在材料力学的基础上对预应力加固进行了理论推导，同时结合FRP材料的特点，对FRP基材的张拉控制应力进行理论分析和试验研究，得到如下成果：窄幅FRP材料化学稳定性好，粘贴于结构表面能在结构表面形成保护层，隔绝含盐水汽对结构内部的侵蚀，非常适用于海洋钢筋混凝土结构的加固；施加预应力的FRP材料能够起到闭合裂缝、恢复结构刚度的作用，适用于海洋钢筋混凝土结构的修复；FRP材料加固钢筋混凝土梁的正截面承载能力可按公式2.5进行计算；FRP基材的张拉控制应力范围在0.3ftpk到0.4ftpk，既能保证材料强度的充分利用，又能保证张拉施工的顺利进行和结构的安全储备。3嵌入式预应力FRP布加固钢筋混凝土梁试验研究3.1试验目的采用试验研究验证上一章关于窄幅预应力CFRP带加固钢筋混凝土梁的相关理论分析。主要试验目的如下：通过试验检验关于多条窄幅CFRP带加固钢筋混凝土梁的合理性；与采用宽幅单条CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验结果进行对比，检验加固效果；测量试验过程中的各种结构反映，完善加固工艺；3.2试验准备3.2.1试件设计本次试验研究采取的思路为模拟普通的适筋梁超过承载力极限状态发生正截面破坏后采用预应力高强FRP布加固，通过试验对加固后梁的正截面承载力进行分析，评估加固效果。故根据初步估算，考虑混凝土梁的构造要求、施工工艺要求及实验室具体情况，设计梁的截面尺寸及钢筋配置情况如下：混凝土强度等级C30，主筋2B14,架立筋2A8,箍筋为A8@200,梁净长为2800mm，b×h=150mm×250mm,保护层厚度为25mm。其截面尺寸及配筋见图3.1:图3.1梁截面尺寸及配筋图试件在实验室制作完成，为保证试验数据的准确性和可对比性，绑扎钢筋笼时要求所有的钢筋位置必须对应；支设模板时为便于试验时CFRP布的安装及混凝土表面应变测点的布置，要求模板应平整光滑，尺寸准确；混凝土采用商品混凝土，在构件厂生产车间一次浇筑完成，正常环境下洒水养护，七天后拆模，继续养护28天后达到试验要求的强度。3.2.2材料力学性能1）混凝土浇筑试验构件时选取同批次混凝土制作标准混凝土立方体试块（150mm×150mm×150mm），在同条件下进行养护。按照我国国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》（DBJ81－85）规定的标准试验方法在xx学院材料测定室对混凝土抗压强度进行了测试（图3.2），具体结果见表3.1。表3.1混凝土力学性能指标试块编号123456破坏荷载（kN）12151120975126013001260立方体抗压强度(MPa)54.049.843.356.057.856.0立方体抗压强度推定值52.8MPa根据计算结果可算得实测混凝土的轴心抗压强度为：根据混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度之间的关系得到实测混凝土的轴心抗拉强度为：＝2.71MPa2）钢筋试验梁浇筑前按国家相关规范要求预留钢筋试件，在WDW300型电子万能试验机上进行钢筋拉伸试验（图3.3），其结果见表3.2：表3.2钢筋力学性能指标试件编号HRB335HRB235123123屈服强度(MPa)348.7352.4349238.3242.6239.2极限强度(MPa)510.6512.3510.3289.0290.4290.5推定值(MPa)350240图3.2混凝土抗压强度试验图3.3钢筋拉伸试验3）碳纤维布对受弯构件进行正截面加固在一般情况下都是单向加固，故试验用碳纤维布（图3.4）也应选用单向碳纤维布。为保证试验效果，选用300K碳纤维布为南京曼卡特公司生产，幅宽150mm，计算厚度0.167mm，原材料采用进口日本东丽公司生产的高强碳纤维丝，编织生产在国内完成。厂商提供的由国家建筑材料测试中心出具的检验报告显示材料符合GB50367－2006中碳纤维复合材料安全性能指标（单向织物高强度I级）的要求。（表3.3）图3.4碳纤维布图3.5浸渍胶图3.6底胶表3.3碳纤维布力学参数序号检验项目单向织物（布）高强I级检验值单项判定1抗拉强度标准值≥3400MPa3830MPa合格2受拉弹性模量2.4×105MPa2.41×105MPa合格3伸长率≥1.7%1.70%合格4）结构胶结构胶（底胶、浸渍胶）是决定碳纤维复合材料工作性能的重要因素之一，为保证加固试验的效果及与实际工作的可比性，结构胶应选用我国工程结构加固市场上常用的碳纤维加固用胶。这里选用的是由南京曼卡特公司生产的碳纤维加固用底胶和浸渍胶（图3.5，图3.6），国家化学建筑材料测试中心出具的检验报告显示，材料符合《混凝土结构加固设计规范》GB50367－2006中A级胶的技术要求。5）CFRP布力学性能的实验室测定由于国家建筑材料测试中心出具的针对碳纤维布的检验报告采用的浸渍胶使用的是韩日浸渍胶，而实际试验所用的浸渍胶为南京曼卡特公司生产的浸渍胶，为保证CFRP布强度数据的准确性，研究人员依据国家推荐标准《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T1447－2005）对使用国产浸渍胶的CFRP布进行了试验。试验在xx学院工程结构测试中心完成，使用仪器设备为WD－300型电子万能材料试验机，其试验结果见表3.4。表3.4CFRP布拉伸试验结果试样编号123抗拉强度值(MPa)380238133787抗拉强度推定值3800MPa3.2.3试验设备1）WDW－300型微机控制电子万能材料试验机WDW－300型微机控制电子万能材料试验机（图3.7）由长春科新试验仪器有限公司生产，主要用于金属，非金属材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验。配备相应的附件还可以进行剪切、剥离、撕裂等试验及各种不同环境下的试验。试验机所配置的GTC350型全数字测量控制器能与计算机有机地配合，实现试验力、变形、位移闭环控制，按GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T7314《金属材料室温压缩方法》自动控制或切换试验过程中的匀应力速率、匀应变速率、匀试验速度，也可以做到全过程的匀应变速率控制。其主要技术指标为：最大试验力30kN，试验力分辨力1/300000（全程分辨力不变化）；加载速度0.0025－250（无级调速）；示值相对误差±0.5%；位移分辨力0.001mm，示值相对误差±0.5%。WDW－300型微机控制电子万能材料试验机性能稳定，配合不同的夹头，适用于多种材料的拉伸、弯曲、剪切等试验。本次试验主要利用该设备进行钢筋和CFRP布的力学性能试验。图3.7微机控制电子万能材料试验机图3.8压力试验机2）TS3866静态应变数据采集仪TS3866静态应变数据采集仪（图3.9）由扬州泰司电子有限公司生产，采用分布式构成，每台采集控制单元可控制10台应变测量模块，每个模块10个测点，采样速率50测点/秒；最大系统配置达2000点，由20台仪器并行采集，在1秒种内完成；可与应变计、应变式传感器直接连接；同时监视50点测量值，每个通道系数、桥路形式均可设置，可以方便地与计算机进行通讯实现数据的存储和处理。其主要技术指标如下：测量点数：每个应变模块10测点，采集控制单元与采集控制单元相互接连可扩展至2000点；桥路形式：1/4桥、半桥、全桥；桥路电阻：120Ω、240Ω、350Ω；测量范围：0～±20000με；分辨率：±1με；准确度：±0.5%±3με；稳定性：零点漂移不大于±4με/4h、读数值变化不大于±0.3%±3με/4h、温度变化影响：不大于±1με/℃。本次试验利用TS3866静态应变数据采集仪进行钢筋和混凝土和CFRP布的应变测量，结合电阻应变式位移传感器进行试件位移、试件挠度的测量，结合荷载传感器进行荷载的控制。3）智能裂缝测宽仪裂缝测宽仪（图3.10）是其由嵌入式电脑、数字信号连接电缆、测头三部分组成。通过放大镜将裂缝图像放大成像在CCD/COMS器件上，CCD/COMS对图像进行分析量化后，通过USB接口由数字信号连接电缆传输至掌上电脑，掌上电脑接收到图像信号后进行图像智能分析及处理，自动标示裂缝宽度情况，检测范围：0-3mm；检测精度：0.02mm；图3.9TS3866静态应变数据采集仪图3.10智能裂缝测宽仪4）其它设备试验中还用到的其他试验设备包括ND2000型压力试验机（图3.8），主要用于混凝土立方体抗压强度的测定；位移传感器用于试件位移和挠度的测量；荷载传感器用于荷载的测量和控制；其它工具和设备还包括磨光机、螺旋千斤顶、钢支墩、反力架、磁性表座等。3.2.4测点布置根据试验目的的要求，布设如下测点（图3.12）：1）梁跨中正截面应变测点：在梁的两侧对称布置，每侧五个测点，从上到下均匀分布；2）纵筋应变测点：每根纵筋设一个；3）CFRP布应变测点，每幅CRFP布布设一道；4）梁跨中和支座处布置位移测点；5）裂缝观测，裂缝出现后，选取代表性裂缝进行观测。3.2.5试验控制荷载的估算为准确控制试验荷载，检验理论公式推导的正确性，试验开始前应对试验荷载进行估算，依据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2010），根据实测钢筋、混凝土及CFRP材料的强度，对试验荷载进行估算如下：确定初步计算简图：根据试验要求，确定计算简图（图3.11）：以不采取任何加固措施的钢筋混凝土简支梁为基准梁，由于梁的自重相对试验荷载很小，故此处不考虑加载时梁的自重影响，依其参数进行正截面极限荷载估算。主要计算参数如下：1）基准梁试验荷载估算：计算跨度L0=2400mm，加载点距支座的距离a=800mm，梁高h=250mm，梁有效高度h0=250-25-7-8=210mm，梁宽b=150mm，混凝土强度fc=fc测＝34.2MPa,纵向钢筋强度fy=fy测=350MPa,实测混凝土强度等级fc=52.8MPa。实测混凝土强度等级＞C50，取α1=0.994，根据受力平衡，有：(式3.1）式中：α1——受压区等效矩形应力图形系数；x——换算受压区高度；代入各项数据，解得x=22.5mm；根据弯矩平衡，有：(式3.2）解得则极限荷载P=Mu/a=26.78kN。斜截面承载力估算：取ft=ft测＝2.71MPa，fyv=240MPa，Asv=100.6mm2，由集中荷载作用下矩形截面梁斜截面承载力计算公式：(式3.3）得Vu=63.69kN基准梁正截面承载力远小于斜截面承载力，梁将发生正截面破坏，满足试验要求。开裂荷载估算：查《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）得矩形截面抵抗矩塑性影响系数，所以钢筋混凝土梁开裂弯矩为：式中为受拉边缘截面抵抗矩。则开裂荷载为：图3.11试验梁计算简图2）150mm宽FRP加固梁（KJG-1、ZJG-1、ZJG-2）试验荷载计算：取FRP材料极限强度fp=3800MPa，其余参数同基准梁，根据受力平衡，有：(式3.4）式中：α1——受压区等效矩形应力图形系数；x——换算受压区高度；Ap——FRP材料截面面积；代入各项数据，解得x=39.8mm；根据弯矩平衡，有：(式3.5）式中：h0——FRP材料与梁内钢筋合力点至梁上表面的距离；(式3.6）式中：dv——箍筋直径；d——梁下部纵向受力钢筋直径；代入各项数据，解得则极限荷载P=Mu/a=53kN。梁斜截面承载力与基准梁相同，由于梁正截面承载力小于斜截面承载力，加固梁将发生正截面破坏，满足试验要求。开裂荷载估算：预应力FRP加固梁开裂弯矩应按第2章式2.2进行计算查《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）得矩形截面抵抗矩塑性影响系数，由材料力学可知：截面上下边缘的混凝土应力分别为：所以钢筋混凝土梁开裂弯矩为：式中W为受拉边缘截面抵抗矩。代入各项数据，得Mcr=8.3kNm则开裂荷载为：3.2.6CFRP布的安装1）试件表面的处理在安装CFRP布前应对试件表面进行处理：用砂轮将试件表面的浮浆、杂物和小凸起磨平，除净表面浮灰，用沾丙酮的脱脂棉将试件表面擦净，然后按2:1比例调配好碳纤维加固底胶并均匀涂抹在构件表面，用抹刀找平。2）CFRP布的锚固待底胶完全固化后即可进行碳纤维布的锚固，锚固时将碳纤维布对位准确，拧紧锚固螺栓即可（图3.12）。图3.12碳纤维布的锚固图3.13预应力张拉3）CFRP布的张拉锚固端结构胶完全固化后即可进行碳纤维布的预应力张拉。张拉前先在CFRP布与试验对象之间涂刷碳纤维浸渍胶，随着张拉过程的进行，CFRP布将会逐渐贴紧构件表面，碳纤维浸渍胶则会将CFRP布粘紧于试件表面，张拉过程中对涂胶不到位的地方应及时补涂。张拉预应力通过拧紧张拉夹具的螺栓实现，预应力的大小通过粘贴在CFRP布上的电阻应变计测量（图3.13）。预应力张拉工作结束后，待浸渍胶固化，即完成了预应力CFRP布的加固工作，经加固处理后的试件见图3.14。图3.14预应力加固后的试件图3.15加载试验3.3加载试验3.3.1加载制度及试件安装1）试件就位形式为了便于试验过程中CFRP布的安装和张拉，同时更好地观察CFRP布与构件表层的剥离、试验过程中的开裂和其他破坏现象，试件安装反位试验形式，即将梁倒过来安装，梁底朝上，千斤顶由下往上加载。由于试件自重相对试验荷载很小，试验过程中忽略构件自重的影响，见图3.16。图3.16测点布置及试验安装示意图2）加载制度为了使试验过程更加具有对比性和说服力，所有试验构件的加载程序、每级荷载大小均应与基准梁相同。每次试验加载过程分为预载和正式加载两个阶段。（1）为了使试验构件与加载装置各部分接触良好，进入正常工作状态，使荷载与变形关系相对稳定，消除可能在正式加载中产生的随机误差，同时检查试验加载、测试仪器和试验人员的工作情况，正式加载前应进行预加载。预载分三级进行，每级荷载取不超过开裂荷载的20%，根据第3.2.5节对梁开裂荷载的估算，取2kN/级较合适，预载结束后分两级卸载到零。（2）正式加载开裂荷载前按4kN/级进行加载，试件开裂后取10kN/级进行加载，试验加载至计算破坏荷载的90%以后，取5kN/级进行加载直至构件破坏。荷载持续时间为不少于15min/级。3.3.3加载试验影响混凝土简支梁正截面承载力的主要因素有混凝土强度等级、纵筋配筋率、预应力CFRP用量等，为正确评定加固效果，采用一根普通钢筋混凝土梁（FJGL）作为基准梁，普通幅宽预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁2根，窄幅预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁3根进行试验对比。试验构件概况见表3.5：表3.5试验构件概况一览表构件编号b×h×l(m3)主筋箍筋加固情况预应力(MPa)备注FJGL150×250×24002B14A8@200未加固0KJG-1150×250×24002B14A8@200普通幅宽加固800150幅宽ZJG-1150×250×24002B14A8@200窄幅加固800*3150/3幅宽ZJG-2150×250×24002B14A8@200窄幅加固800*3150/3幅宽ZJG-3150×250×24002B14A8@200窄幅加固750*2+900150/3幅宽ZJG-4150×250×24002B14A8@200窄幅加固0+1200+0150/3幅宽3.4试验结果3.4.1开裂荷载和极限荷载试验实测开裂荷载和极限荷载和破坏类型见表3.4:表3.6实测开裂荷载和破坏荷载构件编号加固情况预应力（MPa）开裂荷载（kN）破坏荷载（kN）破坏现象备注FJGL未加固08.7529.6适筋梁破坏KJG-180011.0442.6剥离ZJG-1窄幅加固800*311.5458.2FRP断裂幅宽相等ZJG-2窄幅加固800*311.0858.9FRP断裂幅宽相等ZJG-3窄幅加固750+900+75011.2346.8FRP断裂幅宽相等ZJG-4窄幅加固0+1200+09.6650.6FRP断裂60+30+60试验梁荷载位移曲线见图3.17~3.22:图3.17FJG-1荷载位移曲线图3.18KJG-1荷载位移曲线图3.19ZJG-1荷载位移曲线图3.20ZJG-2荷载位移曲线图3.21ZJG-3荷载位移曲线图3.22ZJG-4荷载位移曲线3.4.2破坏现象1）未采取任何加固措施处理的梁（FJGL）的破坏类型为典型的适筋梁破坏形态，其破坏特征为：加载至开裂荷载后，首先在梁的纯弯段出现一条细微直裂缝，随着试验加载的进行纯弯段直裂缝不断开展，钢筋应变随之增加。进一步施加荷载后，钢筋应变继续增加，纯弯段开始出现多条裂缝并向上延伸，最终裂缝延伸至梁受压区，混凝土压碎后梁破坏。2）梁底采用150幅宽预应力CFRP加固处理的梁（KJG-1）的破坏形态为CFRP布的剥离（图3.18），其破坏特征为：加载至开裂荷载后，在梁的纯弯段产生垂直裂缝，随着加载的进行，裂缝数量不断增加，长度不断延伸，弯剪区段也出现斜裂缝。梁底不断增加的裂缝导致CFRP布粘胶层的不断分化开裂，最终CFRP布出现剥离，剥离后由于端部锚固仍然存在，梁仍能继续承载，但此时挠度过大，已达到混凝土构件破坏标准。根据对破坏现象的调查，发现出现这种破坏现象的原因是由于CFRP安装时胶层分布不均，部分部位出现较严重的空鼓现象，正是由于粘胶层施工质量不满足要求才导致了CFRP的过早剥离。该梁的破坏现象说明了普通CFRP加固方式对粘胶层的极度依赖，实际工程中采用普通粘贴CFRP布方式加固，若粘胶层施工质量不达标，则很可能出现加固失效现象。采用端部有锚固的预应力CFRP布加固，由于端部锚固的存在，尽管梁出现CFRP布剥离破坏后仍能继续承载，但CFRP布一旦出现逐丝破坏各个击破，梁仍有出现脆性断裂的可能性。3）采用50mm×3窄幅预应力FRP带加固的梁（ZJG-1，ZJG-2），其裂缝产生和发展过程与KLG-1基本相同。随着荷载的进一步增加，梁上裂缝不断开展，最终出现CFRP布断裂。但此时的破坏荷载比KJG-1大。ZJG-1、ZJG-2梁采用的CFRP布面积与KJG梁完全一样，预应力水平也完全相同。但最终的破坏荷载却是采用的窄幅预应力CFR材料加固的梁破坏荷载高。原因分析：在对三根不同梁破坏现象进行研究分析发现，采用普通幅宽预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁，由于碳纤维布幅宽太大，锚固时不容易将碳纤维布安装平整，导致张拉时碳纤维丝束松紧程度不一，丝束之间应力不均匀现象较严重。同时，在纤维布与钢筋混凝土梁粘贴过程中，由于纤维布的幅宽太大，导致环氧结构胶有容易均匀地涂抹在纤维布与钢筋混凝土梁表面之间，胶层易出现空鼓。不均匀的胶层不能很好地起到对碳纤维丝束的保护作用，导致纤维丝束出现较严重的应力集中现象，且空鼓的胶层更容易脱落。因此KJG梁较早地发生了加固材料的剥离。采用50mm×3应力水平相同的窄幅预应力FRP布加固的梁（ZJG-1，ZJG-2）由于碳纤维布幅宽较窄，锚固时能够较方便地将其安装平整，因此各纤维丝束之间的应力比较均匀。有对纤维布进行粘贴时，环氧结构胶能够较好地从两侧涂抹进纤维布与梁表面之间，胶层分布更加均匀，有效避免了空鼓现象的产生。故直到最后破坏，也未出现纤维布剥离更象，试验过程最终以窄幅宽的纤维布断裂而告终。4）采用混合预应力水平加固的梁（ZJG-3），三根窄幅预应力CFRP布应力水平为750Ma×2+900MPa，其实测开裂荷载与ZJG-1和ZJG-2基本相同，破坏荷载比ZJG-1和ZJG-2均小。原因在于在加载过程中，张拉控制应力为900MPa的CFRP带首先达到极限强度而破坏，该CFRP带破坏后，原先由其承担的应力被分摊到剩余两根CFRP带，导致其应力迅速上升达到极限应力而破坏。因此，该梁破坏时CFRP带的应力应以高应力水平的CFRP带达到极限强度时的荷载为准。5）在（ZJG-3）的基础上，为实现CFRP带有层次的破坏，即出现破坏前有明显征兆，梁底采用三根CFRP带加固，其幅宽分别为60mm、30mm和60mm。其中幅宽为60mm的CFRP材料不施加预应力，对30mm幅宽的CFRP材料施加1200MPa的预应力（ZJG-4）。加载后发现，ZJG-4梁的开裂荷载比基准梁有所提高，但低于ZJG-1、ZZJG-2及ZJG-3，原因是该梁在混凝土受压区存在的预压力小于ZJG-1、ZZJG-2及ZJG-3，加载到较大荷载(P0)后，中间30mm宽的CFRP材料突然断裂，但此时梁仍能继续承载，继续加载后发现，最终余下的两根CFRP带断裂，构件破坏。此时的破坏荷载(P1)大于第一根CFRP带断裂时的荷载。由于合理地调整了预应力在三根窄幅CFRP材料中的分布，ZJG-4梁实现了有征兆的破坏，第一根CFRP带断裂后构件并不是丧失承载能力，而可以继续承载，且最终的破坏荷载P1>P0。3.5本章小结本章在理论分析的基础上进行了试验研究。研究时重点突出了窄幅宽加固效果与普通幅宽加固效果的对比，并且在实现构件有征兆破坏方面进行了探索，取得的研究成果如下：窄幅加固与普通幅宽加固相比，结构胶分布更加均匀，出现空鼓的机率更小，能更好地保证粘结质量，因而可靠性较高；窄幅加固在设计前应准确计算CFRP材料的预应力分布，防止出现其中一根CFRP带断裂后导致其余加固材料随之断裂的脆性破坏；合理调整了预应力在多根窄幅CFRP材料中的分布及CFRP布的幅宽，能实现加固构件有征兆破坏，保证构件的延性。

4窄幅宽纤维布实桥加固工程实例4.1工程概况连云港市黑林东桥建于2000年，位于S220线赣榆县境内，该桥与河流正交，桥梁全长82.2m，桥跨组合为13m+16m+16m+16m+13m，横向布置为：0.5m+11m+0.5m，主桥上部承重构件采用钢筋混凝土预制板梁形式，下部结构采用重力式U型桥台，柱式桥墩。桥梁施工方法为预制安装，设计荷载为汽-20级，挂-100级。4.1.1桥梁损伤调查外观检查检测桥梁现状整体外观表象为桥面铺装不平整，存在坑槽、开裂、车辙、松散等现象；个别护栏损坏；伸缩缝有堵塞，但无破损、脱落等；桥面横坡、纵坡顺适、排水效果良好；主梁结构表面较光滑，无蜂窝、麻面、削落、露筋现象，但主梁板底有多条横向贯穿裂缝，宽度较大，最大宽度0.24mm。荷载试验检测结果1)经实际检测，桥面板、盖梁、桥墩混凝土强度均能满足设计要求；2)桥跨结构在总重310kN的单车、双车试验荷载作用下，各点的挠度、应变实测值基本与计算值接近，个别甚至略超出计算值，且存在较明显的相对残余变形和残余应变。说明在汽-20级荷载作用下其桥跨刚度及强度能基本满足要求，但安全储备较低。3)主梁底板裂缝分布较多，多为荷载裂缝，最大裂缝为0.24mm，在试验荷载作用下裂缝最大宽度达0.40mm，已超过规范规定值[2]。4.1.2桥梁损伤分析综合分析桥梁的外观情况及荷载试验结果可得到如下结论：1)本桥梁位于苏、鲁两省交界，实际车流量远高于设计车流量，且多为重载、超载车辆，由实测车流量数据结合桥梁外观及桥面铺装的损伤情况可知：该桥长期处于较严重的超负荷工作状态。2)超载车辆的重压使得桥梁底部产生裂缝，疲劳荷载的反复作用导致裂缝不断发展，梁底产生大量细小密集的直裂纹。3)桥梁位于苏北沿海地区且使用环境较差，桥下河水受生活污水和工业废水污染严重，周围水汽中电解质含量高，在桥梁带裂缝工作状态下，将会加速对混凝土的侵蚀和钢筋的锈蚀作用。4)超载、超设计流量、疲劳及环境条件的综合影响将会加速钢筋的锈蚀和混凝土的劣化，降低桥梁的刚度，缩短使用寿命，必须及时采取加固及修复措施。由此可见，尽管桥梁目前实测承载力基本能满足设计要求，但桥梁病害较严重，安全储备较低，且实际已处于较严重超负荷工作状态，若不及时采取有效措施，则难以保证桥梁今后的安全正常服役。4.2桥梁加固4.2.1加固目标针对桥梁损伤现状，考虑长期的不利影响，桥梁加固应达到以下目标：1)封闭裂缝，修复开裂的混凝土，避免环境中的含盐水汽对桥梁空心板内钢筋的进一步侵蚀，确保结构的耐久性；2)适当提高桥梁的承载能力及安全储备；3)通过封闭裂缝，粘合已开裂混凝土，施加预应力等方法恢复或部分恢复桥梁的刚度，保证其正常使用功能。4)为钢筋卸载，延长桥梁的疲劳寿命。4.2.2加固方案考虑到该桥梁跨度较小，根据加固目标的要求，拟采用预应力高强纤维复合材料对空心板进行加固，部分提高空心板承载力的同时能够起到主动加固、恢复结构变形、闭合裂缝、为钢筋卸载的作用，具体方案如下：1)受侵蚀混凝土处理：将受侵蚀混凝土凿除，然后用火碱水将其表面洗刷干净，用环氧砂浆进行修补。2)裂缝处理：将板底裂缝处用火碱水清洗干净，对宽度大于0.2毫米的裂缝采用改性环氧树脂胶压力灌缝处理；对宽度小于0.2毫米的裂缝采用改性环氧树脂胶进行表面封闭处理。3)空心板加固：采用嵌入式张拉技术，利用高强纤维复合材料对结构进行加固，每块空心板下安装4道150宽的双层300g高强纤维布与环氧树脂胶形成高强复合材料。4)加固完毕后在板底喷涂15厚M15抗裂水泥砂浆保护层。嵌入式预应力纤维布加固原理嵌入式预应力技术利用螺栓和锚固钢板将纤维布锚固于被加固构件两端(图4.1)，然后在纤维布上涂上环氧结构胶，以被加固构件本身为张拉台座，利用张拉夹具对纤维布进行张拉[3]，实现预应力的施加。预应力张拉完毕后纤维布能自然贴紧在构件表面，此时在张拉夹具内侧安装二次锚固钢板，待结构胶固化形成强度后将原锚固钢板及张拉夹具拆除循环利用（图4.2）。此过程可简要归纳为“锚固”－“张拉”－“二次锚固”－“夹具拆除”四个程序。图4.1纤维布的锚固图4.2纤维布张拉后加固材料的选择本次加固主要目的是恢复结构的变形，封闭裂缝并适当提高承载能力，故应选用化学性能稳定，耐候性好，强度高的材料，同时所选材料还应便于施工。考虑以上因素，选用高强度CFRP对桥梁进行加固较为合适，取纤维布幅宽为150mm，其极限抗拉强度为3400MPa，纤维布在板底的布置见图3。加固参数确定以桥梁边跨中板为例，跨度为13m，为简化计算，将空心板简化为图4及图5所示简图，经计算得到空心板参数如下：截面基本参数为：截面面积；惯性矩;混凝土强度等级为C40，抗压强度设计值，弹性模量。实测CFRP布极限强度为3400MPa，设计强度取极限强度的70%，2400MPa。根据嵌入式张拉技术的特点并参考已有的研究成果及工程经验[4]，取CFRP布张拉控制应力为：(1)此张拉控制应力能够做到兼顾张拉时的安全和主动加固的效果。图4.3CFRP布在板底的布置图4.4空心板截面图4.5空心板计算简图加固计算每根梁下使用四道双层CFRP布进行加固。结合嵌入式技术特点，考虑预应力损失，取纤维布有效预应力为,通过施加此预应力，结构变形可得到一定程度的恢复。预应力提供的恢复弯矩用于恢复结构的变形，此力臂平均值为： (2)CFRP布截面面积:(3)纤维布设计强度:(4)预应力提供的恢复弯矩为：(5)极限抗弯承载力提高：(6)锚固端设计：锚固钢板宽100，长230。取张拉控制应力σpcon为1000MPa，按采用双层纤维布加固进行计算，一道双层纤维布总面积:(7)所需锚固力:(8)采用2根14A级化学螺栓进行端部锚固：(9)则螺栓可提供的锚固力为:；(10)螺栓埋入混凝土的深度为90(确保螺栓孔承压承载力大于螺栓的抗剪承载力)，满足锚固要求。4.3加固施工嵌入式预应力纤维布加固技术基本不需阻断交通，所有操作均在桥梁底板以下完成，社会影响小。施工时宜按以下操作步骤进行：螺栓的安装：按设计要求在板底相应部位打孔，安装端部化学锚固螺栓及中部二次锚固螺栓；板底清洁：将板底浮浆、灰尘、油渍打磨掉，露出混凝土结构层，并擦拭干净；2）裂缝处理：宽度大于0.2mm的裂缝，采用密封胶压力灌缝处理，宽度小于0.2mm的裂缝暂不处理；3）板底涂抹纤维布底胶，涂抹底胶的同时底胶能起到封闭较小裂缝（＜0.2mm）的作用；4）纤维布固定：在纤维布的锚固部位涂满环氧结构胶，拧紧锚固螺栓，将纤维布安装在锚固钢板1上，此过程应注意保持纤维布平直且适当崩紧；（图1）5）预应力张拉：在纤维布与板底涂上结构胶，然后在靠近锚固端的部位将张拉夹具安装在纤维布与板底之间，通过拧紧夹具上的张拉螺栓，实现预应力的张拉。张拉过程中可用手持式引申仪监测纤维布的应变。预应力张拉完成后，纤维布能自然紧贴于板底混凝土表面（图4.2）；6）安装附加锚固：为了提高各板之间的协同工作性能并防止CFRP布在往复荷载下的剥离，在空心板横向每隔2.5m或板底表面凹陷较大处设置一道横向连接钢板，该连接钢板同时起到附加锚固的作用，能够为防止纤维布的剥离提供多道防线。7）表面处理：在纤维布表面洒上一层绿豆砂以便于后期表面抹灰。本步骤需在预应力张拉完成，纤维布与板底紧密贴合后立即进行；8）张拉夹具及锚固钢板1拆除：待结构胶完全凝固达到设计强度后，将图4.2所示张拉夹具及锚固钢板1拆除用于循环利用。9）在纤维布表面喷涂保护层。4.4本章小结整个加固施工过程完全未阻断交通，社会影响小，加固成本低。工程加固完成后，经检测，桥梁的刚度得到了明显恢复，同级荷载下的结构挠度比加固前明显减小，混凝土拉应变明显降低，桥梁使用功能得到了较好地恢复，加固效果较好。本工程应用实例也充分证明了窄幅宽预应力高强纤维布加固技术在沿海地区中小跨径公路桥梁加固中的应用前景，同时，该技术在本桥梁加固中的成功应用，也为其结构加固领域的进一步推广提供了有力的技术指导。参考文献U.Meier.StrengtheningofStructuresUsingCarbonFiber/EpoxyComposites[J].ConstructionandBuildingMaterials,1995,9(6):341～351.U.MeierandH.Kaiser.StrengtheningofStructureswithCFRPLaminates，Proc[J].AdvancedCompositesMaterialsinCivilEngineeringStructures,1991,(1):224～232.U.Meier.CarbonFiberReinforcedPolymers:Modernmaterialsinbridgeengineering[J].StructuralEngineeringInternational,1992,(2):7～12.TriantafillouTC.Innovativepre-stressingwithFRPsheet:Mechanicsofshort-termbehavior[J].ASCEJournalofEngineeringMechanics,1991,117(7):1652～1672.TriantafillouTC,DeskovicN,DeuringM.StrengtheningofConcreteStructureswithPrestressedFiberReinforcedPlasticSheets[J].ACIStructuralJournal,1992,89(3):235～244.R.Quantrill,L.HollawayandA.Thorne,Partl.ExperimentalandAnalyticalInvestigationofFRPStrengthenedBeamResponse，MagazineofConcreteResearch[J],1996,48(177):331～342.R.Quantrill，L.HollawayandAThorne，Part2，PredictionoftheMaximumPlateEndStressesofFRPstrengthenedBeams[J].MagazineofConcreteResearch,1996,48(177):343～35