高预应力CFRP板加固大比例T梁试验研究.pdf

文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目()作者简介:权国绍()男江西永丰人高级工程师主要从事高速公路、铁路、市政的建设:.引文格式:权国绍卓静都洋东.高预应力 板加固大比例 梁试验研究.铁道建筑技术():.高预应力 板加固大比例 梁试验研究权国绍 卓 静 都洋东(.中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川成都 .重庆科技学院 重庆)摘 要:材料因质量轻、强度高、耐腐蚀等优点是用于加固的理想材料 在当前的加固工程实践中 板的强度等级为 初始预应力为 很少有超过 考虑提高初始预应力可以更好发挥 板的强度利用率可以在提高材料用料的基础上更好地提高加固效果 本文筛选出了 级的 板将其初始预应力水平提高至 通过试验验证了高预应力 板加固技术的可行性、实用性 试验结果表明将 板的初始预应力水平提高到 对梁的加固效果更优可以为今后的加固工程借鉴关键词:高预应力 板 大比例 梁构件 波形锚具 抗弯性能 强度利用率中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着我国社会经济迅猛发展现有的交通基础设施很难满足社会经济发展的需求同时也对交通基础设施的数量、质量和使用性能提出了更高的要求桥梁结构物长期在超载作用和自然环境侵蚀作用下会加速结构物的损害这种损害是不可逆的进而会造成承载能力的降低 如果在病害发现初期能够采取有效的、科学的防护措施就能减少结构物的损伤降低构件承载能力的衰减提高耐久性满足交通量的变化需要延长桥梁的使用寿命 上述背景在很大程度上也推动了桥梁加固补强方面的课题研究近些年来碳纤维增强复合材料()以其耐腐蚀性强、质量轻、强度高、抗疲劳性强、施工方便等优点深受国内外结构加固界同仁的青睐特别是 材料加固桥梁的运用 根据国内外的数据资料分析可知 布强度在工程加固中利用率为 强度利用率极低 经过大量的试验及工程实例分析可知 布与被加固的混凝土构件粘接面之间常发生剥离破坏极限破坏的主要原因是粘接面剪应力过大 随着加固方法及材料研究的深入出现了一种利用 板主动加固结构物的新方式预先对 板施加预应铁道建筑技术 ()权国绍 等:高预应力 板加固大比例 梁试验研究力使其较早地参与结构受力加载之后 板与构件共同承担外部荷载充分发挥高强度的材料性能在预应力 板加固中 板的初始预应力一般在其强度的.倍左右实际工程中一般在 左右因为提高了初始预应力水平可以大幅发挥 板的材料特性进而提高强度利用率也能够减少材料用量 查阅目前的国内外研究文献大多数预应力水平不高 本文尝试对碳板施加更高的预应力水平探索充分利用和发挥其高强度特性 高预应力 板加固大比例混凝土 梁试验方案.材料选择考虑要对 板施加 的初始预应力对 板进行了选择经筛查找到了一种试验破断强度达到 平均强度 平均极限应变 .试验 梁设计实际工程中需要加固的构件结构尺寸较大科研试验中多采用放缩比例系数模型尺寸效应明显与工程实际不相符许多受力分析不能够真实地反映加固效果为了解决尺寸效应问题本试验专门设计了大比例 梁构件目的是为了能够较真实反映 梁的受力性能本试验采用了同批次生产的 片大比例混凝土 梁构件试验 梁材料具体参数如下:混凝土采用 混凝土保护层为 钢筋采用 底部主筋采用 的 热轧带肋钢筋腹板与翼缘板架立筋为 试验 梁尺寸钢筋构造如图 所示图 试验 梁尺寸钢筋构造试验 梁的编号为、其中 构件为对比构件未进行任何加固处理、构件在 梁完好的基础上均采取预应力加固其中单层 板的截面尺寸均为 试验构件加固详细参数见表 所示表 试验构件加固详细参数试验构件编号加固类型 板横截面积/预拉力/应力水平/板弹性模量/板长度/未加固单层 板 双层 板 本试验预应力 板锚固系统采用铰式波形锚具 具体实物照片如图 所示图 波形锚具照片.试验数据测量设计本试验为了更好地了解 梁在荷载作用下的受力性能主要是通过布置粘贴应变片的方式采集材料的应变情况进而对比 梁加固之后的承载力变化情况具体测点布置如图 所示图 /试验 梁构件应变片布置为了了解试验 梁刚度的变化在试验梁的跨中底部位置布置了两个对称的位移计及时准确地了解梁体在加载过程中挠度变化及梁体倾斜变化 加载过程中 梁构件必定产生裂缝本试验主要采用裂缝综合测试仪与记号笔侧面标记的方式记录裂缝的发展情况铁道建筑技术 ()权国绍 等:高预应力 板加固大比例 梁试验研究.试验加载方案试验所用的 梁边界条件均为简支结构外部荷载施加间距为 采用两点弯曲加载具体的加载要求如下:()正式加载前要进行一次预加载目的是排除加载设备与梁体的间隙同时验证加载设备的可靠性预加载值为梁体理论开裂荷载的 预加载要根据具体情况缓慢加载()正式加载开始之后保持每级 的原则缓慢加载直至 梁开裂()梁开裂之后采用每级 缓慢加载直至 的理论屈服荷载该阶段每级加载要预留 持荷观察时间目的是观测裂缝的发展规律()外加荷载达到的理论屈服荷载时加载方式仍改为 每级的原则缓慢加载直至钢筋屈服()钢筋屈服之后加载控制原则主要是跨中挠度按 /级原则加载直到最后 梁由于破坏或者变形过大而终止试验总之每级荷载从施加到结束要尽量放缓至少保持 以上主要目的是防止加载对梁体产生冲击荷载同时也是为了能更加仔细地观测裂缝发展及结构的安全性.高预应力 板张拉工艺本试验采用预埋高强螺栓将波形锚具底座与 梁底部连接试验前将组装好的 板锚具系统通过专用的螺杆、螺帽固定在底座上 在试验 梁的一端设置张拉系统张拉系统通过螺杆将预应力传递给波形锚具和 板进而作用于试验 梁 在正式张拉前首先进行预张拉主要目的是查验锚具张拉螺杆是否平行避免正式张拉时偏心张拉 根据具体情况通过预张拉与调整螺杆螺帽的位置最终保证张拉螺杆的平行 张拉完成后沿碳纤维板纵向依次设置了 块顶压板主要是为了提高预应力 板与试验 梁的协同受力性能 正式张拉预应力前为了保证 板与梁体的剪应力传递以及协同受力性能的发挥试验人员会将专用的碳板胶涂抹于 板与梁体之间以及 板之间 碳板胶与锚具双重作用完好地将 板的预应力作用于梁上并有效地锚固于梁端进而达到粘接高预应力 板加固试验 梁的目的 试验结果分析.试验过程和现象根据 梁的配筋图计算可知未经过加固处理的 梁为适筋梁 构件经历了弹性阶段、屈服阶段、极限破坏阶段等典型的适筋梁破坏模式 构件最终由于挠度过大而终止试验此时极限荷载为 最大变形为 经过单层 板加固的 构件受弯性能明显要好于 构件随着外加荷载的增大 构件底部 板发出尖细的“吱吱”声音停止加载做好防护抵近观察发现 板出现了局部断丝之后继续加载当荷载达到 时接连几次“吱吱”声 构件无法继续承受外部荷载试验终止 最后观察 板的破坏情况未发现剥离破坏也未出现 板端部滑移现象经过双层 板加固的 构件其弯曲力学性能在 个构件之中是最好的当外部荷载达到最大值 时 板发出了沉闷的“噔噔”声尝试继续增加荷载 板发出“嘭”的一声巨响此时最大荷载为 试验终止试验之后整理了 板破坏的现场照片具体如图 所示根据照片判断:第一 板断丝主要集中在 梁底部顶压板附近主要原因是顶压板处 板存在局部弯曲顶压板的挤压力导致 板的局部应力集中而受损从而引起 板过早断裂第二观察发现顶压板处梁的开裂宽度更大表明顶压板处 板受力要大于其他地方这也是 板在此处断裂的原因之一第三对端部的 板锚具观察表明 板的锚固效果完美没有滑移图 、加固 梁 板破坏状态.梁承载力性能分析、等构件均表现出了明显的阶段划分分为弹性、屈服、极限等具有代表性的力学阶段通过对比分析三阶段的荷载最大值可知高预应 板加固材料的优越力学性能 数据整理分析对比如表 所示表 高预应力 板加固大比例 梁承载力性能对比试件编号预拉力/开裂荷载/.提高系数/.屈服荷载/提高系数/.极限荷载/提高系数/.构件破坏形态变形过大 板断丝 板断丝铁道建筑技术 ()权国绍 等:高预应力 板加固大比例 梁试验研究 根据表 可知对比 构件、构件开裂荷载增长较大屈服荷载、极限荷载提高相对而言较低总的来说还是非常可观的 构件对 梁抗弯性能的提高要比 构件略高从而也说明体外预应力越高被加固构件的抗弯力学性能越好 板体外预应力加固技术延缓了结构物的开裂提高了各个阶段承受外部荷载的能力.梁跨中挠度分析、构件荷载挠度关系如图 所示 该曲线说明、受力过程大致相同在弹性阶段斜率普遍较大随着荷载加大构件开始出现裂缝斜率出现转折开始减小继续加载构件进入屈服阶段斜率再次减小 对比同阶段曲线的斜率可知预应力 板加固提高了 梁的刚度放缓了刚度退化的速度预应力越高刚度提高的作用越显著图 、荷载挠度关系曲线.梁裂缝发展趋势分析裂缝的发展规律从侧面也能够体现出试件的力学特性 构件的裂缝宽度关联分析曲线如图 所示根据关系曲线可知当构件达到各自的开裂荷载以后、构件裂缝的发展明显较缓 构件裂缝发展最慢宽度也相对来说最小 例如取外加荷载 对应的裂缝宽度 为.为.为.图 、荷载裂缝宽度关联趋势分析曲线通过裂缝的稀疏程度可知、构件裂缝分布密度明显低于 构件 构件混凝土裂缝开裂间距最小适当增加 板的预应力可以控制裂缝离散程度减小裂缝间距、构件主裂缝虽然稀疏但是产生的次生裂缝宽度较小裂缝长度较小.加固 梁 板强度利用率分析 板是一种高强材料工程行业利用其高强的性能加固结构物 板强度能否充分发挥是至关重要的参数 根据 性能指标可知本次 板实测强度为 实测极限应变为 根据试验数据统计、试验 梁跨中截面 板实测应变值如表 所示表中的有效预应力考虑预应力损失与张拉完成后顶压板顶升之后的应力增量双层 板应变为两层 板应变的平均值 根据统计分析对比结果可知高预应力 板可以充分发挥其材料强度表 加固 梁构件 板强度利用率分析构件编号初始有效预应变/开裂状态分析该阶段应变增量/截止该阶段应变总量/目前阶段强度利用率/屈服状态分析该阶段应变增量/截止该阶段应变总量/目前阶段强度利用率/极限状态分析该阶段应变增量/截止该阶段应变总量/目前阶段强度利用率/.注:本试验用 板实测极限应变为 极限强度为 强度利用率的计算分母采用实测极限应变 .加固 梁平截面假定分析、构件 梁跨中截面各材料实测应变分析如图 所示梁体未开裂时跨中截面各材料变形呈线性增量 梁受弯跨中截面基本上保持平面符合假定条件 当梁体受力达到开裂状态后裂缝处混凝土退出工作此时钢筋与 板应变增加较快中性轴随荷载增加也逐渐上升截面应变仍然成直线变化直到钢筋屈服均满足假定条件 进入极限阶段后板与钢筋应变迅速增长应变片失效较多试验数据不够全面暂时没有具体对比 经过弹性阶段与屈服阶段的分析试验表明经过高预应力 板加固的 梁钢筋屈服之前跨中截面各材料应变分布合理平截面假定成立(下转第 页)铁道建筑技术 ()侯永兵.蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究 刘德峰刘鹏涛张臻悦等.轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性.工程科学与技术():.周建军杨振兴.深埋长隧道 施工关键问题探讨.岩土力学():.吴奎邵珠山秦溯.流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究.力学学报():.黄懿张文瀚陈绪刚等.基于蠕变效应的浅埋偏压软岩隧道受相邻隧道开挖的影响分析.现代隧道技术():.徐镓.软岩隧道在超前支护作用下的力学性能分析.市政技术():.许垒吴建新矫恒信等.基于灰岩地质隧道高边坡压力分散性锚索应用研究.铁道建筑技术():.陈宇龙 郝宪杰 腾俊洋 等.含水层状页岩的蠕变行为.中南大学学报(英文版)():.邓岳保毛伟赟俞磊等.考虑温度效应的软土固结蠕变耦合模型.工程力学():.寇海军.富水区隧道围岩多场参数反分析研究.铁道建筑技术():.贾善坡于洪丹伍国军等.泥岩非线性蠕变损伤 渗透愈合耦合模型及其应用.应用基础与工程科学学报():.(上接第 页)图 加固构件跨中平截面假定分析 结论()高预应力 板加固的 梁构件抗弯承载性能得到了较大提升施加的体外预应力越高受力性能提高越显著()高预应力 板延缓了 梁刚度减小的速率优化了截面应力分布充分发挥了各材料的力学特性()高预应力 板加固的 梁构件在屈服阶段前 板、钢筋、混凝土等材料应变为线性变化平截面假定成立()波形锚具在高预应力 板加固构件的试验中具有很好的锚固性能整个试验过程中主要破坏为 板断丝从未出现剥离现象同时 板从未出现滑移完美地发挥了 板高强度的力学性能增加了高强度材料的利用率()波形锚具有较高的锚固性能施工安装简便针对高体外预应力 板材料具有更高的锚固性价比在加固市场将会有更好的工程应用前景参考文献 龙钦初龙策.体外预应力碳纤维板加固梁桥工程应用.中外公路():.王神力.铁路跨海桥梁钢筋混凝土结构耐久性设计.铁道建筑技术():.宋宏吉郑恩树罗军等.铁路混凝土桥梁加固施工技术.铁道建筑技术():.赵莹莹.海洋环境下 混凝土界面粘结疲劳性能试验研究.青岛:青岛理工大学.张雷顺方恩权蔺新艳等.碳纤维布在混凝土结构弯剪加固中破坏形式的分析.河南科学():.卓静李唐宁等.波形齿夹具锚在碳纤维片材加固技术及预应力技术中应用研究.公路交通技术():.周礼平.铰式锚张拉预应力碳纤维板的工艺研究.重庆:重庆交通大学:.都洋东.高预应力 板加固混凝土 梁的试验与数值分析.重庆:重庆交通大学.宁宝宽胡海涛徐永泽等.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁力学性能试验.建筑结构():.刘丽娜丁亚红段敬民等.预应力 材料的研究现状及其在土木工程中的应用第五届全国 学术交流会论文集.广州:出版者不详:.姜海波黄飞新邓辉等.体外预应力加固简支 型梁使用性能试验研究.工业建筑():.王永宝毛敏刘志华等.体外预应力加固预应力混凝土梁的静力试验.建筑结构():.郭蓉杜力峰郭娇等.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的受弯性能.土木建筑与环境工程():.王英彭丽李文婷等.关于平截面假定的理解和验证.上海师范大学学报(自然科学版)():.崔云飞.荷载和干湿交替耦合作用下 加固预裂 梁耐久性试验研究.大连:大连理工大学:.铁道建筑技术 ()