工程案例
业务范围
混凝土桥梁粘贴加固技术
发布时间:2014-07-20
1 引言旧桥加固改造工程同其它任何事情一样,有其内在的规律,在做某座桥梁的具体加固设计时都有一定的技巧,都要遵循一定的步骤,同时又极具创造性。所以,我们应通过创造性的工作去尽力解决旧、危桥的加固改造工作。尽管每座桥梁的修复工程具有各自的特点,但存在可进行比较、评价的一般性概念,以决定采用最实用的技术。由于这些特点,总是需要在桥梁修复工程中进行创造性的思考和技术革新。新的材料和技术的不断发展,又提供了更有效、更耐久的维修方法。为此,工程界需要新兴的、科技含量较高的加固技术。粘贴碳纤维布加固混凝土结构技术是一项新型的结构加固技术,可在环境可恶劣的情况下使用,养护简便.阻碍该技术推广的主要因素是耐久性问题.
提高混凝土桥梁结构承载能力的常用方法有:增大构件截面,表面粘贴加固,施加体外预应力,增设受力构件及改变结构体系等,其中前3种方法在工程实践中最为常见。施加体外预应力法是一种可靠的加固方法,能够较大幅度地提高桥梁承载能力及刚度,但施工工艺要求高、施工难度大;增大构件截面法在小跨径梁板桥、拱桥及少量构件补强等的应用中也可以获得良好的加固效果;大多数情况下,采用表面粘贴加固的方法能够满足桥梁加固的要求,与上述方法相比,具有施工简便快速、不增加(或很少增加)结构自重以及适用范围大、对环境干扰少等优点。
粘贴加固方法即采用化学粘结剂将补强材料直接粘贴在混凝土构件表面,使之与构件形成受力整体,以提高结构承载力的一种加固方法。近十几年来,粘贴加固技术在国际上的研究与应用发展迅速,从传统的粘贴钢板的应用研究正朝着粘贴纤维增强复合材料(FRP)的研究应用方向快速发展,我国在这一领域的研究与应用也已积累了大量的经验与成果。
2 粘贴钢板加固技术
粘钢加固技术的应用始于20世纪60年代末70年代初,法国、南非等国家首先采用该技术对混凝土结构进行加固补强,随后瑞士、日本、英国等国家相继采用,其中日本在1975年应用此项技术先后对200多座桥梁进行了加固,以提高结构承受重型交通荷载的能力,取得了较好的效果。实践证明,采用粘贴钢板补强的方法能有效提高结构的抗弯、抗剪及抗开裂性能。而正是由于该加固技术不改变结构外形等特点,在许多情况下替代了增大截面加固技术,成为20世纪80年代的一种先进加固方法,为设计人员所普遍采用。我国20世纪90年代初的中国工程建设标准化协会标准《混凝土结构加固技术规范》(CECS 25∶90)及交通部颁布的国家行业标准《公路养护技术规范》(JTJ073-96)都将此项技术列入推广。在这一领域,我国于20世纪80年代初就开始研制自主知识产权的结构粘贴用胶,加固材料的国产化大大降低了加固成本,有力地促进了粘贴钢板技术的发展。到目前为止,粘贴钢板加固法仍是混凝土桥梁加固的首选方法。
2.1外部粘钢加固法工艺介绍
1、外部粘钢加固技术是将强度高的钢板粘贴于被加固的构件,使钢板和混凝土形成一个新的整体,从而有效提高构件的刚度和抗裂性,该技术已广泛应用于构件的抗弯抗剪,抗压加固。
2、外部粘钢加固使原结构自重增加极微,不需要基础等下部结构的连锁加固或补强,结构截面变化甚小,不改变原结构的形式,可以基本达到原结构的外观要求。
3、施工周期短,一般24小时可拆模,72小时可正常使用。施工时几乎不影响正常的生产或营业,特别对不能停产停业的单位,施工效果更佳,综合经济效益更高。
4、该技术于1983年通过了中国科学院与中国城市建设环境保护联合鉴定,并已列为我国CECS25:90标准《混凝土结构加固技术规范》。
5、工艺简单流程如下:
表面处理→结构胶配制→涂敷胶→粘贴→固定、加压→固化→卸支撑检验→防腐处理
6、应用范围:
(1)、因混凝土等级偏低。
(2)、结构受力钢筋配置不足或漏配。
(3)、因施工原因造成结构达不到原设计的承载能力。
(4)、使用不当或非人力的原因造成结构承载能力的降低或变形过大,裂缝宽度超过允许值。
(5)、结构在使用中遇到有害介质使钢筋因腐蚀而截面减少,混凝土大量剥落影响正常使用。
(6)、由于使用要求改变,如加层、设备改变等致使结构超载需加固、补强或需提高原结构的承载能力,构造物超龄使用而需加固等。
随着对此项技术研究应用的不断深入,该方法的一些不足逐渐暴露了出来。首先,钢板因遭受污染大气侵蚀等原因造成各种化学腐蚀而影响其加固效果,这使得后期的养护维修问题变得异常突出;再就是研究发现,粘贴钢板结构在承受长期动载下的抗疲劳性能不甚理想,这是由于钢板刚度较大,施工时的误差等原因使得结构使用中容易在粘结面上发生剥离脱空,特别是钢板端部更易发生剥离破坏,加固设计时一般需附加螺栓加以辅助锚固,这从一定程度上增加了施工难度并对原结构造成一定程度的损伤。
3 粘贴FRP加固技术的研究应用
纤维增强塑料(FRP)加固修补混凝土结构技术是目前国内外土木工程领域研究、开发的一个热点,并已得到广泛的应用。通常做法是利用环氧树脂胶把纤维布或板粘贴在混凝土表面以提高其承载能力和变形能力。近年来有学者提出一些新的加固方法,如嵌入式加固法(NSM)和快速铆固法,前者仍属于粘贴类型加固方法。本文着重介绍了后一种加固方法,总结了相关参数对加固结构抗弯承载力的影响,指出了这种加固方法存在的一些问题。
近年来,纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点。随着材料技术的发展,现在已开发出来了多种高科技纤维材料,如玻璃钢(玻璃纤维增强塑料)就是其中的一种。在所有的这些纤维材料中,碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟,也是用量最大的一种高科技材料。随着碳纤维材料被应用于建筑业,碳纤维布(CFRP)加固混凝土结构新技术随之出现。
近十几年来,国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展阶段,碳纤维及其复合材料的力学性能取得突破性进展,生产技术和生产效率明显提高,产品成本稳中有降。
而且碳纤维的抗拉强度和延伸率不断提高,抗拉强度达到7000Mpa以上,延伸率从1.0%左右提高到2.0%左右,最高者为2.4%,从而使碳纤维复合材料可以用于主承力结构。
纤维增强复合材料是以连续纤维浸渍在用于粘合纤维的聚合物中硬化后形成的。目前结构工程中常用的FRP材料主要是树脂基体的玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP)等3种;FRP产品在外形上大概分为筋、片材、管材、型材等几种。各种FRP材料的力学性能参数变化范围很大,但都具有一些共同性质:高的强度重量比和刚度重量比率、拉断前为弹性、热膨胀系数低、各向异性、轻质、耐腐、无磁、良好的抗疲劳性及高的耐久性等。由于这些性质以及其产品应用于工程中可设计性强、施工简便及使用维护成本低等特点,使得FRP现在已成为国内外土木工程界中研究和应用的热点。FRP产品在土木工程中的应用可以分为2类:(1)用于现有结构的修复和加固;(2)直接用于增强新建结构。它们在工程中成功应用的基础是新的复合结构的概念和体系,并与传统材料如钢、混凝土结合起来,充分发挥了各自材料的优点。
3.1 FRP加固技术发展简介
碳纤维作为一种高科技材料,最早主要应用于航空、军事等领域,以后逐渐发展到船舶、汽车及体育用品等领域。自20世纪80年代后期开始,欧洲一些国家以及美国、日本、加拿大等国一直在开展FRP加固结构技术研究工作并进行了大量的工程实例应用,各国的混凝土研究或管理机构相应制定了有关FRP加固结构设计及施工等方面的规范、规程、指南等。CFRP以其优异的物理力学性能而在FRP材料中备受推崇,并日益得到更广泛的应用。
我国在这一领域自20世纪90年代中期起步,业已取得了大量研究成果,相关标准正在编制中,其中《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》已于2001年完成报批稿,《结构加固修复用碳纤维片材》和《片材加固修复结构用粘结树脂》两项产品标准已完成征求意见稿,《高性能纤维复合材料应用技术规范》及《公路混凝土桥梁的加固技术规程(讨论稿)》也正在编制中。目前,FRP产品在我国的应用大多在工业与民用建筑物结构的加固修复中,这与其他国家不同。例如在日本,1987年~2000年共计应用CFRP600余万m2,其中41%的数量应用于桥梁的加固补强,其他国家应用FRP加固补强桥梁结构的数量也很大。我国近几年在FRP加固补强桥梁结构方面的研究应用正在加快发展步伐。
粘贴碳纤维加固法工艺介绍:
1、碳纤维布加固修复混凝土结构技术是采用配套胶粘剂将碳纤维布粘贴于混凝土表面,起到结构补强和抗震加固的作用。
2、碳纤维是高科技材料,最早使用于航天工业领域,碳纤维加固技术具有高强高效,适用范围广,不增加构件自重和体积,耐腐蚀性好等优势。
3、应用范围:
(1)、应用于特殊环境(高湿度、腐蚀等)下钢筋砼以及补强幅度较高的钢筋砼结构,如道路桥墩,铁道高架桥,建筑物梁柱的补强加固以及隧道内壁修补,水池内衬补强,排水管道补强加固等。
(2)、梁、板等受弯构件的受拉区加固。
(3)、梁、柱沿与轴线垂直方向的受剪加固。
(4)、柱的抗震加固。
3.2 粘贴CFRP加固桥梁结构技术
目前,我国在桥梁加固方面主要是研究应用粘贴CFRP片材(碳布)加固技术。碳布根据纤维方向分为单向布和双向布2种,其中以应用单向布为主,其拉伸强度是等截面普通钢材的10倍或更高,弹性模量在(2.4~6.4)×105MPa,是一种较理想的混凝土结构加固补强材料。试验证明,碳布粘贴加固桥梁构件能大幅度提高梁板的抗弯、抗剪性能以及混凝土柱的抗压、剪、弯能力,并能显著提高桥梁构件刚度及延性(如抑制开裂、降低挠度等)。
与传统的粘钢加固技术相比,粘贴CFRP布加固技术的优势主要体现在:高强高效,可设计性强,适用范围广;基本不改变原结构外观,不会对原结构造成损害;运输、储存、施工更方便、快捷,更易保证施工质量而且后期维护费用低;其化学结构稳定,在耐候性、耐腐蚀性以及抗疲劳性能等方面的优良品质更是粘贴钢板所无法比拟的,并且实验表明其对结构有着良好的隔离氯化物离子的效果。
3.3 FRP加固技术应用需注意的问题
(1)与传统结构材料不同,FRP材料通常表现为各向异性,例如上面提到的单向碳纤维布,它只在沿纤维方向上的强度和弹性模量较高,而在垂直纤维方向则很低,这是在加固设计时要充分考虑的问题。另外,部分FRP产品,如玻璃纤维等的弹性模量较低也是其作为结构材料的劣势,设计中要充分考虑。
(2)FRP材料的物理力学性能还有一个特点,就是其抗剪强度仅为其抗拉强度的5%~20%,这使得材料的连接成为突出的问题,设计中要充分考虑合理的连接方式、连接尺寸、连接位置以及尽量减少连接等。
(3)FRP产品的质量及其配套用粘结材料的可靠性是保证FRP粘贴加固技术成功应用的关键。首先,FRP材料编制生产的匀质性、材料拉伸强度等技术指标的离散性等,都对结构可靠度指标有很大影响(设计时要考虑指标折减);其次是配套用各种树脂材料的粘结相容性等性能指标更是保证可靠粘结的关键,因为在FRP材料设计用量充足的条件下,粘结部位的剪切破坏是制约FRP材料性能充分发挥的最大因素,而且,FRP材料对环境变化的敏感程度远比FRP材料与混凝土之间的粘结面低,解决FRP材料加固混凝土结构耐久性问题的关键就是解决粘结面的耐久性问题。一些关于FRP-混凝土界面粘结剥离破坏形式下的耐久性能测试表明,使用不同的粘结材料,结构抗弯性能下降的幅度不同,分别在3%~33%之间。
(4)大量研究表明,虽然FRP材料本身的抗疲劳性能优于传统结构材料,但初始缺陷和工作环境对FRP材料抗疲劳性能的影响非常显著。在这一方面,除首先保证施工质量外,有一些问题还待进一步研究。
(5)施工控制和加固质量检验是粘贴加固工程中要认真对待的问题。例如施工时环境温度、湿度、通风条件等的控制,结构表面处理、粘结位置、粘结剂有效使用期和涂层厚度等的控制,养护方法及时间要求,以及现场正拉粘结强度试验等。因此要求尽量选择有经验的专业施工队伍并严格按设计要求施工并进行检测验收。
(6)与混凝土相比,一般FRP材料的防火性能较差,而且部分树脂材料在持续高温情况下会出现软化现象,并导致材料力学性能的降低。这一问题也应引起注意并加以深入研究。当然,桥梁结构对这一方面的要求相比建筑结构较少。
3.4 CFRP加固技术
目前,CFRP在桥梁工程中大量用于加固桥梁,恢复和提高既有桥梁的承载能力。相对于粘贴钢板加固,粘贴CFRP复合材料加固桥梁具有施工方便、适应性好、耐腐蚀、几乎不增加结构自重、不必打孔,因而对原结构不会造成新的损伤等优点。
3.4.1、碳纤维布用于加固补强的技术特点
碳纤维布加固法是一种新型的结构加固技术,它是利用树脂类胶结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面,并与结构形成整体受力体系,增强被加固结构的抗弯或抗剪能力,从而达到对结构补强加固及改善结构受力性能的目的。
与传统的混凝土结构加固技术相比,碳纤维布加固法具有很明显的优越性:碳纤维材料具有优异的物理力学性能,其抗拉强度高于普通钢材的10倍,极适合于钢筋混凝土结构的加固补强;其轻质柔软,适用面广,施工便捷,尤其是可在不中断交通时进行加固施工;加固厚度小,可不增加原结构的恒载,特别适用于建筑高度受限制情况下加固补强;同时还具有良好的耐久性及耐腐蚀性等。
碳纤维布加固补强法,始于二十世纪八十年代美、日等国家,目前是国际土木工程领域开发研究的一个热点。我国是在1997年才正式开始对碳纤维类加固技术进行研究的,并在1998年开始了实际的工程应用。
3.4.2、 碳纤维布加固混凝土构件应用范围
目前,用于结构加固增强的碳纤维布(CFRP)材料其形式可分为片材(包括布状和板状)、棒材以及格状材等几种。此外,还有各种各样的CFRP型材。片材一般通过环氧树脂粘贴于混凝土受拉表面;棒材通常作为代替传统钢筋(主筋或箍筋)的材料。近年来,对棒状进行张拉后,在混凝土结构的体内或体外进行预应力增强式加固法的方法得到了很大的发展。而CFRP格状材则是通过1-2cm厚的聚合物灰浆将其粘结在既有结构上,或只通过适当的锚固方法将其固定在既有结构物上进行加固。
CFRP布状片材的形状有单方向或双方向编织制品、单方向配列制品及预浸处理制品等。CFRP片材加固形式是多种多样的,主要可分为抗弯曲、抗剪切、抗压缩、抗震加固及劣化防止等。其加固效果可表现为控制裂缝宽度和提高裂缝分散能力,增强结构刚度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗疲劳强度、提高结构的延性、耐久性能力及防下落物等。对于某些桥梁,通过在柱形桥墩表面环绕粘贴CFRP纤维布,可以提高混凝土桥墩的抗剪切能力和延性;混凝土柱受到环绕粘贴的CFRP箍束作用,其截面的抗压强度也有一定提高。在混凝土桥桥面板上下表面粘贴包裹CFRP纤维布,可以降低钢筋应力、增强结构抗疲劳能力以及对已经出现损伤和裂纹的部分进行加固。在一般建筑物结构中对混凝土框架结构、楼面板甚至砖墙、剪力墙的抗弯、抗剪切加固。另外,在道路和铁路隧道方面,由于地震载荷和非均匀山地土压而产生的集中载荷会造成隧道混凝土内壁的纵向裂纹、变形过大以及局部脱落,从而大大降低了隧道的安全性和使用寿命,通过在隧道混凝土内壁粘贴CFRP纤维布可以增强抗弯性,有效防止已有裂纹的进一步扩展,延长使用寿命。
3.4.3、锚固FRP板加固技术实施
这种方法不使用粘结胶,而是使用若干均匀分布、细小的铆钉把纤维增强塑料板固定在混凝土表面,沿纤维板纵向纯弯段内铆钉间距为20cm左右,剪跨段内5cm左右;沿纤维板纵向全长范围内均匀布置有铆钉。为了使荷载均匀地传递给纤维板,避免铆钉处纤维板的应力集中引起破坏,因而没有采用大直径的铆钉,而是使用直径小、间距密的铆钉。通过调整铆钉间距及铆钉的长度可以有效解决纤维板和混凝土之间共同受力的问题。施工时,在加劲纤维板上需要打入铆钉的地方做上标记,拉住加劲纤维板两端、边角临时固定在混凝土表面,使用专门的设备把铆钉直接穿过纤维板打入混凝土中;也可以在预定位置先用钻机把孔钻好,然后再打入铆钉,以减少铆钉打入时表面混凝土的剥落。
3.4.4、与粘贴纤维板方法的比较
(1) 施工简单方便、速度快。粘贴纤维板方法相对比较耗时,需要对混凝土进行喷沙、打磨、摸平表面等工序以适合粘贴,这需要在半专业人士的指导下进行,粘贴质量的好坏直接影响到补强、加固的效果。而铆固法只需要钻机和专门的铆钉打入设备,操作方便、速度快。据比较,在相同条件下,机械铆固法是粘贴方法所耗时间的1/8~1/10。
(2) 施工期间不影响使用,施工完成后不需要养护期,可以马上投入使用。粘贴纤维板方法在施工后,粘结胶在24小时内不能受到扰动,加固后的结构需要几天的养护时间才能达到设计强度。铆固法由于用铆钉直接固定,施工完成后即可发挥新的使用功能,这对于交通繁忙的桥梁以及抗灾、救灾、战时抢修等争取时间的情况都是很有利的。
(3)如果纤维板和混凝土粘结可靠并且忽略粘结胶厚度的影响(目前大多数计算模型都采用这种假定),则纤维板与混凝土之间是变形协调的。机械铆固法中,两者之间没有协调关系;若忽略纤维板与混凝土表面之间的摩擦,相邻铆钉间纤维板的应变是相等的,并等于相邻铆钉间混凝土底面的平均应变。
(4)粘结胶在高温环境下粘结强度的下降以及随时间的老化,都会降低粘贴方法的加固效果。铆固法不存在对环境、气候的敏感性。
(5)铆固法在打入铆钉时会引起表面混凝土的剥落,增加混凝土结构的初始裂缝,这是此种方法不利的一面;采用预先钻孔措施可以减小剥落的产生。为了避免铆钉处纤维板过大的应力集中,必须增加铆钉的分布密度、控制纤维板的弹性模量和拉力。影响加固性能的因素有:纤维板弹性模量、铆钉间距和长度、是否预先钻孔、铆钉离混凝土边缘的距离等。
3.4.5、相关参数对加固性能的影响
(1)在纯弯段内布置了铆钉的梁得到了较高的承载力,相比之下,没有布置铆钉的梁承载力要低一些。
(2)预先钻孔可以减少可见的初始裂缝和表面混凝土剥落,使铆钉打入深度增加,提高加固梁总体的承载力和延性。
(3)铆钉离混凝土边缘的距离愈小,打入时产生的初始裂缝就愈多,因此保证铆钉与混凝土边缘之间一定的距离是必要的。
(4)对于高弹性模量的纤维板,预先钻孔时,加固梁直到上缘混凝土压碎都和纤维板结合紧密;而没有钻孔时,加固梁因纤维板脱离而破坏,极限承载力比前者小。
(5)把铆钉间距由5.1cm增大到7.6cm时,加固梁在钢筋屈服时承受的弯矩相同,但极限承载力稍微减小。
(6)当增加铆钉的长度时,加固梁在钢筋屈服时承受的弯矩以及极限承载力都相应提高。
3.4.6、碳纤维布加固桥梁实例
3.4.6.1 、工程概况
双凤桥位于白(沙关)景(德镇)公路102公里桩处,该桥原为一半永久性桥梁(修建年代不详):上部构造为木板桥面;下部结构为浆砌块石扩大基础配实体墩台(据调查基础放置在岩层上)。1970年将该桥改造成全长为34.10米的永久性桥梁:将桥墩加设局部斜撑(挑臂)拓宽;上部结构改为4孔普通钢筋混凝土工字梁与微弯板组合结构。设计荷载为汽车—13级,验算荷载为拖车—60,桥面设计净空为净-7.25m 2×0.25m。
、工字梁加固提载计算要点:
由于双凤桥未查询到有关详细设计图纸及竣工图纸等资料,对工字梁内部配筋不清楚,因而加固设计中从安全角度出发,仅考虑从汽车—13级(拖车—60);提载到汽车—20级(挂车—100)跨中截面增加的弯矩值来验算补强钢筋量。
经计算由汽车—13级(拖车—60)提载到汽车—20级(挂车—100)跨中截面增加弯矩值△M=485.08KN,跨中截面惯矩I=0.1201m4,中性轴到下缘距离h1=0.60m,截面高h=0.83
综合有关情况,本次对工字梁提载加固决定采用碳纤维布,因而计算碳纤维布截面面积:
Acf=Ag(Rg/Rcf)=242.3mm2 (3.1)
上式中:Acf——碳纤维布截面积;
Rcf——碳纤维布抗拉设计强度。
为了方便碳纤维布的裁剪操作及考虑储备,考虑每层碳纤维布宽为250mm,粘贴两层,五片工字梁实际粘贴碳纤维布截面面积为Acf=250×0.167×2×5=417.5mm2。
3.4.6.2、双凤桥静载试验
(1)静载试验概述
为能对碳纤维布在旧桥加固中的使用性能进行量化分析,分别对双凤桥加固前、后进行了等效静载试验,且两次静载试验采用的加载车辆、荷载等级及加载位置均相同。由于该桥未查询到原设计图纸及竣工图,对各片主梁的配筋无法考证,根据《大跨径混凝土桥梁的试验方法》和《公旧桥承载能力鉴定方法》中的有关规定确定,加固前后两次荷载试验的性质为轻型荷载试验。
根据工字梁桥的受力特点,加固前后两次静载试验分别测试了工字梁跨中截面下缘钢筋应力(应变)、跨中挠度及裂缝。并按两种工况进行试验:第一工况为两辆加载车偏载(最外侧车轮中心离人行道边缘50cm);第二工况为两辆加载车对称中心布载。
(2) 静载试验分析及结论
1)在工字梁梁底粘贴碳纤维布后,在相同的受力状况下跨中梁底钢筋应力明显减小,减幅最大达8.12%,相应跨中部位挠度(变形)亦减小,最大减小幅度达9.52%。说明粘贴碳纤维布后,工字梁抗弯强度增大。并通过分析说明:双凤桥加固后符合汽车-20;挂车-100的荷载使用要求。
2)粘贴碳纤维布后,在试验荷载作用下,原跨中梁底裂缝得到抑制,在相同荷载、相同加载位置作用下,加固后裂缝宽及高度明显小于加固前,加固后主梁最大裂缝宽仅为0.15mm,完全符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中的有关规定。
3)所测应力(应变)、挠度数据基本与理论值相符,并呈弹性变化,塑性变形率最大为0.08%。
4、裂缝注浆加固法:
4.1工艺介绍:
裂缝注浆是采用压力注浆技术对已开裂的砼构件注入特殊的化学物质进行修复、加固。
工艺流程为:
裂缝调查→裂缝处理→设置灌浆嘴→注浆→固化→检验。
4.2应用范围:
它广泛应用于混凝土桥梁、房屋水利、路面等工程中构件外部大面积加固,混凝土宽窄裂缝的修补,混凝土内部缺陷(蜂窝、孔洞、疏松等)的修补。
5 结语
碳纤维布加固法是一种新型的结构加固技术,有其优点与长处,但也存在一些不足。我国引进和实际应用该项技术的时间仅几年,在该项技术的设计原理、设计方法和施工技术与工艺等方面尚有许多问题需要继续深入研究,并通过大量的实际应用加以检验和论证,不断积累经验。本加固技术操作简单、施工方便、速度快。对于繁忙的交通线、抗灾、救灾以及战备等时间紧急的情况,本方法是一种有效的选择方案。加固施工中要减少混凝土初始裂缝的产生,避免因FRP板剥离而破坏。Anthony J.Lamanna等推荐单个铆钉承载力未预先钻孔时为2224N、预先钻孔时为4448N,由于国内FRP材料性能的差异,单个铆钉承载力还需要作进一步的试验研究。本课题组在开展本项研究和实际应用过程中,归纳了以下几点经验,供同行们在实际应用碳纤维布加固法加固改造旧桥时参考。
1、碳纤维布具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳、施工便捷等优异物理力学性能,是加固补强混凝土结构的理想材料。
2、采用碳纤维布粘贴到混凝土结构表面,可对其进行受弯、受剪、刚度和抗震等加固,同时也可以提高混凝土结构的耐久性。
3、相对传统加固方法而言,采用碳纤维布加固能最小程度的改变原有结构的应力分布,保证在设计荷载范围内与原结构共同受力。
4、粘贴碳纤维布加固补强后的结构计算时仍然适用平截面假设,大量实验业已证明平截面假设在粘贴碳纤维布结构中依然成立。目前关于碳纤维布加固混凝土结构的计算方法主要是将碳纤维布按照一定的标准(例如强度或允许应力)近似换算成一定用量的钢筋,按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析,虽然是近似方法,但理论分析结果与实验数据吻合得较好。这种方法在一般情况下是适用的。
5、由于碳纤维材料一般为脆性拉断破坏,在受弯加固时应采用允许应力方法作为碳纤维布加固混凝土结构的设计方法,同时应考虑碳纤维布与混凝土之间的粘接失效可能引起的剥离脆性破坏的影响。
6、与钢筋混凝土结构相似,影响碳纤维布加固混凝土结构承载力的因素有很多,包括:碳纤维材料本身的强度、弹性模量;混凝土的强度;碳纤维布与混凝土的粘结情况等等。
7、加固设计时,必须对所要加固结构的各种参数有详细的了解,因为各种参数对梁的极限承载力和破坏特征均有很大的影响。
8、粘贴碳纤维布后结构的抗弯强度确定是该加固补强方法最基本的要求,据试验研究统计:粘贴一层碳纤维单向布的梁板,其抗弯性能可提高5%~8%。
9、抗疲劳是衡量结构承载力的一个重要指标,实验研究结果表明,与普通钢筋混凝土相比,碳纤维布加固混凝土结构的抗疲劳性能将会提高。这主要是由于碳纤维材料本身抗疲性能优异。
10、试验表明,用碳纤维布加固钢筋混凝土梁,对梁的刚度提高不大,故对实际工程中的构件进行加固设计时,除保证加固后梁的极限承载力满足规范外,对其刚度也要进行验算,以保证其刚度也满足规范。
11、由于用碳纤维布加固混凝土梁抗弯承载力时梁中剪力作用也在变化,抗弯与抗剪加固二者之间确实存在着相关关系,实际工程加固设计中必须考虑这种关系。因为普通混凝土梁的设计一般都是“强剪弱弯”,用碳纤维布进行抗弯加固而不考虑抗剪的。
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