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文檔簡介
1、預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)初探工程中的鋼結(jié)構(gòu)不可避免地存在各種缺陷和損傷。在荷載和 環(huán)境等因素的作用下,材料發(fā)生變化,引起宏觀力學(xué)性能的 劣化,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程事故。為確保結(jié)構(gòu)安全工作,延長使 用壽命就必須對損傷構(gòu)件進(jìn)行更換或加固,更換這些構(gòu)件將 造成極大的浪費(fèi),而且會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時,結(jié)構(gòu) 損傷具有局部性和多發(fā)性特點(diǎn),這些結(jié)構(gòu)不可能在出現(xiàn)損傷 時就立即退役。因此,尋求經(jīng)濟(jì)高效的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)既是 土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題,又是一個關(guān)系到社會可 持續(xù)發(fā)展的問題。 1 、鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素及加固技術(shù)措施 鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素有: 1)由荷載變化,超期服役,規(guī)范 和規(guī)程改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)
2、承載力不足; 2 )構(gòu)件由于各種意外產(chǎn)生 變形、扭曲、傷殘、凹陷等,致使構(gòu)件截面削弱,桿件翹曲, 連接開裂等; 3)溫差作用下引起構(gòu)件或連接變形、開裂和翹 曲;4)由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱; 5)其它包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工中的失 誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)措施 主要有三種: 1)截面補(bǔ)強(qiáng)法:在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補(bǔ) 強(qiáng),連成整體使之共同受力; 2)改變計(jì)算簡圖:增設(shè)附加支 承,調(diào)整荷載分布情況,降低內(nèi)力水平,對超靜定結(jié)構(gòu)支座進(jìn)行強(qiáng)迫位移,降低應(yīng)力峰值; 3 )預(yù)應(yīng)力拉索法:利用高強(qiáng) 拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、 剛度
3、和穩(wěn)度。 2 、預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)目前,國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用涉足甚少。因此, 如何將高性能預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)工程的加 固中,以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性,將是鋼結(jié)構(gòu)工程 加固領(lǐng)域中的一次技術(shù)革命。 2.1 傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問 題焊接加固時,高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化;而 且焊縫必然存在缺陷,會產(chǎn)生新的裂紋;焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在 殘余應(yīng)力,與其他作用結(jié)合可能導(dǎo)致開裂。焊接使結(jié)構(gòu)形成 連續(xù)的整體,裂縫一旦失穩(wěn)擴(kuò)展,就有可能一斷到底,引發(fā) 重大事故。 采用螺栓連接需要在損傷部位附近的母材上開孔, 削弱了截面,形成新的
4、應(yīng)力集中區(qū);普通螺栓在動載作用下 易松動,高強(qiáng)螺栓易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象,降低了結(jié)構(gòu)的修補(bǔ) 效果。粘鋼加固技術(shù)是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘 貼鋼板,依靠結(jié)構(gòu)膠使之粘結(jié)成整體共同工作,以提高結(jié)構(gòu) 承載力。這些加固方法共同的缺點(diǎn)是使結(jié)構(gòu)重量增加很多, 鋼板不易制作成各種復(fù)雜形狀,運(yùn)輸和安裝也不方便,且鋼 板易銹蝕,影響粘結(jié)強(qiáng)度,維護(hù)費(fèi)用高。 2.2CFRP 粘貼加固 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) CFRP 粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)是利用粘結(jié)劑將 CFRP 粘貼到鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的表面,使一部分荷載通過粘結(jié)層傳 遞到 CFRP 上,降低了結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力。粘貼 CFRP 加 固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢: 1)CFRP 的比強(qiáng)度和
5、比剛度高,加固后基本不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸;2)復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能; 3)柔性的復(fù)合材料對 于任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面具有特別的優(yōu) 勢。密封性好,減少了滲漏甚至腐蝕的隱患;4 )簡便易行、成本低、效率高,在狹小空間亦可施工,特別適合現(xiàn)場修復(fù); 5)施工過程中無明火,適用于各種特殊環(huán)境。 2.3 預(yù)應(yīng)力加 固的優(yōu)點(diǎn) 1)加固工作可在不卸載、 不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行; 2 ) 施加預(yù)應(yīng)力可直接減小變形, 迅速消除超逾應(yīng)力和內(nèi)力峰值; 3)與非預(yù)應(yīng)力方式相比,可消除應(yīng)力滯后現(xiàn)象,充分利用 CFRP 的高強(qiáng)特性,提高加固效率。 4)結(jié)合可靠錨固,可降 低粘結(jié)界
6、面的剝離應(yīng)力,避免 CFRP 整體剝落,提高加固的 可靠性; 5)降低加固費(fèi)用和使用成本。 3. 預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固 鋼結(jié)構(gòu)施工工藝及步驟預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)方案可分為 兩種, 一是直接粘貼法, 將 CFRP 兩端錨固并施加預(yù)應(yīng)力后, 通過膠粘劑粘貼在鋼結(jié)構(gòu)的表面;一般適用于構(gòu)件表面較平 整的拉桿,對構(gòu)件或其局部進(jìn)行加固;二是將 CFRP 束作為 預(yù)應(yīng)力拉索調(diào)整應(yīng)力, 一般適用于對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固。 1、選 材用于結(jié)構(gòu)加固用碳纖維主要選用 PAN 基碳纖維, 極限強(qiáng)度可達(dá) 3500Mpa ,彈性模量約為 2.35109Mpa. 樹脂體系采用環(huán)氧類材料。 2、設(shè) 計(jì)根據(jù)待修補(bǔ)結(jié)構(gòu)
7、的受力 特點(diǎn)、傳力路徑和應(yīng)力 -應(yīng)變場,確定 CFRP 布的用量、尺寸 和鋪設(shè)方向等。纖維方向應(yīng)盡量與損傷構(gòu)件中最大受力方向 保持一致。如果損傷部位處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),則纖維取向和 鋪層順序應(yīng)盡量與控制主應(yīng)力方向一致。 3、嵌入式預(yù)應(yīng)力張 拉技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)加固的特殊性,需要一種簡便的預(yù)應(yīng)力施加方 式,傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力施加方式往往是先張拉后錨固,需要相對 復(fù)雜的張拉機(jī)具,以及相應(yīng)的反力裝置。在錨固的時候,預(yù) 應(yīng)力損失也比較大。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù),其特點(diǎn)就是先 錨固后張拉,以構(gòu)件本身和先前的錨固作為張拉受力裝置, 無需復(fù)雜的張拉機(jī)具。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)可分次施加預(yù) 應(yīng)力,可對粘結(jié)層產(chǎn)生擠壓效應(yīng),提高粘貼
8、的可靠性。同時, 因采用先錨固后張拉技術(shù),預(yù)應(yīng)力損失小,方法簡便有效。 錨固及張拉裝置見圖 1: 4、纖維布安裝工藝 1)表面處理: 先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域,清理構(gòu)件表層,用丙酮或 酒精溶液擦洗表面,去除污染物,晾置干燥,用粘結(jié)劑浸潤 表面。(a)安裝前(b)安裝后圖1.錨夾具安裝示意圖2)在 設(shè)計(jì)要求的位置打孔, 應(yīng)遠(yuǎn)離待加固部位以免造成二次損傷; 3)采用擠推法帶膠按圖 1 所示方法安裝纖維布, 將纖維布初 步張緊;待錨固處膠硬結(jié)后第一次施加預(yù)應(yīng)力,將纖維布完 全拉直,此時纖維布與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面留有一定的空隙; 4) 在纖維布表面抹膠,將纖維束間的空隙初步封閉,稍干硬后 進(jìn)行灌膠;
9、5)膠稍干后第二次施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力 (利用擠壓效應(yīng),提高粘貼質(zhì)量) ,用膠將纖維束充分浸透,提高共同工作性能。 6)常溫下 48 小時后(氣溫較低時應(yīng)適 當(dāng)延長時間) ,膠充分硬結(jié)后,割除多余的螺桿,根據(jù)結(jié)構(gòu)的 實(shí)際要求進(jìn)行表面防護(hù)處理。 4.預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固的設(shè)計(jì)與 計(jì)算原則預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)除遵守一般鋼結(jié)構(gòu)加固的 準(zhǔn)則與規(guī)定外,還具有以下的特點(diǎn): 1)進(jìn)行靜力計(jì)算時必須 首先確定一些與調(diào)整應(yīng)力有關(guān)的參數(shù), 例如輔助平衡力大小、 預(yù)應(yīng)力力度、預(yù)應(yīng)力卸載彎矩值、支座標(biāo)高的位移值等;2)要確定調(diào)整應(yīng)力時的合理荷載值或應(yīng)力水平,換言之,要分 析判斷加固結(jié)構(gòu)時是否需要全部卸
10、載,或卸載至某一水平。 在加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)遵守下列原則: 1)加固件與被加 固件皆在材料彈性范圍內(nèi)受力,兩者在荷載下同時達(dá)到材料 的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 2)充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力,加固件的預(yù)應(yīng)力 度可使被加固件的應(yīng)力卸載至其反向應(yīng)力的極值;3 )預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中同樣應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)應(yīng)力加載系數(shù)、 預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、 工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。 5. 結(jié)語預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固鋼 結(jié)構(gòu)與加固砼結(jié)構(gòu)在機(jī)理方面明顯不同,因此,為了使這一 先進(jìn)的結(jié)構(gòu)加固方法更廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐,還存在以下 問題有待于進(jìn)一步研究: 1)鋼結(jié)構(gòu)經(jīng) CFRP 加固后,可視 為廣義的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。不同材料間的粘結(jié)界面是加固后體 系的
11、薄弱環(huán)節(jié),破壞往往產(chǎn)生于此。因此,界面粘結(jié)機(jī)理及 界面粘結(jié)破壞將成為 CFRP 加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究重點(diǎn)。試 驗(yàn)表明,施加預(yù)應(yīng)力和降低粘結(jié)層剛度,加大粘結(jié)層厚度可緩解界面的粘結(jié)破壞,但其函數(shù)關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。2)復(fù)合結(jié)構(gòu)界面力學(xué)性能參數(shù)(如界面剝離破壞強(qiáng)度、剪切破壞 強(qiáng)度)有待于通過試驗(yàn)來測定,但目前的試驗(yàn)方法尚不成熟。3)鋼材與碳纖維均為導(dǎo)電材料,且碳纖維比鋼材具有較高的電位。用粘結(jié)劑粘貼時膠層很薄,且容易存在空隙。當(dāng)鋼結(jié) 構(gòu)表面與碳纖維直接接觸并處于腐蝕性環(huán)境中時,就會發(fā)生 電偶腐蝕。按本文所述的預(yù)應(yīng)力施加方法,可適當(dāng)加大粘結(jié) 層的厚度,提高膠層的飽滿度, 應(yīng)當(dāng)可以避免發(fā)生電偶腐蝕, 但其可靠性尚有待驗(yàn)證。參考文獻(xiàn):1陸賜麟,尹思明,劉錫良?,F(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu),人民交通出版社,北京,2003.2彭福明,郝際平等。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu),工業(yè)建筑,2003年第33卷。3鄭云,葉列平, 岳清瑞。FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展,工業(yè)建筑,2005年第
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