纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP橋梁結(jié)構(gòu)加固改造_第1頁
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP橋梁結(jié)構(gòu)加固改造_第2頁
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP橋梁結(jié)構(gòu)加固改造_第3頁
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP橋梁結(jié)構(gòu)加固改造_第4頁
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP橋梁結(jié)構(gòu)加固改造_第5頁
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文檔簡介

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)橋梁結(jié)構(gòu)高性能長壽命加固改造及韌性提升技術(shù)報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論一、背景:橋梁加固的需求與問題橋梁耐久性降低、結(jié)構(gòu)性能劣化、壽命縮短濕熱、酸雨氯離子侵蝕車輛重載10萬座87300 維護(hù)管理費(fèi)用膨脹截至2022年底,我國公路鐵路橋梁總數(shù)超100萬座,數(shù)量位居世界第一我國橋梁基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量龐大,修復(fù)加固工作日益繁重地震災(zāi)害日本:

傳統(tǒng)事后性維護(hù)管理模式!美國:

美國的積壓橋梁修復(fù)需求為1230億美元!年份2037年出現(xiàn)赤字!兆元新建費(fèi)用災(zāi)后修復(fù)費(fèi)用更新費(fèi)用維護(hù)管理費(fèi)用額定費(fèi)用中維護(hù)管理/更新的超出維護(hù)管理預(yù)算超支量巨大,需要有效的解決方案,即縮小龐大的維護(hù)成本*

ASCE:2017年基礎(chǔ)設(shè)施報(bào)告卡FHWA;2015

全國公路、橋梁、交通條件與績效狀況報(bào)告美國有614,387座橋梁,幾乎40%超過50年或更舊截止2016年9.1%存在結(jié)構(gòu)缺陷0-10

years0.7%11-25

years2.2%26-50

years8.2%51-75

years18.0%76-100

years29.2%>100

years41.9%一、背景:橋梁加固的需求與問題可持續(xù)的理念:

同時(shí)考慮當(dāng)今需求和對(duì)未來影響的模式,匯集經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)三個(gè)維度橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性問題:綠色低碳化、耐久長壽命以及安全韌性化三個(gè)維度可持續(xù)的理念經(jīng)濟(jì) 生態(tài) 社會(huì)?

綠色低碳化 ?

耐久長壽命 ?

安全韌性化橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性問題橋梁垮塌震后不可修污染

高能耗舊橋拆除橋墩腐蝕纜索疲勞斷裂工程結(jié)構(gòu)長壽命安全保障 ——

焦點(diǎn)問題工程結(jié)構(gòu)長壽命安全保障—

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基因性問題我國使用

7~25

年的海港碼頭有近90%出現(xiàn)了鋼筋銹蝕海洋環(huán)境下鋼材腐蝕損失每年約6000

億元1.

耐久性不足2.

災(zāi)后可恢復(fù)性不足 3.

抗倒塌性能不足阪神地震大量結(jié)構(gòu)雖未倒塌,但已無法繼續(xù)使用修復(fù)需要長達(dá)1年時(shí)間鋼箍筋屈服后,縱向鋼筋屈曲我國汶川地震造成

650

多萬間房屋倒塌未銹蝕中度銹蝕嚴(yán)重銹蝕早期裂縫出現(xiàn)后加速材料耐腐界面耐腐需要未腐蝕腐蝕后自由端滑移海洋環(huán)境下鋼筋8年銹蝕后面積減小30%以上混凝土鋼筋混凝土表面 粘氧化鐵 結(jié)應(yīng)力位移荷載界面退化后鋼筋-混凝土界面粘結(jié)退化海洋環(huán)境下15年粘結(jié)退化約為50%以上界面退化前鋼筋裂縫出現(xiàn)后,海洋氯離子侵入混凝土,使鋼筋發(fā)生銹脹,引起鋼筋截面積減小、混凝土保護(hù)層剝落、界面粘結(jié)性能退化等一系列問題,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞鋼筋腐蝕截面減小鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化日本阪神地震重建損傷修復(fù)調(diào)查鋼筋混凝土橋墩損傷程度AS=

倒塌A=

非常嚴(yán)重B=

嚴(yán)重C=

輕微D=

無在1995年的阪神大地震中,阪神高速公路遭受到近場強(qiáng)震,導(dǎo)致神戶線嚴(yán)重破壞震后重建修復(fù)調(diào)查過程中,檢查了橋墩的傾斜程度(殘余變形)殘余變形大在嚴(yán)重?fù)p傷的橋墩中普遍存在,不少結(jié)構(gòu)無法修復(fù)或很難修復(fù),鋼箍筋屈服后,縱向鋼筋屈曲同時(shí)也存在于許多輕微損傷甚至無損傷的橋墩。鋼筋混凝土柱(含包裹加固后)試驗(yàn)結(jié)果可恢復(fù)限值(1%h)FRP包裹加固RC柱殘余變形無法定量控制普通RC柱,殘余變形過大且離散基于國內(nèi)外抗震研究的257根RC柱、

109根FRP包裹加固RC柱試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),按照國內(nèi)外抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的混凝土柱有足夠的延性和抗倒塌能力,但絕大多數(shù)試件殘余變形超過1%;另外加固后RC柱的延性平臺(tái)可大幅提升,但殘余變形依然無法定量控制二次剛度比二次剛度比峰值位移處卸載對(duì)應(yīng)的殘余側(cè)移率殘余側(cè)移率(%)樣本號(hào)需要屈服后“正”的二次剛度H

“負(fù)”二次剛度“零”二次剛度“正”二次剛度K1

KK=K1/(

y)^0.5鋼筋混凝土柱等效SDOF抗震性能參數(shù)研究開展100條地震動(dòng)作用下,19.2萬次等效SDOF非線性時(shí)程響應(yīng)分析證明:二次剛度對(duì)結(jié)構(gòu)殘余位移影響最大,但當(dāng)二次剛度比小于0.14之前,地震作用下殘余位移變異系數(shù)依然大于1普通RC結(jié)構(gòu)的二次剛度數(shù)值小且離散性較大,屈服后損傷難以控制RsfCr分布的變異系數(shù)二次剛度Rsf與殘余位移變異系數(shù)Cr分布的關(guān)系Cr

=

殘余位移/最大響應(yīng)位移Rsf>0.14可控制殘余位移變異系數(shù)小于1殘余位移相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域sfR

對(duì)殘余位移的影響最大,而對(duì)峰值位移的影響較小強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)峰值位移的影響最大,對(duì)殘余位移的影響小結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)——屈曲倒塌問題在大變形作用下,外層混凝土剝離和箍筋屈服后,混凝土喪失有效約束導(dǎo)致承載力下降以及縱筋失去約束會(huì)發(fā)生屈曲以及斷裂,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌縱筋屈曲箍筋屈服混凝土剝離箍筋屈服縱筋屈服、斷裂完全倒塌混凝土被約束約束失效名義應(yīng)變混凝土強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度下降關(guān)鍵部位一:梁受彎區(qū)關(guān)鍵部位二:柱塑性鉸區(qū)結(jié)構(gòu)長壽命韌性化加固需求:結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位需要實(shí)現(xiàn)長壽命、高韌性及自感知增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料長壽命:實(shí)現(xiàn)100年以上設(shè)計(jì)壽命增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料韌性化:災(zāi)后可恢復(fù)性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料自感知適應(yīng)技術(shù):全壽命結(jié)構(gòu)病變和災(zāi)變感知一、背景:橋梁加固的需求與問題報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論二、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)及其高性能化種類強(qiáng)度/MPa彈模/GPa密度/g/cm3應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系耐腐蝕性能抗蠕變性能鋼310-20002107.8

差高碳纖維3500-2301.78好高玄武巖纖維2500-80-1202.60好高玻璃纖維1500-70-852.55一般差纖維種類多,

性能各異,可設(shè)計(jì)性強(qiáng)輕質(zhì)高強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化FRP彈性自恢復(fù)性可提升結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性FRP

耐腐蝕性能高于鋼材FRP比鋼有更高的抗疲勞強(qiáng)度玄武巖纖維是解決橋梁結(jié)構(gòu)耐腐及實(shí)現(xiàn)長壽命和高性能的重要選擇玄武巖纖維高性能化關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)過近二十余年技術(shù)攻關(guān),攻克了玄武巖纖維的高性能化、穩(wěn)定化和量產(chǎn)化系列難題,已成為穩(wěn)定、高性能的結(jié)構(gòu)材料,滿足土建交通工程結(jié)構(gòu)的使用需求高性能技術(shù)800℃纖維不粘結(jié) 腐蝕后纖維無坑蝕高強(qiáng)度3000-3500MPa(穩(wěn)定生產(chǎn))>4024

MPa

(實(shí)驗(yàn)室*)耐高溫:>800℃高耐堿:強(qiáng)度保留率>80%穩(wěn)定化理論不同顆粒度多元混配均配理念及理論(國際首創(chuàng))礦石數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)軟件高強(qiáng)纖維混合理論量產(chǎn)低離散率

CV<5%不同礦區(qū)不同礦點(diǎn)大池窯和漏板量產(chǎn)化工藝熔融浸潤長壽命大池窯和漏板技術(shù)年產(chǎn)1000噸突破能耗:碳纖維的十分之一大規(guī)模*WuandChen,FibersandPolymers,2017,18(9),

1796–1803玄武巖纖維的分類與分級(jí)(國家標(biāo)準(zhǔn))玄武巖纖維分類拉伸強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa通用型玄武巖纖維(通用型或普通型)≥2500~<3000≥80~<90高強(qiáng)度玄武巖纖維(高強(qiáng)型)≥3000~<3500≥80~<90≥3500高模量玄武巖纖維(高模型)≥2500~<3000≥90~<100≥100耐堿鹽侵蝕玄武巖纖維(耐堿鹽型)≥80~<90耐高溫玄武巖纖維(耐溫型)≥80~<90玄武巖纖維分類及代號(hào)FRP制品的性能與纖維原絲的性能相差較大制品性能受纖維離散、基體離散、纖維彎曲、固化缺陷等因素影響浸樹脂槽紗軸 集束板中心管

纏絲機(jī)預(yù)熱管成品FRP固化管牽引索盤控制區(qū)功能區(qū)纖維離散玄武巖纖維原絲高性能強(qiáng)度>3000

MPa普通型強(qiáng)度2500

MPa固化隨機(jī)缺陷樹脂離散 纖維彎曲 樹脂浸漬度理論FRP強(qiáng)度1500

MPa(60Vol%) 1.

原絲 2.制備 3.

制品 BFRP筋相比原絲:疲勞蠕變受缺陷、纖維彎曲等綜合因素影響高性能難保證高性能的原絲不一定能生產(chǎn)出高性能、長壽命制品,滿足土木工程應(yīng)用需求實(shí)際強(qiáng)度:800-1600

MPa以普通型2500MPa原絲制備為例100年服役期內(nèi)BFRP性能受內(nèi)外部多重因素的影響B(tài)FRP是由樹脂和纖維組成,其性能和壽命在100年服役期內(nèi)受纖維和樹脂本體性能以及初始復(fù)合缺陷影響,同時(shí)在外部環(huán)境和荷載單一作用以及耦合作用下,還會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)樹脂老化和開裂,界面剝離等問題,導(dǎo)致BFRP性能退化和壽命降低界面剝離樹脂開裂性能下降和壽命降低11001000FRP性能保持率(%)自然狀態(tài)腐蝕環(huán)境動(dòng)/靜荷載動(dòng)/靜荷載+紫外/凍融動(dòng)/靜荷載+腐蝕環(huán)境0.01 0.11-3年10100-300年試驗(yàn)預(yù)測10090807060501E-3外部影響因素1.

外部環(huán)境?

紫外線、凍融、海水、高溫…2.

外部荷載?

疲勞、蠕變、沖擊…3.

外部荷載-環(huán)境耦合?

疲勞-腐蝕、疲勞-凍融…海洋凍融 疲勞BFRP組成及內(nèi)部影響因素纖維纖維-樹脂界面樹脂基體1.

纖維和樹脂纖維強(qiáng)度離散樹脂類型2.

內(nèi)部初始缺陷纖維彎曲界面裂縫、樹脂氣泡…BFRP綜合性能提升——開發(fā)宏-細(xì)-微觀多尺度試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法開發(fā)了模擬百年以上服役全過程的千萬次疲勞/腐蝕后微觀原位觀測和荷載-環(huán)境耦合宏觀分析復(fù)合裝置及材料細(xì)-宏觀評(píng)價(jià)檢測體系疲勞-腐蝕耦合下宏觀原位觀測腐蝕后SEM微觀原位觀測掃描電子顯微鏡(SEM)疲勞加載頭細(xì)觀追蹤先腐蝕,后疲勞,同步觀測解析BFRP試件全壽命快速評(píng)價(jià)檢測體系損傷位置控制微裂紋發(fā)展追蹤技術(shù)裂紋識(shí)別解析方法 寬度長度質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)① 0.5fu滿足2萬次

(低模BFRP)② 0.6fu滿足1萬次

(高模BFRP)性能退化規(guī)律評(píng)估0.6fu0.5fu0.4fu疲勞壽命×103疲勞應(yīng)力(MPa)模擬100年服役(千萬次長周期)微觀原位觀測BFRP試件模擬100年服役宏觀原位觀測 (千萬次長周期)宏觀追蹤千萬次疲勞-長期腐蝕耦合同步觀測解析BFRP綜合性能提升——機(jī)理揭示系統(tǒng)揭示BFRP在不同應(yīng)力等級(jí)下疲勞壽命控制關(guān)鍵因素,以及荷載環(huán)境耦合作用下疲勞性能退化機(jī)理和關(guān)鍵控制因素1.

BFRP疲勞損傷機(jī)理耦合下疲勞強(qiáng)度壽命(纖維離散)長期階段

中應(yīng)力可控(界面退化)長壽命

低應(yīng)力可控(樹脂裂紋發(fā)展)高應(yīng)力纖維斷裂/基體裂紋導(dǎo)致纖維斷裂控制低應(yīng)力基體裂紋穩(wěn)定發(fā)展不造成連續(xù)界面剝離中應(yīng)力基體裂紋引起連續(xù)剝離4.

腐蝕-疲勞耦合性能退化機(jī)理早期破壞

可避免3.樹脂性能退化機(jī)理低應(yīng)力下高性能樹脂性能幾乎不發(fā)生退化初期蠕變大,基體開裂壽命控制因素:界面退化、樹脂延性性能提升關(guān)鍵:界面樹脂2.

BFRP蠕變退化機(jī)理初期受纖維彎曲、內(nèi)部缺陷、樹脂蠕變影響高應(yīng)力纖維破斷,低應(yīng)力下變形穩(wěn)定拉伸強(qiáng)度(MPa)時(shí)間(天)BFRP綜合性能提升——提升技術(shù)提出內(nèi)護(hù)-中阻-外封的多層次增強(qiáng)增韌方法,以及長期蠕變疲勞性能兩階段控制技術(shù)長期蠕變疲勞性能控制基體顆粒增韌和界面控制彈性橡膠顆粒阻止基體微裂紋擴(kuò)展基體微裂紋未增韌環(huán)氧樹脂增韌環(huán)氧樹脂內(nèi)護(hù)(界面)纖維表面增強(qiáng)中阻(樹脂)增韌密實(shí)外封(整體)FRP表面封鎖開發(fā)兩階段蠕變張拉控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)纖維調(diào)直和釋放樹脂初期蠕變關(guān)鍵控制因素:張拉控制應(yīng)力等級(jí)(0.3-0.6fu)張拉應(yīng)力變化幅度(0.1-0.3fu)張拉控制時(shí)間(3-72h)初始張拉速率(100-400MPa/min)開發(fā)橋梁用高性能、長壽命、綠色、高性價(jià)比的BFRP制品類別制備工藝網(wǎng)格橫向纖維 張力控制 連續(xù)成型壓力浸膠縱向纖維 空間定型溫度控制器筋/索/板纏繞纖維壓力浸膠 鋪設(shè)角度控制縱向纖維 溫度控制器網(wǎng)格直筋面向橋梁中的結(jié)構(gòu)材料:鋼筋、箍筋、鋼筋網(wǎng)、鋼纖維,開發(fā)高強(qiáng)度長壽命的玄武巖纖維復(fù)合材料制品板條索實(shí)現(xiàn)了BFRP疲勞、蠕變、耦合環(huán)境下長期性能的綜合提升,通過大量疲勞-腐蝕耦合試驗(yàn)和分析建立了面向性能和壽命的BFRP制品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法BFRP綜合性能提升——提升效果、設(shè)計(jì)方法0.850.750.800.650.700.601010.55100100010000腐蝕后疲勞壽命×103疲勞應(yīng)力4201086100年長期蠕變率滿足要求12蠕變率/%CFRP GFRP AFRP BFRP 鋼絞線2%~3%6%~9%>10%<3%2.5%0.850.800.750.7001000萬循環(huán)次數(shù)實(shí)際1000萬次疲勞數(shù)疲勞強(qiáng)度200萬次疲勞數(shù)據(jù)外推預(yù)測500萬滿足1000萬次疲勞壽命0.9鹽腐蝕后,1000萬次疲勞強(qiáng)度下降率<8%對(duì)照組綜合性能:my

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1可靠度指標(biāo):

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Fd蠕變壽命:3m,n,im

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疲勞壽命:anchordynamic

P

0 環(huán)境影響折減系數(shù):

SF

Pu 提升效果壽命設(shè)計(jì)報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論針對(duì)既有加固技術(shù)存在的壽命短、綜合性能及災(zāi)后可恢復(fù)性不足等問題,研發(fā)了基于FRP的系列橋梁長壽命綜合性能加固技術(shù)三、FRP加固橋梁技術(shù)需求壽命大幅提升問題一:壽命短——既有方法壽命不足問題三:災(zāi)后可恢復(fù)性差變形可恢復(fù)需求:中大震可修

既有方法:殘余變形不可控問題二:綜合性能不足需求:綜合性全面提升既有方法:性能提升單一——報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論錨固防脫落橫向與縱向加固橋墩抗震加固橋面板底部加固

橋面板外側(cè)加固三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)高滲透耐候界面劑混凝土基層強(qiáng)化樹脂纖維布混凝土強(qiáng)化滲透碳纖維布是一種柔性材料,在現(xiàn)場浸漬環(huán)氧樹脂黏貼于橋梁結(jié)構(gòu)表面,施工便捷纖維布種類和性能碳纖維: 3300MPa/230

GPa玄武巖纖維:

2000

MPa

/90

GPa玻璃纖維: 1500MPa/70

GPa三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)加固效果抗彎加固抗剪加固-50500-200 -150 -100 -50050100 150 200Displacement(mm)Load(kN)-100CabonFiberSheet

Warpping-50100150 200Displacement(mm)Load(kN)結(jié)構(gòu)延性提升墩柱加固FRPFRP鋼筋混凝土梁FRP加固混凝土梁承載力提升,控制裂縫-100without

Reinforcement100FRP加固混凝土墩柱500-200 -150 -100 -50 0 50100鋼筋混凝土墩柱05102025高彈模碳纖維布加固高強(qiáng)度碳纖維布加固鋼筋混凝土梁18016014012010080604020荷載(kN)15撓度(mm)施工流程三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)設(shè)計(jì)方法1.

清理混凝土基層,打磨平整2.

加固結(jié)構(gòu)表面涂刷底涂樹脂3.

環(huán)氧膩?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)表面補(bǔ)坑找平4.

加固結(jié)構(gòu)表面涂刷環(huán)氧樹脂5.

充分浸漬并粘貼碳纖維布6.

表面防護(hù)處理、養(yǎng)護(hù)y s 0f,

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受壓加固

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wf抗震加固

《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB50608-2020)》《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T

J22-2008)》《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50367-2013)》抗彎加固高滲透耐候界面劑混凝土基層強(qiáng)化樹脂纖維布混凝土強(qiáng)化滲透在國內(nèi)外大震(阪神地震、汶川地震)后結(jié)構(gòu)抗震加固中發(fā)揮了重要作用五萬座 FRP抗震加固 大地震(M9.0)酒勾川大橋橋墩高35-65m,直徑6-7m三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)脆斷剝落結(jié)構(gòu)表面未整平黏結(jié)強(qiáng)度降低50%導(dǎo)致FRP剝落和脆斷204080 100208641210界面剪應(yīng)力

(MPa)60位置

(mm)未涂底膠涂底膠轉(zhuǎn)向力復(fù)合材料剝離擠壓力復(fù)合材料斷裂碳纖維布加固技術(shù)成熟,已被廣泛應(yīng)用,但部分橋梁加固中依然會(huì)出現(xiàn)碳纖維布脆斷、剝落等“短命”問題原因分析未充分浸漬纖維布 未涂刷底膠防止“短命”問題的對(duì)策嚴(yán)格按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施工工藝施工加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場施工的FRP強(qiáng)度及FRP與混凝土黏結(jié)性能的質(zhì)量檢驗(yàn)把控纖維布浸漬質(zhì)量,或采用預(yù)浸漬成型的碳纖維板,減少現(xiàn)場浸漬工序黏結(jié)面未處理FRP強(qiáng)度降低30~80% 黏結(jié)強(qiáng)度降低20~30%三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)外貼FRP加固系統(tǒng)長期服役時(shí)依然存在FRP力學(xué)性能和FRP-混凝土界面粘結(jié)性能退化的問題原因分析疲勞荷載作用

凍融環(huán)境下FRP及界面黏結(jié)退化Debondingduring

fatigueFatiguebond

failure疲勞黏結(jié)破壞疲勞荷載下界面剝離

疲勞作用后界面黏結(jié)退化自然環(huán)境影響100次200/300次凍融循環(huán)次數(shù) 0次050150 2001.11.00.90.80.71.2拉伸強(qiáng)度彈性模量相對(duì)值100凍融循環(huán)次數(shù)CFRP力學(xué)性能界面黏結(jié)性能三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)采用液體橡膠增韌改性環(huán)氧樹脂0.4 0.5 0.600.0 0.1 0.22468界面剪應(yīng)力

(MPa)0.3滑移

(mm)S-200-0-1S-200-P-1SQ-200-0-1SQ-200-P-1未增韌增韌后200次凍融后界面黏結(jié)性能200次凍融后界面破壞形態(tài)增韌后未增韌纖維布?jí)簵l黏貼FRP端部應(yīng)進(jìn)入無彎矩或較小彎矩區(qū)

抗彎加固

抗剪加固保障外貼加固系統(tǒng)正常使用與長壽命的相關(guān)對(duì)策依據(jù)規(guī)范設(shè)置合理錨固構(gòu)造 ? 對(duì)黏結(jié)樹脂進(jìn)行增韌改性纖維布?jí)簵l錨固FRP錨釘錨固FRP筋布模擬輪壓試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)超高剛度控制現(xiàn)場無需纖維含浸比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能提升11倍疲勞壽命由133萬提升到1526萬次活載下?lián)隙燃庸绦Ч庸虡蛎姘宓钠谛阅芗庸绦Ч庸袒炷亮何灰?mm)荷載(kN)FRP筋布加固碳纖維布加固碳纖板布加固新型FRP筋布施工表面無需前期處理直接安裝,施工中無需涂覆樹脂及擠壓處理三、FRP加固橋梁技術(shù)1.

碳纖維布加固技術(shù)外貼FRP筋布加固橋面板報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論相比于普通砂漿,聚合物砂漿中含有樹脂,與FRP的粘結(jié)性能更好粘結(jié)層較厚混凝土FRP筋/索樹脂層混凝土混凝土混凝土FRP筋/索砂漿樹脂彈性模量小,剪切 FRP表面樹脂與普通砂漿膠變形大,影響粘結(jié)性能!結(jié)力不足,影響粘結(jié)性能!粘結(jié)作用不足混凝土FRP筋/索混凝土內(nèi)嵌式FRP加固:粘結(jié)材料性能是保證FRP與原結(jié)構(gòu)共同工作的關(guān)鍵粘結(jié)材料:樹脂 粘結(jié)材料:普通砂漿 采用聚合物砂漿作為粘結(jié)材料砂漿層膠結(jié)力不足彈性模量遠(yuǎn)大于樹脂聚合物

相比于樹脂,提高了粘結(jié)剛度,剪切變形顯著減小聚合物砂漿膠結(jié)力大于普通砂漿有粘結(jié)加固——嵌入式FRP筋粘結(jié)性能關(guān)鍵問題嵌入式加固方法:FRP筋嵌入與纖維布包裹一體化韌性加固法嵌入FRP筋纖維布包裹通過嵌入縱向FRP筋和纖維布包裹混凝土實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)二次剛度、穩(wěn)定滑移、和縱筋屈曲控制控制混凝土裂縫開展提升結(jié)構(gòu)剛度和承載力實(shí)現(xiàn)二次剛度,提升結(jié)構(gòu)損傷可控能力約束嵌入式FRP筋,防止FRP筋剝離,約束混凝土,提升延性嵌入FRP筋作用纖維布包裹作用混凝土混凝土保護(hù)層切槽錨入FRP筋粘結(jié)材料填充FRP筋粘結(jié)材料類別密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(MPa)彈模(GPa)延伸率(%)CFRP1.61600-3400140-1701.5BFRP2.01300-180050-603嵌入式韌性加固方法——控裂和耐久原理結(jié)構(gòu)裂縫控制和耐久提升嵌入BFRP筋控裂和耐久原理:①

裂縫發(fā)展被高粘結(jié)BFRP筋控制,避免鋼筋腐蝕;②

開裂處腐蝕介質(zhì)對(duì)高耐久BFRP筋強(qiáng)度和粘結(jié)無影響強(qiáng)度保留率服役齡期(年)100%30鋼筋利用高耐久BFRP筋海洋環(huán)境下鋼筋利用高粘結(jié)BFRP筋耗能能力是鋼筋的2倍粘結(jié)應(yīng)力(MPa)0481248 12滑移(mm)1620FRP筋鋼筋粘結(jié)劑剪應(yīng)力粘結(jié)劑對(duì)FRP筋剪應(yīng)力FRP筋對(duì)粘結(jié)劑剪應(yīng)力嵌入式韌性加固方法——損傷可控原理原理:鋼筋屈服后,利用FRP線彈性,產(chǎn)生大于14%的二次剛度,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的殘余變形控制應(yīng)力-應(yīng)變曲線混合配筋鋼筋彈塑性FRP筋線彈性正二次剛度是控制殘余變形的前提但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)二次剛度離散且小于5%,導(dǎo)致殘余變形大材料的二次剛度H

“負(fù)”二次剛度(-5%)“零”二次剛度“正”二次剛度(+5%)K1

KK=K1/(

y)^0.5二次剛度比RsfCr分布的變異系數(shù)殘余位移相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域根據(jù)19.2萬次等效彈塑性單自由度體系非線性時(shí)程響應(yīng)分析結(jié)果:Cr

=

殘余位移/最大響應(yīng)位移可控制殘余位移變異系數(shù)小于1二次剛度比Rsf>14%原因分析二次剛度要求位移普通RC結(jié)構(gòu)混合配筋結(jié)構(gòu)彈性可恢復(fù)避免承載力下降可修復(fù)階段中、大、特大震可修使用階段力 中小震無需修復(fù)極限階段不倒塌穩(wěn)定粘結(jié)滑移有效約束RC殘余變形大殘余變形控制嵌入式韌性加固方法——

延性設(shè)計(jì)原理BFRP箍筋或網(wǎng)格持續(xù)約束纖維布不屈服縱筋不屈曲承載力下降少FRP箍筋持續(xù)約束作用原理:利用線彈性纖維布持續(xù)約束混凝土,避免縱筋屈曲、混凝土壓碎力位移混合配筋結(jié)構(gòu)彈性可恢復(fù)纖維布持續(xù)約束作用普通RC結(jié)構(gòu)鋼筋屈服點(diǎn)大變形下鋼箍筋屈服縱筋屈曲混凝土壓壞承載力喪失鋼筋鋼箍筋鋼箍筋屈服線彈性纖維布鋼筋FRP筋腐蝕下BFRP粘結(jié)強(qiáng)度退化幅度?。ㄤ摻钔嘶黠@)長期持荷下連接滑移穩(wěn)定12108642014010000自由端滑移量/

極限滑移量(%)5000持荷時(shí)間(h)

嵌入式韌性加固方法——FRP筋表面形態(tài)設(shè)計(jì)及粘結(jié)性能

BFRP表面形態(tài)設(shè)計(jì)形式:粘結(jié)性能:交叉纏繞BFRP筋粘結(jié)強(qiáng)度與鋼筋基本持平耗能能力:包絡(luò)面積AFRP筋/A鋼筋>2深肋型交叉纏繞肋型表面噴砂淺肋型單向纏繞肋型(肋距較大)單向纏繞肋型(肋距較小)—

粘結(jié)性能指數(shù)交叉纏繞BFRP筋BFRP-1BFRP-2

鋼筋滑移/mm粘結(jié)強(qiáng)度/MPa1680246滑移(mm)粘結(jié)應(yīng)力(MPa)退化3%對(duì)比件腐蝕1周腐蝕2周腐蝕3周交叉纏繞BFRP筋交叉纏繞BFRP筋光圓BFRP筋A(yù)FRP筋A(yù)鋼筋滑移(mm)退化52%對(duì)比件腐蝕1周腐蝕2周腐蝕3周鋼筋粘結(jié)應(yīng)力(MPa)嵌入式韌性加固方法——

宏觀裂縫控制試驗(yàn)研究表明:嵌入BFRP筋通過粘結(jié)有效限制裂縫發(fā)展,將其控制在鋼筋以外,并有效減小裂縫寬度裂縫分布裂縫寬度嵌入BFRP筋鋼筋鋼筋混凝土梁開展四點(diǎn)彎試驗(yàn)3S163S163B12裂縫寬度(mm)荷載(kN)RC梁BFRP筋正常使用荷載裂縫寬度減少45%考慮BFRP筋表面處理方式:交叉纏繞、深肋、粘砂交叉纏繞

<

深肋BFRP筋

<

粘砂BFRP筋正常使用狀態(tài) 承載能力極限狀態(tài)裂縫深度發(fā)展超過鋼筋鋼筋嵌入BFRP筋裂縫深度限制在鋼筋以外鋼筋RC梁粘砂BFRP筋深肋BFRP筋交叉纏繞BFRP筋裂縫漸細(xì)間距漸減加固梁加固梁鋼筋BFRP筋10090807060504030201000)(kNdoaLMid-span

deflection(mm)理論計(jì)算承載力荷載

(kN)光圓和單向纏繞(疏)BFRP筋:粘結(jié)不足,承載力不足嵌入式韌性加固方法—

承載力和延性控制除控裂效果提升外,高拉伸強(qiáng)度的BFRP筋可在鋼筋屈服后繼續(xù)承載,可大幅提高承載力;其中交叉纏繞和深肋筋粘結(jié)優(yōu)異,承載力超過理論值鋼墊塊非線性混凝土單元(SOLID65)箍筋(LINK180)鉸支座試驗(yàn)研究 有限元模擬RC梁承載力提高45%-90%As/Af=0.48As/Af=1.0As/Af=1.56延性提升30%四點(diǎn)彎加載試件設(shè)計(jì)鋼筋RC梁加固梁推薦配筋比:As/Af=1.0交叉纏繞和深肋BFRP筋:粘結(jié)優(yōu)異,承載力超過理論值5 10 15 20跨中撓度(mm)綜合考慮承載力和延性嵌入式韌性加固方法——耐久性提升通電加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果證明,嵌入的BFRP筋有效限制裂縫深度和寬度,延緩鋼筋銹蝕,其力學(xué)性能幾乎無退化,而鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能退化嚴(yán)重;雙向纏繞的表面處理方式可實(shí)現(xiàn)更高的延性和承載力雙向纏繞BFRP筋與鋼筋混凝土梁對(duì)比BFRP筋表面處理影響位移

(mm)荷載

(kN)鋼筋混凝土梁混配梁下降34%下降3%相同通電時(shí)間下位移(mm)荷載

(kN)光圓BFRP筋雙向纏繞BFRP筋:更高的延性和承載力深肋BFRP筋BFRP筋阻止腐蝕介質(zhì)侵入,延緩銹蝕裂縫寬,鋼筋受侵蝕速率快梁試件梁試件導(dǎo)線10%NaCl溶液水箱銅片直流電源加速腐蝕試驗(yàn)深肋光圓四點(diǎn)彎加載鋼筋RC梁加固梁鋼筋BFRP筋試驗(yàn)與理論研究表明,該加固方法可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的二次剛度,減小殘余變形40%以上,變形能力提升1-2倍,并提出了殘余變形和二次剛度設(shè)計(jì)計(jì)算方法擬靜力試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)方法未加固RC柱纖維布約束柱FRP筋嵌入+纖維布約束未加固RC柱FRP筋嵌入+纖維布約束嵌入式韌性加固方法——

損傷性能控制效果二次剛度y

0.397

K1Ku-S14

0.982

u-B301

0.660

KK

0.977

y

p y21 1p yV

VK

K

29'cpFfFu

1.155

,in

fh1

13kt

纖維布厚度殘余變形R R Ry

=C

1

1

r

R2 H1

SW

2

s

max

1

報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論抗震加固抗彎加固針對(duì)外貼纖維布加固法易剝離問題,綜合增大截面法強(qiáng)度、剛度提升優(yōu)勢,提出FRP網(wǎng)格薄面粘結(jié)橋梁長壽命及高性能加固技術(shù)FRP網(wǎng)格薄面粘結(jié)加固技術(shù)① 開發(fā)高性能網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)一體化技術(shù)② 提出薄面粘結(jié)長壽命界面控制方法③ 建立結(jié)構(gòu)綜合性能、韌性和壽命加固設(shè)計(jì)和施工方法FRP網(wǎng)格加固技術(shù)核心制品:高性能長壽命強(qiáng)節(jié)點(diǎn)FRP網(wǎng)格制備設(shè)計(jì)經(jīng)緯向纖維多層復(fù)合縱向纖維橫向纖維壓力浸膠連續(xù)成型張力控制空間定型溫度控制器一體化連續(xù)化成型13 26極限荷單肢纖維面積(mm2)26載(kN)

5276一體化連續(xù)化網(wǎng)格國外網(wǎng)格38網(wǎng)格性能FRP網(wǎng)格高性能化碳纖維: 2000

MPa玄武巖纖維:

1500

MPa混雜纖維: 1800

MPa優(yōu)于國外先進(jìn)FRP網(wǎng)格制品強(qiáng)度提升25%

?

成本下降60%離散CV<3% ?

效率提升200%剛性節(jié)點(diǎn)雙向受力機(jī)械咬合化學(xué)粘結(jié)、界面摩擦與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高關(guān)鍵技術(shù):界面性能控制4-24h70%抗

100%壓強(qiáng)度齡期28d強(qiáng)度發(fā)展可控速凝劑 絮凝劑樹脂、聚合物砂漿等高性能緩凝控制、水下不分解多功能界面劑滲透強(qiáng)化強(qiáng)界面界面劑橡膠顆粒聚合物耐久性提升普通砂漿抗

1.0壓強(qiáng)度保

0.5留率凍融循環(huán)次數(shù)(凍融循環(huán)耦合氯鹽侵蝕)聚合物砂漿有界面劑粘結(jié)強(qiáng)度粘結(jié)提升3-5倍無界面劑滑移界面強(qiáng)度提升25-45%0 100 200保障100年強(qiáng)度退化<10%增強(qiáng)材料粘結(jié)材料成套技術(shù)FRP網(wǎng)格控裂機(jī)理結(jié)構(gòu)裂縫控制和耐久提升①

剛節(jié)點(diǎn)高粘結(jié)FRP網(wǎng)格發(fā)揮三向約束作用,限制裂縫出現(xiàn)以及發(fā)展②

預(yù)應(yīng)力高粘結(jié)FRP網(wǎng)格三向持續(xù)約束混凝土,混凝土不開裂,鋼筋得到更有效保護(hù)墩柱網(wǎng)格三向約束混凝土變形FRP網(wǎng)格混凝土裂縫被控制微膨脹混凝土主動(dòng)約束控裂效果進(jìn)一步增強(qiáng)綜合性能提升—

宏觀裂縫研究裂縫分布裂縫寬度BFRP網(wǎng)格+PCM開展四點(diǎn)彎試驗(yàn)考慮BFRP網(wǎng)格厚度3mm、5mm正常使用狀態(tài) 承載能力極限狀態(tài)裂縫深度發(fā)展超過鋼筋鋼筋BFRP網(wǎng)格裂縫深度限制在鋼筋以外鋼筋裂縫漸細(xì)間距漸減2Φ10Φ8@1002Φ14BFRP

網(wǎng)格Purebending

spanPurebending

span3mm

BFRP

網(wǎng)格5mm

BFRP

網(wǎng)格

試驗(yàn)研究表明:FRP網(wǎng)格通過界面粘結(jié)有效限制裂縫發(fā)展,將其控制在鋼筋以外,并有效減小裂縫寬度未加固梁 加固梁未加固Purebending

span5mm網(wǎng)格加固3mm網(wǎng)格加固未加固正常使用荷載裂縫寬度減少45%綜合性能提升

承載力和延性研究除控裂效果提升外,F(xiàn)RP網(wǎng)格可大幅提高結(jié)構(gòu)承載力,且通過合理設(shè)計(jì),可以將脆性剪切破環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詮澢茐脑囼?yàn)研究 有限元模擬四點(diǎn)彎加載未加固5mmBFRP網(wǎng)格加固(平行)5mmBFRP網(wǎng)格加固(斜向)5mm網(wǎng)格加固(平行)5mm網(wǎng)格加固(斜向)未加固承載力提高41%-47%通過合理設(shè)計(jì)受剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軓澠茐捻g性提升穩(wěn)定滑移網(wǎng)格提供穩(wěn)定峰值后粘結(jié)滑移提高結(jié)構(gòu)延性網(wǎng)格持續(xù)提供混凝土約束防止縱筋屈曲、結(jié)構(gòu)倒塌FRP網(wǎng)格螺紋筋滑移量粘結(jié)強(qiáng)度FRP網(wǎng)格鋼筋FRP網(wǎng)格是關(guān)鍵聚合物砂漿或地聚物砂漿通過FRP網(wǎng)格(=縱筋+箍筋)薄面韌性加固技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)二次剛度、穩(wěn)定滑移、和縱筋屈曲控制二次剛度縱向網(wǎng)格肢在鋼筋屈服后提供二次剛度應(yīng)變應(yīng)力FRP網(wǎng)格包裹混凝土,產(chǎn)生二次剛度縱筋屈曲控制延性控制研究

—FRP網(wǎng)格有效約束混凝土柱采用FRP網(wǎng)格持續(xù)約束混凝土,擬靜力試驗(yàn)表明延性系數(shù)可提升15%-50%試驗(yàn)研究正常軸壓比條件下延性提高結(jié)果聚合物砂漿BFRP

網(wǎng)格原結(jié)構(gòu)加固后低周往復(fù)試驗(yàn)承載力提升30%延性位移提升47%試驗(yàn)中,1、3、6mmBFRP網(wǎng)格加固后,柱的延性系數(shù)分別提升15%、38%、50%未加固3mmBFRP網(wǎng)格加固基于綜合理論分析和系統(tǒng)加固結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以及1000萬次荷載-腐蝕耦合的試驗(yàn)分析,建立了綜合性能和長壽加固設(shè)計(jì)方法????

=4??0???c

??12??0?4????

??強(qiáng)度、剛度、延性設(shè)計(jì)抗災(zāi)韌性設(shè)計(jì)長壽命設(shè)計(jì)????=

2? +

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??0(疲勞蠕變-腐蝕多因素)0.6疲勞

0.8強(qiáng)度BFRP網(wǎng)格加固1.0未加固材料控制界面控制200萬50年500萬100年1000萬250年循環(huán)次數(shù)位移使用階段殘余位移δR 可修復(fù)限值殘余位移????=?????????

1可修復(fù)范圍????=

2%~3.5%可修復(fù)階段極限階段未加固BFRP網(wǎng)格加固BFRP網(wǎng)格加固MuVu延性系數(shù)μΦuM

(抗彎)Vu

(抗剪)μΦ設(shè)計(jì)方法陸上快速加固法界面處理網(wǎng)格安裝砂漿噴涂抹面收光齡期4-12h最快4h達(dá)到70%抗壓強(qiáng)度最大強(qiáng)度高達(dá)120MPa建議礦渣用量<50%,確保初凝時(shí)>30min粘結(jié)強(qiáng)度>4MPa?

網(wǎng)格搭接措施(非最大彎矩區(qū))搭接長度≥3個(gè)節(jié)點(diǎn)搭接對(duì)接針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)修復(fù)時(shí)間長的問題,開發(fā)FRP網(wǎng)格陸上快速加固法,實(shí)現(xiàn)4-12小時(shí)修復(fù),并形成成套工法?

快速加固材料(地聚物砂漿)抗壓強(qiáng)度70%獲江蘇省交通廳江蘇省公路水運(yùn)工程施工工藝大賽十佳工法,得到全省推廣應(yīng)用原交通部總工程師周海濤評(píng)價(jià):“繼粘鋼板加固、外貼碳纖維布加固后,

FRP網(wǎng)格加固開辟了舊橋加固的新的途徑和方法“陸上快速加固法針對(duì)水下橋墩抗震韌性、耐久性提升難的問題,開發(fā)FRP網(wǎng)格水下無排水加固法,形成了一整套施工工法,并建立了一整套設(shè)計(jì)方法表面處理安裝FRP網(wǎng)格安裝套管灌壓漿體排水回收套管水下無排水加固法?

柱腳處網(wǎng)格宜錨入承臺(tái)?

采用水下不分散砂漿端部FRP網(wǎng)格建議錨入承臺(tái)

(>20倍單肢網(wǎng)格等效直徑)>20D1-3d內(nèi)具有早期強(qiáng)度抗?jié)B系數(shù)≥S20抗蝕系數(shù)≥0.85?

宜采用輕質(zhì)FRP套管用自攻螺絲緊固套筒鎖扣處,并采用密封條封住環(huán)向拼接縫FRP網(wǎng)格加固技術(shù)解決了南京長江大橋雙曲拱橋等結(jié)構(gòu)綜合性能提升和長壽命加固難題FRP網(wǎng)格薄面加固拱肋開裂,鋼筋銹蝕工程挑戰(zhàn):建筑修舊如故,構(gòu)件截面不得明顯增大要求使用壽命長,避免多次翻修拱肋處改造前的大橋南京長江大橋雙曲拱橋加固常州市某橋梁海城市某橋梁南京大學(xué)某宿舍樓宿淮鹽高速橋梁衢州市孫姜大橋FRP網(wǎng)格加固技術(shù)在橋梁、建筑、隧道等領(lǐng)域均得到應(yīng)用,并建立相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)灌溉總渠特大橋工程實(shí)踐濰坊高速橋梁北京地鐵1號(hào)線日蘭高速某橋梁主/參編了國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),對(duì)制品性能要求、設(shè)計(jì)方法、施工指南、質(zhì)量評(píng)定進(jìn)行了規(guī)范。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建立(GB參與起草國標(biāo)/T

36262-2018)部分成果被納入GB

50608-2020、JTG/T

J22其他典型應(yīng)用案例黃茅海大橋?yàn)橹骺?×720m的三塔斜拉橋,塔高254m,邊索塔和中索塔截面分別為直徑18m(壁厚2.0m)和直徑20m的圓環(huán)(壁厚2.3m)施工難點(diǎn):大橋的索塔屬于大體積混混凝土,初期水化放熱和收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂在海洋環(huán)境下容易造成鋼筋銹蝕銹脹主筋和箍筋BFRP網(wǎng)格網(wǎng)格保護(hù)層30或20

mm鋼筋保護(hù)層80

mmBFRP網(wǎng)格有效解決了大體積混凝土控裂和實(shí)現(xiàn)長期耐久提升性IIIIIII懸澆0#塊腹板I橋長1665.8m,最大橋高127m墩底以上20m網(wǎng)格距外側(cè)保護(hù)層厚度

2

cm

網(wǎng)格100*100*5mmI-I

截面 III-III

截面問題:西藏高寒、溫差大、鹽堿化嚴(yán)重、強(qiáng)紫外線,橋梁大體積混凝土開裂和結(jié)構(gòu)鋼筋易受堿鹽侵蝕而產(chǎn)生銹脹,影響結(jié)構(gòu)耐久性和承載力對(duì)策:保持原有設(shè)計(jì),在保護(hù)層里增加BFRP網(wǎng)格提高抗裂技術(shù)優(yōu)勢:① 線膨脹系數(shù)與混凝土接近,變形協(xié)調(diào)② 網(wǎng)格自身高耐久③ 約束混凝土控裂為有效解決復(fù)雜海洋環(huán)境下的大體積混凝土的開裂和抗腐蝕問題浙江寧波-舟山港六橫公路大橋青龍門東西引橋在索塔3m范圍及承臺(tái)側(cè)面增設(shè)一層50*50*3mm的玄武巖纖維復(fù)合材料網(wǎng)格用來抗裂和提升耐久性,凈保護(hù)層為2.5cm索塔3m范圍及承臺(tái)索塔3m范圍及承臺(tái)BFRP網(wǎng)格50*50*3

mm網(wǎng)格距外側(cè)保護(hù)層厚度

2.5

cm內(nèi)部鋼筋BFRP網(wǎng)格 墊塊BFRP網(wǎng)格及墊塊布置示意BFRP網(wǎng)格及墊塊布置示意索塔塔座及承臺(tái)BFRP網(wǎng)格布置范圍BFRP網(wǎng)格BFRP網(wǎng)格BFRP網(wǎng)格BFRP網(wǎng)格BFRP網(wǎng)格西錨碇陰影部分布置網(wǎng)格網(wǎng)格距外側(cè)保護(hù)層厚度2

cm獅子洋大橋設(shè)計(jì)為2180米單跨吊雙層桁架梁懸索橋,上下兩層可達(dá)到雙向16車道為有效解決復(fù)雜海洋環(huán)境下的大體積混凝土的開裂和抗腐蝕問題,獅子洋大橋東、西錨碇四周增設(shè)了一層50*50*3mm的BFRP網(wǎng)格用來抗裂和提升結(jié)構(gòu)耐久性,凈保護(hù)層為2

cm50*50*3

mmBFRP網(wǎng)格及墊塊布置示意BFRP網(wǎng)格搭接示意圖報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式韌性加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論FRP預(yù)應(yīng)力加固體系體外筋加固嵌入式索加固粘貼板加固4.FRP預(yù)應(yīng)力加固方法:開發(fā)了FRP板/筋/索/網(wǎng)格預(yù)應(yīng)力加固成套技術(shù)通過端部應(yīng)力主動(dòng)分散及均勻化技術(shù)創(chuàng)新,解決了錨固應(yīng)力集中關(guān)鍵難題提出剛度、強(qiáng)度、延性、可恢復(fù)性及壽命綜合提升預(yù)應(yīng)力加固原理及方法蠕變斷裂應(yīng)力CFRP

0.70fuBFRP

0.54fuAFRP

0.50fuGFRP

0.29fu

(不適合)預(yù)應(yīng)力鋼絞線0.8fu?無粘結(jié) 體外、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋索板布端部應(yīng)力均勻化剪應(yīng)力傳遞長度

實(shí)現(xiàn)端部應(yīng)力主動(dòng)分散、應(yīng)力大幅下降多次放張;應(yīng)力梯度控制?有粘結(jié) 預(yù)應(yīng)力布、板外貼;預(yù)應(yīng)力筋/索嵌入式關(guān)鍵技術(shù)1:粘結(jié) 關(guān)鍵技術(shù)2:端部應(yīng)力均勻化聚合物砂漿

FRP筋/索針對(duì)樹脂彈性模量小、剪切變形大的問題,提出聚合物砂漿用于NSM加固關(guān)鍵技術(shù)1:錨固關(guān)鍵技術(shù)2:體外預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向0-40-80-1200 100 200顯著減小錨固區(qū)應(yīng)力集中,提高

錨固效率 轉(zhuǎn)向塊 轉(zhuǎn)向區(qū)應(yīng)力集中FRP筋)分步放張技術(shù)針對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP粘結(jié)加固中的端部應(yīng)力集中問題,提出了分步放張技術(shù)分步放張后,F(xiàn)RP端部應(yīng)力小,能夠有效避免端部剝離對(duì)稱軸900預(yù)應(yīng)力F對(duì)稱軸400預(yù)應(yīng)力5001/2F分2次放張(B5-30-2)F對(duì)稱軸400預(yù)應(yīng)力250250F2/3F1/3F分3次放張(B5-30-3)一次放張(B5-30-1)TT-????T-2????梁底二次錨固、放張三次錨固、放張……T-n????=0端部跨中一次錨固、放張

有粘結(jié)加固——端部應(yīng)力集中關(guān)鍵問題 預(yù)應(yīng)力纖維布外貼加固工藝

tf混凝土構(gòu)件1.

預(yù)張拉不含浸纖維布2.

粘結(jié)和養(yǎng)護(hù)粘結(jié)材料(環(huán)氧)

tf:預(yù)應(yīng)力-

c

tf

tf有效提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能、承載力和耐久長壽命性能01002003.

剪斷釋放端部纖維布截面應(yīng)力分布60050040030002012040

60

80

100D

isplacem

ent(mm)Load(kNN

orm

alPC

beam

3

layersPFS

33

-prestressed

3

layers

PFS45

-prestressed

3

layers

PFS有粘結(jié)加固——預(yù)應(yīng)力纖維布外貼加固解決方案一采用預(yù)應(yīng)力PBO纖維布或玄武巖纖維能量吸收增強(qiáng)效果針對(duì)碳纖維布不易直接張拉的問題干絲強(qiáng)度僅為FRP強(qiáng)度的30%,難以直接張拉含浸樹脂硬化后可張拉,但界面強(qiáng)度低及界面處理工藝復(fù)雜預(yù)應(yīng)力纖維布外貼加固技術(shù)2040608010005202510 15Displacement

(mm)Load(kN)With

non-prestressed

1layerarbonBasaltand3layers

cfiber

sheetsWithoutfiber

sheets增強(qiáng)效果With33%-prestressed1layerBasaltand3layerscarbonfiber

sheets混雜纖維布碳纖維布混雜纖維布 0混雜纖維布性能PBO纖維布 玄武巖纖維布解決方案二采用預(yù)應(yīng)力混雜纖維布日本秀天橋長壽命預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)在國內(nèi)、日本、北美、歐洲等地成功推廣有效解決了結(jié)構(gòu)抗裂、剛度和承載能力、長壽命的綜合提升(經(jīng)歷20年以上)0501001502002503000510152025荷重(kN)変位(mm)未暴露-1未暴露-21年暴露-11年暴露-2早期現(xiàn)場暴露長達(dá)10年預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)效果幾乎無損失24h快速施工工法加固后效果預(yù)應(yīng)力FRP外貼加固技術(shù)應(yīng)用施工前施工后該工程工期短、加固效果好被日本

Construction

雜志封面報(bào)道長野縣道路交通橋FRP板FRP板錨具預(yù)應(yīng)力FRP板外貼加固技術(shù)特點(diǎn)有效提升病危橋梁的承載力張拉噸位大,加固效果好加固系統(tǒng)重量輕,對(duì)原結(jié)構(gòu)增重小FRP板性能穩(wěn)定,避免了外貼纖維布加固對(duì)施工工藝要求嚴(yán)格的缺點(diǎn)加固系統(tǒng)外置,受環(huán)境影響較大有粘結(jié)加固——預(yù)應(yīng)力FRP板外貼加固類型密度(g/cm3)抗拉強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)等規(guī)格價(jià)格預(yù)應(yīng)力損失BFRP板2.151000-140050-55360元/平米小CFRP板1.651800-2800140-1601000元/平米較大預(yù)應(yīng)力水平開裂屈服極限延性系數(shù)未加固12104.4120.95.435%42159.8185.23.3345%50161.3188.43.2355%57177.3194.83.18預(yù)應(yīng)力水平越高,被加固結(jié)構(gòu)開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均相應(yīng)增加預(yù)應(yīng)力水平較高的試件延性有一定降低0408012016020024004016020080 120跨中撓度(mm)荷載(kN)未加固35%55%預(yù)應(yīng)力BFRP板加固45%預(yù)應(yīng)力FRP板外貼加固——不同預(yù)應(yīng)力水平下的抗彎性能預(yù)應(yīng)力FRP板加固混凝土梁抗彎試驗(yàn)FRP板結(jié)構(gòu)膠錨具04080120200160

240040200跨中撓度(mm)BFRP

板加固梁

,)kN荷載(承 載 力 超 過CFRP

板的

85%價(jià)格僅為1/3。BFRP

板加固梁延性、裂縫控制更好,承載力波動(dòng)性小等截面FRP板(50mm*2

mm)市場價(jià)(元/m2)CFRP板(高強(qiáng)I級(jí))1000BFRP板(高強(qiáng)I級(jí))36004080120160200240040 80 12016020033.1%14.5%跨中撓度(mm))kN荷載(等截面BFRP板加固CFRP板加固未加固等截面板條效果對(duì)比(與碳板加固相比) 等剛度板條效果對(duì)比(與碳板加固相比)等剛度FRP板種類(50*2mmvs

50*5mm)市場價(jià)(元/m2)CFRP板(高強(qiáng)I級(jí))1000BFRP板(高強(qiáng)I級(jí))600等剛度BFRP板加固CFRP板加固未加固54.5%BFRP板加固梁延性、裂縫控制效果更佳,

承載力波動(dòng)性更小等剛度加固,

B

、CFRP板加固梁承載力接近預(yù)應(yīng)力FRP板外貼加固——B、CFRP對(duì)比荷載(kN)跨中撓度(mm)荷載(kN)80 120 160跨中撓度(mm)國內(nèi)首次應(yīng)用BFRP板加固橋梁底板(鹽洛高速)豎向裂縫海洋環(huán)境下的鹽洛高速公路箱梁橋首次采用預(yù)應(yīng)力BFRP板外貼主動(dòng)加固技術(shù),有效解決了箱梁的使用、安全和壽命綜合提升的難題,相對(duì)碳板加固成本節(jié)約30%工程病害: 加固后底板開裂、撓度增大、承載性能下降橫向裂縫預(yù)應(yīng)力FRP板外貼加固——工程應(yīng)用特點(diǎn):適用于對(duì)凈空和防火有特殊要求的結(jié)構(gòu)FRP筋埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,能有效避免火災(zāi)、撞擊等外部因素造成的FRP筋損傷可用于負(fù)彎矩區(qū)加固混凝土梁張拉張拉中部注入高剛度樹脂F(xiàn)RP筋張拉裝置與FRP筋的連接裝置粘結(jié)材料FRP筋預(yù)設(shè)溝槽有粘結(jié)加固——預(yù)應(yīng)力FRP嵌入式(NSM)加固技術(shù)嵌入式FRP加固有效提高被加固構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載及極限承載力聚合物砂漿表面加固層可進(jìn)一步提升嵌入式FRP的加固效果,同時(shí)構(gòu)件延性、承載力等有大幅提升界面2埋入層-混凝土界面界面3混凝土表層界面4表面加固層-混凝土界面聚合物砂漿表面加固層界面1FRP-埋入層界面聚合物砂漿埋入層筋材表面涂刷環(huán)氧樹脂,混凝土凹槽與筋材的間隙填充聚合物砂漿,可保證良好的界面性能0501001502000105020 30 40跨中撓度(mm)荷載(kN)界面2

剝離有表面加固層嵌入式FRP加固:界面3剝離未加固普通嵌入式FRP加固預(yù)應(yīng)力FRP嵌入式(NSM)加固技術(shù)——內(nèi)嵌式加固結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力FRP內(nèi)嵌式加固破壞界面

抗彎試驗(yàn)中的荷載撓度曲線外嵌式FRP加固梁抗彎性能試驗(yàn)外嵌式FRP加固避免了對(duì)原結(jié)構(gòu)的開槽處理,對(duì)被加固構(gòu)件開裂、鋼筋屈服以及極限荷載均有明顯提升為解決內(nèi)嵌式加固技術(shù)表層埋入接觸面積小、FRP端部應(yīng)力集中的問題,提出預(yù)應(yīng)力外嵌式FRP加固混凝土聚合物砂漿FRP筋環(huán)氧樹脂纖維布U型箍無加固RC梁荷載(kN)跨中撓度(mm)加固后PC梁加固后RC梁無加固PC梁預(yù)應(yīng)力FRP嵌入式(NSM)加固技術(shù)——外嵌式加固結(jié)構(gòu)外嵌式的概念傳統(tǒng)錨固方法切口效應(yīng)明顯基于同源材料的FRP板夾片式錨具現(xiàn)場施工不便、作業(yè)時(shí)間長錨具效率系數(shù)90%以上解決既有FRP單筋/小噸位拉索長期性能不足、錨固周期長、現(xiàn)場可加工性差的問題粘結(jié)式現(xiàn)場施工不便、固化時(shí)間長摩擦式金屬夾片式Steel

sleeveExpansive

materialsCompressionorsoft

metalcableFRP

P

Friction

PcableSteel

sleeve

Bond

stressAdhesive

Bond

stressFRPloadtransfercomponentBondingWedge

actionFRP

P

cableSteel

sleeveBFRP筋錨杯變剛度夾片錨杯變剛度夾片BFRP板無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力加固中,F(xiàn)RP筋的錨固端應(yīng)力大無粘結(jié)加固——預(yù)應(yīng)力FRP筋錨固問題預(yù)應(yīng)力FRP筋同源一體化錨具轉(zhuǎn)向塊化錨具轉(zhuǎn)向區(qū)應(yīng)力集中錨固端應(yīng)力大原結(jié)構(gòu)與FRP筋變形不協(xié)調(diào)050000050010020040011(MPa)fuf'Rd/Rp有限元 Dolan

王鵬0500100015002000BFRP

CFRP)(MPafuf'FRP筋種類有限元Dolan王鵬轉(zhuǎn)向半徑對(duì)轉(zhuǎn)向區(qū)應(yīng)力影響顯著優(yōu)化分析結(jié)果:

轉(zhuǎn)向半徑R=200筋直徑接觸位置沿FRP筋縱向的接觸位置便于檢測和更換減小摩擦損失結(jié)構(gòu)延性高充分發(fā)揮FRP的耐腐蝕優(yōu)勢同源一體

優(yōu)勢存在的問題針對(duì)問題1:闡明研究轉(zhuǎn)向區(qū)FRP筋力學(xué)性能規(guī)律無粘結(jié)加固——體外預(yù)應(yīng)力FRP轉(zhuǎn)向區(qū)應(yīng)力集中問題轉(zhuǎn)向區(qū)破壞時(shí)直線段應(yīng)力三維精細(xì)化有限元參數(shù)化分析結(jié)果BFRPCFRP不同轉(zhuǎn)向半徑由于彈性模量較小,BFRP筋轉(zhuǎn)

區(qū)

時(shí)

應(yīng)

與CFRP筋接近轉(zhuǎn)向區(qū)破壞時(shí)直線段應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)承載力、剛度、抗裂性、延性、韌性等綜合性能提升!體外預(yù)應(yīng)力FRP加固——抗彎性能Load

(kN)加載裝置示意圖(跨度5m)荷載-撓度曲線作動(dòng)器荷載1200mm分配梁50BFRP(2φ10)鋼絞線(2φ8)屈服荷載 極限荷載↑↑

1.1倍 1.4倍開裂荷載↑

4.5倍 未加固梁96mm42mm40 90 140Mid-spandeflection

(mm)混凝土梁40破壞形態(tài)3020鋼絞線:破壞時(shí)塑性變形,結(jié)構(gòu)殘余變形大(96mm)100-10190FRP筋:線彈性,結(jié)構(gòu)殘余變形?。?2mm)試驗(yàn)參數(shù):預(yù)應(yīng)力筋種類(BFRP、鋼絞線)預(yù)應(yīng)力值(40kN、50kN)混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C40、C60)10.980.960.940.920.90 50荷載保留率100

150

200時(shí)間

(天)預(yù)應(yīng)力鋼絞線同源材料夾片-FRP筋長期滑移小于0.1mm能夠長期、穩(wěn)定地提供錨固力夾片夾片夾片時(shí)間(天)滑移(mm)能夠保證體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的長期服役性能!體外預(yù)應(yīng)力FRP加固——長期持荷性能BFRP松弛率僅為2.6%,且彈性模量低,長期預(yù)應(yīng)力損失比鋼絞線低15%預(yù)應(yīng)力BFRP筋短期性能設(shè)計(jì)方法長期性能設(shè)計(jì)方法預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力增量預(yù)應(yīng)力筋偏心距損失有效模量法計(jì)算簡圖最終截面曲率變化值預(yù)應(yīng)力損失值正截面受彎承載力其中,針對(duì)問題3:考慮筋與結(jié)構(gòu)變形的不一致性,基于

筋-梁整體變形協(xié)調(diào)模型和塑性破壞機(jī)理,建立體外預(yù)應(yīng)力FRP加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法體外預(yù)應(yīng)力FRP加固——設(shè)計(jì)方法體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力筋布置圖CFRP拉索加固能達(dá)到和高強(qiáng)鋼拉索加固相近的承載力、剛度體外預(yù)應(yīng)力FRP加固——日本體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋人行工程應(yīng)用總體圖主跨75m6根12.5mm直

徑CFRP筋寬3.6m體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋體外預(yù)應(yīng)力筋撓度(mm)荷載(kN)2040 60撓度(mm)8010020406080100鋼絞線CFRP...

.370700頂部鉆孔無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力BFRP筋既有混凝土橋墩抗災(zāi)韌性提升加固法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力BFRP筋在不干擾上部結(jié)構(gòu)的位置鉆孔優(yōu)勢:避免阻斷河道和水下作業(yè)施工安全,工期短、加固成本低抗災(zāi)韌性提升BFRP絕緣性好,不會(huì)引起觸電事故列車底部粘結(jié)材料錨固無粘結(jié)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力FRP筋加固——工法試驗(yàn)表明,預(yù)應(yīng)力FRP筋能夠提高普通混凝土橋墩的承載力和延性,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷可控和自回復(fù)性采用實(shí)際結(jié)構(gòu)的1/3大小的縮尺模型,進(jìn)行往復(fù)水平加載往復(fù)荷載預(yù)應(yīng)力FRP筋加載現(xiàn)場減小了殘余變形加固后加固前無粘結(jié)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力FRP筋加固——抗震性能滯回曲線加載裝置及實(shí)物圖報(bào)告綱要一、背景:橋梁加固的需求與問題二、FRP及其高性能化三、FRP加固橋梁技術(shù)(高性能-長壽命-韌性化)碳纖維布加固技術(shù)嵌入式韌性加固技術(shù)FRP網(wǎng)格加固技術(shù)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)智能FRP加固技術(shù)四、結(jié)論土木工程監(jiān)測要求前提同時(shí)具備動(dòng)態(tài)大范圍分布長期穩(wěn)定耐久

關(guān)鍵部位一:梁受彎區(qū)關(guān)鍵部位二:高精度柱塑性鉸區(qū)關(guān)鍵部位三:地質(zhì)滑坡及沉降關(guān)鍵部位四:拉索受拉區(qū)

comp

sys

1

i

S

comp

i

N

i

m

智能FRP加固技術(shù)——原理與制備制備原理:以玄武巖纖維復(fù)合材料為基材,結(jié)合內(nèi)置動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變傳感單元,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)自感知制備技術(shù):智能FRP筋/索/板/網(wǎng)格工業(yè)化制備溫度控制器纖維增強(qiáng)芯線纖維芯線封裝無滑移長標(biāo)距增敏玄武巖纖維增強(qiáng)典

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