预应力碳纤维布加固混凝土梁的施工工艺对比研究

鉴定・加固・改造

预应力碳纤维布加固混凝土梁的施工工艺对比研究

魏宏强

(广州珠江房地产开发中心　广州　510630)

张　原

(华南理工大学建筑学院　广州　510640)

黄小许

(华工大特种公司　广州　510640)

摘　要:对碳纤维布施加预应力的工具进行了对比和分析,在试验基础上,摸索出一套简单实用的可以应用于实际工程的预应力施加工具。试验结果表明,试验方法简单有效。 关键词:碳纤维布　预应力　加固

COMPARISON BETWEEN CONSTRUCTION PR OCE DURES FOR CONCRETE

BEAMS REINFORCE D WITH PRESTRESSE D CFRP SHEETS

Wei H ongqiang

(G uangzhou Zhujiang Real Estate Development Center C o.Ltd G uangzhou 510630)Zhang Y uan

(Architectural C ollege ,S outh China University of T echnology G uangzhou 510640)Huang X iaoxu

(S pecial Engineering C ompany of S outh China University of T echnology G uangzhou 510640)

Abstract :The prestressing tools for the carbon fiber rein forced polymer (CFRP )sheets are compared and analyzed.And a set of suitable prestressing tools for CFRP sheets has been developed based on the experiment.The experiment result shows that the test method is simple and efficient.

K eyw ords :carbon fiber rein forced polymer sheets prestress rein force

第一作者:魏宏强　男　1977年4月出生　硕士收稿日期:2005-01-20

0　研究的背景及意义

随着生活水平的提高,人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求不断提高,同时由于建筑物使用性能的改变、荷载变化、结构部分损坏以及设计与施工缺陷造成的质量隐患等,需对建筑物进行补强加固处理。多数情况下,采用碳纤维布加固混凝土结构比其他加固方法更有优势,它具有高强高效、施工便捷、耐久性耐腐蚀性好、热膨胀系数低、适用面广、自重轻、不增大结构尺寸等优点[1],因此,研究碳纤维布加固混凝土结构技术具有重要的工程应用价值。但是在碳纤维布的理论研究和实际工程应用中,逐渐发现碳纤维布加固有其固有弊端:

1)强度不能充分发挥,加固效率不高。钢筋的极限应变

取0101,碳纤维布应变值近似于0101(略去碳纤维布的厚度),只占碳纤维布极限应变的10%～20%,碳纤维布的高强特性没有得以充分利用。

2)二次受力对加固效果的影响。进行加固的结构一般

已经承受一定的初始荷载,加固前,原构件截面就会在所承受的截面内力下处于某个初始应力应变状态。普通碳纤维

布没有考虑初始荷载对构件产生的应变,加固效果偏不安全。

对碳纤维布施加预应力后进行加固,可以有效地提高碳纤维布的利用率,同时预应力可以约束混凝土裂缝的过早出现,有利于提高构件的抗剪承载力。由于预应力抑制构件裂缝过早出现,又可以避免在裂缝处出现应力集中而引起碳纤维布在裂缝处出现剥离现象。

1　碳纤维布的预应力施加方法

对碳纤维布施加预应力,首先要选用张拉工具。在对碳纤维布施加预应力后,需要在其上涂刷建筑胶,然后粘贴到梁底。因此预应力碳纤维布的施工工艺和预应力钢筋的施工工艺不同:这种工艺不仅考虑张拉,同时还要考虑涂刷建筑胶,先张拉后粘贴,张拉后利用建筑胶和混凝土之间的粘

09 Industrial C onstruction V ol 135,N o 111,2005

工业建筑　2005年第35卷第11期

结力锚固碳纤维布,类似于先张法预应力混凝土施工;在已经浇筑好的试件上对碳纤维布施加预应力,待建筑胶固化后放松张拉工具,类似于后张自锚法预应力混凝土施工。预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺和普通碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺不同,预应力碳纤维布加固粘贴工艺的要求更高,对碳纤维布施加预应力后,梁的粘贴表面要求平整,而普通碳纤维布加固曲面也可以。预应力碳纤维布加固,同时要考虑张拉,由于碳纤维布这种材料独特的性质,对夹具也有特殊的要求。

目前,预应力碳纤维布加固方法:

1)利用传统的体外预应力施加技术,首先使结构产生一个反向的变形,在结构恢复变形过程中,碳纤维被拉伸,产生预应力。预应力大小根据弹性力学原理计算[2]。

这种方法简单易行,但是不容易控制预应力的大小,并且计算出的预应力值不准确(因为计算的假定是弹性理论,而混凝土产生一定变形后刚度减小),同时预应力不能够施加太大,如果反拱太大,混凝土梁的受压区容易产生裂缝,破坏梁的刚度,降低承载能力。

2)另一种预应力施加方法,是在碳纤维布粘贴到混凝土梁上之前先对其施加预应力(类似于预应力钢板加固的原理)[3]。

这种方法是将钢板(反力装置)用螺栓固定在混凝土梁上,此时,梁端部承受的剪力最大,固定钢板的螺栓对梁本身有一定的损伤,不利于抗剪。

以上两种方法的预应力施加工具比较简单,但是施工工艺相对比较复杂。

3)另外一种施工工艺相对简单,但仅在实验室内操作比较方便[4]。

这种方法是将预应力施加工具固定,对简支梁进行试验,施工方法和试验方法相对进行了简化,操作比较容易,如果实际应用还需要改进。

4)国外也较早进行了试验研究,试验工具比较简单,操作方法也简单易行[5]。

不过预应力施加工具仍以固定形式进行试验,加固时将混凝土梁反放,粘贴碳纤维板的操作可以进行一定的简化,以方便施工。其目的只是进行理论上的研究。

从目前的试验方法看,预应力施加方法都是以实验室内试验为主,没有考虑实际操作的可行性,都是采用某种张拉措施对碳纤维布施加预应力,以方便碳纤维布的粘贴。

2　本试验中的预应力张拉工具

在对碳纤维布施加预应力值后,需要在其上涂刷建筑胶,然后粘贴到梁底。因此预应力碳纤维布的施工工艺和预应力钢筋的施工工艺不同,类似于先张法预应力混凝土施工;同时又类似于后张自锚法预应力混凝土施工;预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺与普通碳纤维布加固钢筋混凝土梁的施工工艺不同,预应力碳纤维布加固粘贴工艺的要求更高,对碳纤维布施加预应力后,梁的粘贴表面要求平整,而普通碳纤维布加固曲面也可以粘贴。

在以往经验的基础上,作者摸索出一套适宜的预应力施加方法,借助于框架梁端柱作为反力支座,同时还要在碳纤维布和梁底之间有一定的工作空间用于涂刷建筑胶,然后在建筑胶终凝前能够使碳纤维布和梁底充分接触,能够粘贴到梁底。考虑到对碳纤维布施加预应力后,其张拉很紧,

如果用一般的夹具在两端夹住碳纤维布施加预应力,因夹具本身具有一定的厚度,当施加的预应力较大时,夹具厚度h也较大,在夹具端部的碳纤维布由于距混凝土梁底高度为hΠ2,不能够完全粘贴到梁底;同时在碳纤维布的两端要求有一定的

锚固长度,一般锚固长度越长越安全,否则碳纤维布在释放预应力时在两端可能会发生剥离破坏,同时在构件承受荷载时也可能因锚固长度不够而发生锚固破坏。为了能够在满足粘贴碳纤维布施工工艺要求的同时还能够满足锚固长度的要求,需要把碳纤维布设计成环形,将预应力夹具(以后简称夹具)放在下面,这样就不用考虑夹具厚度对工艺的影响,同时还能够使碳纤维布和梁底充分接触(图1、图2);夹具中间段可以重复使用。

1-混凝土梁;2-施加预应力碳纤维布;

3-碳纤维布端部的夹具;4-对CFRP施加的预应力

图1　张拉示意一

图2　张拉示意二

两根柱子用于辅助施加预应力;同时也模拟实际情况,根据实际情况设计施工工具,使施工工具在模拟实际情况下进行试验,具有较强的实用价值。预应力施加工具可以放在柱子里面,也可以放在柱子外面。因为试件尺寸的限制,考虑到放在柱子里面,碳纤维布的粘贴长度还要扣除预应力施加工具的尺寸,可能会导致锚固长度的不足。本试验按照预应力施加工具放在柱子外面设计和试验,水平千斤顶对碳纤维布施加预应力,竖直千斤顶对整个装置向上顶升。为了减小张拉装置重量,顶升千斤顶用顶升螺栓代替。

3　碳纤维布粘贴方法

311　应用碳纤维布加固混凝土梁施工方法

第1步:准备加工好的碳纤维布(在梁底粘贴的碳纤维布和U形箍碳纤维布)、建筑胶、量桶、搅拌桶、丙酮、排刷、隔离布、预应力施加工具、泡沫板、夹板、垫板、铁丝、支撑和其他工具。其中隔离布、泡沫板、垫板、夹板按照梁宽和梁长裁成合适的尺寸。

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预应力碳纤维布加固混凝土梁的施工工艺对比研究———魏宏强,等