预张拉CFRP等片材加固混凝土受弯构件张拉技术评述.doc
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1、预张拉CFRP片材加固混凝土受弯构件张拉技术评述第22卷第1期2006年2月结构工程师StructuralEngineersVo1.22,No.1Feb.20O6预张拉CFRP片材加固混凝土受弯构件张拉技术评述高鹏顾祥林张伟平(同济大学,上海200092)提要对近年来国内外学者采用预张拉CFRP片材加固受弯构件的张拉方法进行了总结,分析了不同预张拉方法在研究和实际工程中的应用现状和前景,讨论了张拉控制应力,锚夹具的开发和应用以及预应力损失等影响加固效果的关键因素,指出了有待继续研究的问题.关键词CFRP,锚具,加固,预应力损失ReviewonTensionTechniquesforReinfo
2、rcedConcreteBendingMenbersStrengthened,thPretensionedCFRPSheetsGAOPengGUXianglinZHANGWeiping(TongjiUniversity,Shanghai200092)AbstractStateoftheartoftensiontechniquesforreinforcedconcretebendingnlelTlbersstrengthenedwithpretensionedCFRPsheetsallovertheworldiSreviewed.I11eapplicationofdifferentkindsof
3、tensionmethodsinresearchandengineeringprojectsisanalyzed.Andsomekeyissueswhichwillaffectthebehaviorofrein.forcedconcretebendingmembersstrengthenedwithpretensionedCFRPsheetsobviously,suchasthepretensionstress.anchorageorgripand1OSSofprestress,arediscussed.Tomakefulluseofthiskindofstrengtheningtechniq
4、ueforreinforcedconcretestructures,futureresearchobjectivesareproposed.Keywordspretension,CFRP,anchorage,strengthening,lossofprestress1引言CFRP片材是一种高强度的材料,预张拉可以使CFRP片材的性能得到充分发挥,同时能够进一步改善加固构件的受弯性能,提高构件的耐久性,这使得预张拉CFRP片材加固受弯构件比普通CFRP片材有着相当的优越性而成为最近加固研究的热点.然而选择合适的预张拉方法,满足适用性和经济性的需要,使之能够真正用到实际工程中去,是一个值得探讨的问
5、题.本文在大量文献研究的基础上对现有的预张拉CFRP片材加固受弯构件中的一些关键问题做出分析和总结,并对可能的发展方向做出展望.基金项目:上海市科学技术委员会科研攻关项目(编号:032112060)2CFRP片材的张拉方法2.1反拱法如图1所示,在被加固受弯构件的底部用大型的液压起重设备将梁从底部向上顶起,保持梁向上位移的同时将CFRP布粘贴在梁底,当梁卸荷的时候已经粘贴好的CFRP布便被加上了预应力.这方法适用于各种长度的梁,施工比较便捷,不需要锚具,但需要大型的液压起重设备,同时所加的预应力水平较低,且不易控制,耗用的CFRP材料较多,反拱对梁也有损坏作用,一般较少采用.Structura
6、lEngineersVo1.22.No.1?82?StateoftheArt(a)用液压千斤顶使粱实现反拱(b)粘贴CFRP片材到粱底(c)移去千斤项,对粱卸载实现对CFR.P片材加预应力图1反拱法现场施工工艺2.2独立床张拉法这一方法被国内外多家科研单位广泛采用,如图2所示,在梁的外部做一个独立的工作床,采用后张法的锚具将CFRP片材固定在工作床上并张拉,然后将CFRP片材粘贴到粱底部,等到胶水干了之后将CFRP布放张,锚固后在两端截断_.(a】工作床上锚固并张拉CFRP片材(b)将张拉后crm,片材粘贴到粱底(c)在床两端剪断cFRp片材,转移预应力至粱上图2独立床张拉法现场施工工艺英国的
7、L.C.Hollaway运用这一方法做了一系列的试验,研究了预张拉CFRP板加固钢筋混凝土梁的破坏模式和锚固长度等内容.这套装置在CFRP板两端用了钢板做的夹具来对CFRP板实施固定(图3),再在工作床的一端进行张拉,同时在床的另一端用荷载计记录下荷载大小,张拉完毕后粘贴CFRP板,等到胶水干了用锚栓将CFRP板固定在梁上,并在两端将CFRP板截断(图4).这套装置能将CFRP板张拉到较高的预应力水平,试验中在4.5m的梁上将CFRP板张拉到了极限强度的50%,而且同时能够保证CFRP板的均匀受力,是用工作床进行张拉的经典实验装置.铝垫片钢板图3张拉夹具详图张拉千斤顶张拉架粘接层CFRP板固定
8、支座荷载计蜷一.-图4试验室中工作床法张拉装置详图Meier在2000年对工作床张拉方法进行了革新j,他采用在两端将CFRP布缠绕在3/4的滚轮圆弧上,布的末端用夹具固定在滚轮上,通过转动滚轮来达到CFRP布所需要的预张拉力水平,利用滚轮转动逐渐放松CFRP布以获得不同大小的预张拉力,在梁上将CFRP布按照粘贴顺序分为三个不同预应力大小区域,预应力逐渐减小.到末端的夹具处已基本没有预应力,采用电热设备对胶体加热养护,缩短养护时问(图5).这样CFRP布在跨中有最大预应力,试验中达到了50kN,而在端部的集中应力减小,锚固要求降低,甚至可以不需要机械锚固.l临时螺杆II,Jl/,rc三_/,r,
9、cIl图5Meier分段张拉粘贴法示意图浙江大学的Huangl4J,要日本的华人学者吴智深,Kojim和美国Missouri大学的YuPiyong等也均采用过类似的张拉床法进行过试验研究.独立床张拉法能对多层CFRP片材进行有效的张拉,并且对预张拉力能够有很好的控制,对预应力损失有很好的测量,适宜实验研究.但应用于实际工程将受到很大的限制,需要大型的交通工具来支持,还要工作床和其抬升设备,同时受到现场交通条件的制约,很难操作.2.3构件底环绕布法这一方法也被许多科研人员在实验室里所采?文献综述?83?结构工程师第22卷第1期用,将CFRP布在构件底锚具上环绕一圈,形成闭合的回路,用张拉千斤顶将
10、CFRP布在梁底拉紧,或用普通千斤顶在回路中部将CFRP布顶升绷直,以实现加预张拉力的目的Cs,9.2003年,后勤工程学院飞渭等利用滚轴将预施加应力的CFRP布做成回路的形式,将CFRP布的两个自由端与手扳葫芦及力传感器相连,利用手扳葫芦将CFRP布收紧从而建立预应力,其张拉力大小达到15kN,CFRP布上的预应力达到极限强度的l6%(图6).b廿,b图6梁底环绕CFRP布法预张拉装置l一提升装置2一钢板3一螺栓4一滚轴5一碳纤维布6一央具7一手板葫芦8一挂钩9一力传感器同济大学张坦贤等于2005年用在梁底将CFRP布形成回路并用千斤顶顶升的办法,对CFRP布施加了预应力.这种方法在使用小型
11、液压设备的情况下能够给CFRP布均匀施加张拉应力,适合实验中使用,但是CFRP布做成回路造成了材料的浪费,也不适宜进行大跨度构件的施工,这种方法在实际工程中并不一定可行.2.4构件上张拉法如图7,在梁上设置固定端和张拉端的锚具,在固定端上将CFRP布一端固定,在另一端利用梁上的锚具做反力装置,用张拉设备对CFRP布进行张拉珀J.这种方法只要求很少的人员和轻设备来支持,并且可以用到实际工程中各种长度的梁上,很具有开发价值,因此被众多的科研单位所关注.其中锚具需要很大的刚度,和更小的尺寸,配套的张拉设备宜轻便和小巧.图7梁上张拉法施工工艺Wight等在1995年用自己的装置(图8)作了一系列在梁上
12、张拉CFRP布的试验.CFRP布在300mm宽,575mm高,总长度为5.0m的梁上被张拉到500MPa和600MPa.其中,有效预应力为250MPa,为布张拉强度的20%.布绕在滚轴上有2.5倍滚轴直径长,并粘贴在上面养护三天.预张拉时,布的一端通过滚轴上伸出梁宽尺寸外的螺栓固定在梁上有孔的锚具上,另一端的滚轴和钢绞线相连,梁上的锚具为反力架,由液压装置拉动,当拉到合适位置时同样通过螺栓固定在梁底锚具上;如果有多层布,将各层布进行分层张拉并固定;张拉后养护过程中布上要受反向压力,大约两个星期胶水才完全愈合.这套装置滚轴的固定位置不可调节,所以CFRP布的预张拉力不容易被控制,同时滚轴直径需足
13、够大才能抵抗拉力带来的变形.图8Wight的CFRP布张拉装置2003年Raafat开发出了一套液压张拉设备和锚固装置(图9)J,在这套装置中,在梁上用角钢做固定,然后将CFRP布粘贴在梁底的锚具上,一端为固定端,与梁上的角钢相连接,另一端CFRP布粘贴在一个两侧焊有牵引杆的钢板上,牵引杆被一个大型的液压装置所带动,用梁上的固定角钢做反力架,从而对CFRP布进行张拉,张拉完毕后,固定端锚具留在梁上.实验中,CFRP布上的应力达到了1300MPa,是CFRP布极限强度的40%.图9Raafat张拉装置图2003年,湖南大学彭晖,尚守平等研制出用于预应力CFRP布外贴加固受弯构件的施工机具,这套工
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