浅析预应力加固混凝土结构技术
2015-07-23
为了更加充分而合理地利用FRP高强度的特点，取得更好的加固效果，进行预应力加固是有效的途径。预应力加固的构件在承受荷载之前FI冲就已经发挥了相当的强度，既有效地利用了FRP的高强度，又能抑制构件的变形和裂缝的发展，从而解决FRP强度与弹性模量比值高的问题。
目前，碳纤维(CFRP)布由于其优异的力学性能，已被广泛用于结构加固领域，并且国内外一些学者开展了预应力碳纤维布加固混凝土受弯构件的技术研究工作。但因为碳纤维布的抗剪强度低、抗冲击强度差，延性和柔韧性较差，在张拉过程中容易出现纤维丝断裂现象，使得施加的预应力不能超过其极限强度的30％，预应力水平较低。
另外，碳纤维(CFRP)筋具有高强、低松弛的特性，能减小预应力损失，是较理想的预应力加固材料。但由于CFRP筋抗剪强度低，用于体外预应力结构中不宣布置成折线型。为此，国内某题组进行了体外预应力碳纤维筋局部加固混凝土梁的力学性能研究。同时，为了解和改善体外预应力CFRP筋加固混凝土结构的抗震性能，初步进行了碳纤维筋预应力纤维混凝土梁的抗震性能研究。
1预应力芳纶纤维布永久锚具及锚固方式
根据纤维布抗剪强度低的特性，结合预应力锚具应具有构造简单、加工制作方便、现场施工方便的要求，该课题组借鉴国内外关于纤维布锚具的最新研究成果和工程实践，开发出了适合钢筋混凝土受弯构件加固的预应力AFRP布平板式锚具及其锚固方式（图2）。该锚具不仅可以对AFRP布施加高水平预应力(≥1600Pa)，而且可以实现纤维布与加固构件的充分粘结，有利于工程应用和推广，具有实用性、可行性。其加固施工工艺是：将纤维布在张拉之前先用环氧树脂将其两端粘贴在平板式锚具上，待树脂完全固化后，将锚具安装到固定支架上，然后以加固构件上的固定支架为反力架对其进行张拉，张拉完毕后将锚具锚固在支架上，并将纤维布通过环氧树脂粘贴到加固构件上，使其通过粘结力与加固构件共同工作。
2预应力AFRP布的应力松弛损失
由于目前缺乏预应力水平及温度对芳纶纤维布应力松弛损失影响的试验数据，进行了9个预应力AFRP布试件的应力松弛损失测定，部分试验结果比较如图4所示。
3预应力AFI冲布加固混凝土梁的受弯性能
非预应力AFRP布加固梁的梁端粘贴两道100mm宽的AFRP布U形箍进行锚固，以防止纵向AFRP布在梁端发生早期脱粘破坏。预应力AFI冲布加固梁的工艺是：先在AFRP布的两端安装锚具，在梁上安装永久固定支架，然后打磨梁底混凝土、涂刷底胶，底胶硬化后将AFRP布固定端锚具与梁上的固定支架连接，在梁底涂刷粘结树脂胶，将AFRP布的张拉端锚具安装到固定支架上。以梁上固定支架为反力架对AFRP布进行张拉，达到张拉控制应力后将张拉端锚具固定在支架上，在AFRP布外侧再次涂刷粘结树脂胶，使其与梁底混凝土充分粘结，最后进行粘结树脂胶养护。
预应力加固梁的破坏形态以纤维布拉断、受压区混凝土完好为主要破坏形态，即预应力梁的破坏由AFRP布发生断裂破坏所控制。
4 试验梁的受弯试验研究表明
1)非预应力芳纶纤维布加固的钢筋混凝土梁与未加固的基准梁相比，极限弯矩明显提高，屈服弯矩有所提高，开裂弯矩提高不明显；
2)预应力芳纶纤维布加固的钢筋混凝土梁与未加固的基准梁相比，开裂弯矩显著提高，屈服弯矩与极限弯矩明显提高；
3）预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁的初始抗弯刚度与基准梁基本相同，开裂后的抗弯刚度明显提高；
4)预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁的延性比基准梁和非预应力芳纶纤维布加固梁低；
5)预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力，随着AFl冲布配置量的增加而增大，但呈非线性比例关系；
6)预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁的开裂弯矩和屈服弯矩，随着AFRP布预应力水平的提高而增大，但呈非线性比例关系；AFRP布的预应力水平对加固梁的极限弯矩影响很小。
5预应力AFRP布加固混凝土梁的受剪性能
研究表明：
1)预应力芳纶纤维布加固的钢筋混凝土梁与非预应力芳纶纤维布加固的基准梁相比，开裂荷载显著提高，屈服荷载与极限荷载明显提高；
2)预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁的初始刚度与非预应力芳纶纤维布加固梁的初始刚度基本相同，开裂后的刚度明显提高；
3)预应力芳纶纤维布加固的钢筋混凝土梁，当发生剪切破坏时，其延性与基准梁相差不大；
4)在梁底进行预应力芳纶纤维布加固和在剪压区进行芳纶纤维布抗剪加固的钢筋混凝土梁，其延性因加固梁不在发生剪切破坏而有所提高；
5)预应力芳纶纤维布加固的钢筋混凝土梁，其抗剪承载力随着AFRP布预应力水平的提高而增大。
6 温度对AFRP布配套粘结材料的力学性能影响研究
在实际加固工程中，纤维布加固的混凝土结构常处于日照环境下，在炎热的夏季，其表面温度较高。当使用环境的温度超过一定程度时，纤维布的配套粘结材料将会出现软化现象，导致其粘结强度降低。在预应力纤维布加固结构中，软化现象会使粘结材料产生塑性变形，引起预应力损失。为了掌握温度对芳纶纤维(AFRP)布配套粘结材料的力学性能影响。
7 结语
通过对带永久锚具的预应力芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁与未加固的基准梁相比，开裂荷载显著提高，屈服荷载、极限荷载明显提高；其初始抗弯刚度与基准梁基本相同，开裂后的抗弯刚度明显提高。如果混凝土梁中掺有粗合成纤维，能明显增加梁的后期耗能和延性，对结构抗震十分有利。
