波形齿系统及其预拉CFRP带体外加固混凝土T形梁抗弯性能试验研究

【摘要】： 经树脂类材料粘结的碳纤维形成的复合材料(CFRP)因强度高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等优点而在航天、航空以及土木工程中具有良好的发展空间和应用前景。因此CFRP材料很快就引入了结构加固领域并迅速得到广泛应用。普通粘贴非预应力CFRP材料因其剥离以及应力滞后问题使其不能充分发挥CFRP材料的高强性能;目前大多数的逐层张拉粘贴预应力CFRP材料的加固方法因其逐层张拉并需打磨构件表面施工周期长,致使无法实现快速加固。为了克服以上问题并实现快速加固本研究小组发明了一种波形齿,通过一系列的试验发现:波形齿既能对CFRP带进行锚固成为波形锚具,又能实现对CFRP带的横向张拉,从而成为波形齿夹具。为了提出波形齿锚具体系与夹具体系相关设计参数以及以波形齿体系为基础的体外无粘结预应力CFRP带的加固技术,本文设计了以下三类试验: ①1m左右长的CFRP带两端用波形齿锚具或平钢板锚具锚固的若干构件,将该类构件在万能试验机上进行锚具锚固性能拉伸试验; ②以钢梁为台座模拟波形齿夹具横向张拉CFRP带的试验; ③利用波形齿实现横向张拉CFRP带的体外预应力加固技术对四根完全相同的7米跨度的T形截面梁进行加固(梁侧加固三根梁其中一根梁考虑二次受力影响;梁底加固一根梁);利用普通粘贴非预应力CFRP的加固技术对另一根梁进行(加固前与前四根梁完全相同)加固。然后对加固后的五根梁进行加载试验。 用通用三维有限元分析程序ABAQUS对预应力加固梁进行了非线性分析。通过对以上三类试验的数据并结合相应的受力状态以及非线性分析结果进行分析,得出以下结论: ①通过对拉伸试验及加固混凝土T形梁中的波形齿锚具的数据分析得出以下结论: 1)对拉伸试验数据进行分析实现锚固长度计算公式中参数的量化。 2)有粘结型与无粘结型波形齿锚具的试验数据表明,波形齿锚具是以第一排螺杆轴力增量为主来增大摩擦力实现可靠锚固CFRP带;在设计波形齿锚具体系时,第一排螺杆验算时的总轴力和总剪力值可取CFRP带极限强度的80%,其余排螺杆验算时的总轴力和总剪力值可取CFRP带极限强度的70%。 3)波形齿锚具能可靠锚固CFRP带直至CFRP带拉断而无滑移。 ②钢梁台座以及加固混凝土T形梁中的波形齿夹具的数据分析得出以下结论: 1)利用波形齿夹具对CFRP带进行横向张拉,CFRP带建立的预应力值能满足加固所需的预应力水平。 2)提出在利用波形齿夹具对CFRP带进行横向张拉时的设计阶段,应对CFRP带的理论伸长值进行修正,针对折叠层数为12层以内时其理论伸长值的折减率可取0.45,若无拉直措施或波形夹具未压实时可适当减小其折减率。 3)波形齿夹具的配套螺杆进行设计时,在张拉阶段,螺杆总轴力取4倍CFRP带预拉力值,且各螺杆平分该总轴力;而在加载阶段,承受的轴力主要由波形齿两端的两排螺杆来均分,此时其总轴力取CFRP带极限抗拉力扣除预拉力值之后的1.5倍。张拉阶段,其总剪力可取CFRP预拉力值的20%;加载阶段,其总剪力值取CFRP带极限抗拉力扣除预拉力值后的80%。两阶段CFRP带拉力大的一侧第一排螺杆承担其剪力的80%,其余的剪力由其余的螺杆均分。 4)用波形齿夹具对CFRP带进行横向张拉时,其N(螺杆轴力)/F(CFRP带的预拉力)均在2左右。利用该规律,工程实际应用时可通过螺杆轴力值来监控CFRP带的预拉力值。 5)拉工艺可知,利用波形齿夹具对CFRP带进行横向张拉,不仅机具轻便、操作简单,且与逐层张拉并粘贴CFRP布的方法相比施工周期大大缩短,实现了快速施工的要求。 ③无初始荷载(一次受力)情况下进行梁侧、梁底体外预应力CFRP带的加固和有初始荷载(二次受力)情况下进行梁侧体外预应力CFRP带的加固的试验数据可以得出如下结论: 1)横向张拉CFRP带在梁底或梁侧进行体外预应力加固的方法,无论是开裂、屈服、极限荷载均有较大幅度的提高,并能有效限制混凝土裂缝宽度的发展。 2)件的弯矩变化改变各段(两副波形齿在CFRP带两端锚固好后在CFRP带的三分点处用波形齿夹具对CFRP带进行横向张拉后并锚固,从而使CFRP带形成三段)加固量,能充分发挥加固构件各段CFRP材料的高强性能,从而实现加固后构件更好的受力和变形性能。 3)力的构件与一次受力的相比无论是屈服荷载、极限荷载以及变形能力方面均无明显影响。 4)加载过程中端部及中部的波形齿处CFRP带均无滑移现象,故波形齿能实现多点锚固,并使端部波形齿处混凝土的压力较小,从而避免了端部锚固处混凝土的局压破坏。 ④齿横向张拉并锚固CFRP带体系中CFRP带预应力损失主要有CFRP带及被加固构件的材料特性造成的损失(松弛),温度变化引起的损失及波形齿配套螺杆与被加固构件的作用引起的损失。并提出了波形齿横向张拉并锚固CFRP带体系中的CFRP带设计时预应力总损失的建议值。 ⑤中所用的承载力计算公式及跨中挠度(钢筋屈服前)计算公式与试验较为吻合,可供设计参考使用。 ⑥通过商用有限元程序ABAQUS建立了一次加载和二次加载作用下无粘结体外预应力CFRP带加固混凝土梁的分析模型。该有限元模型由两类主单元组成,即混凝土实体单元和体外无粘结预应力CFRP带、体内钢筋桁架单元;体内钢筋通过Embedded嵌入实体混凝土单元内;在体外无粘结预应力CFRP带通过波形齿与混凝土梁相连处用Tie约束来考虑。通过对试验梁的分析比较验证了该模型的可靠性。并通过“四点锚固”与“两点锚固”模型的计算表明多点锚固预应力CFRP带能实现基于构件弯矩变化而改变CFRP带的加固量,同时在承载力及正常使用方面的改善不降低的情况下能降低加固成本,又能避免端部锚具处混凝土局压破坏。