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预应力FRP加固混凝土受弯构件试验及设计理论研究

田安国  
【摘要】: 随着技术和经济的发展,世界各国在大规模建设完成之后对工程结构加固的需求逐年增长,对既有工程结构的维修和加固已成为土木工程领域日益活跃的分支。在不中断结构使用功能的目标下,探索高效、简便、经济实用的结构加固方法,成为加固设计和研究人员至高的目标。在众多结构加固技术中,预应力方法能够主动调整原结构内力,有效降低原结构材料的应力水平,缩小变形,减小加固材料的应力滞后现象,高效发挥加固材料的性能。因此,在对一般结构构件加固方案选择时,宜优先选用预应力方案。 FRP作为一种新颖的高强、高性能结构材料在工程结构的加固中具有巨大的应用前景,但是,目前多采用非预应力普通粘贴FRP,它尚具有明显的缺点:加固用FRP只有在被加固结构二次受荷、发生进一步变形之后才能逐步参与作用,加固效率较低;不能调整原结构的受力状况,对结构正常使用状态的性能改善极小。然而,迄今国内外对预应力FRP加固技术的研究相对较少,相应的工程应用极少,根本的原因在于对FRP的锚固、张拉等关键技术尚未得到较好的解决,从而影响了预应力FRP加固技术的研究及应用。本文结合独创的预应力FRP锚固张拉夹具,试验验证了这一技术的可行性,并结合梁、板等构件的加固试验,系统研究了预应力FRP抗弯加固的各项性能,建立和完善了相应的设计分析理论,并成功的将预应力FRP加固方法应用于工程实践,同时,撰写成了本论文。现将文中主要内容简述如下: 1.预应力纤维布锚固、张拉夹具的研制开发 根据“先锚固,后横向张拉”的思路,设计开发了高强纤维布新型的预应力张拉、锚固装置,试验表明,该装置可简便、可靠的对纤维布实施预应力张拉,成功的将CFRP张拉至1600MPa以上。结合这种新型的预应力张拉、锚固装置,提出了通过扭矩扳手的读数对FRP张拉应力进行控制的思路,建立了FRP张拉应力、张拉夹片相对位置及张紧螺栓扭矩三者之间的函数关系,在此基础上,设计制作了可供现场使用的FRP张拉应力控制样表,为FRP张拉应力的现场控制提供了非常便捷的方法。 2.纤维布材料性能及其试验研究 设计了适合于纤维布材料力学性能指标测试的试验装置,对加固用CFRP、GFRP进行了各种力学性能指标测试,结合特定的装置,开展了一定数量的FRP应力松弛试验,试验验证了这些装置的可行性和可靠性,试验指出GFRP存在有较为明显的应力松弛现象,而CFRP未能观测到明显的应力松弛现象。 3.预应力CFRP加固混凝土梁抗弯试验研究 开展了8根混凝土梁的正截面抗弯加固试验,对CFRP张拉预应力,最大初始张拉应力达1070 MPa,验证了锚固或张拉夹具的可靠性。试验结果表明,预应力CFRP加固受弯构件,可使被加固构件产生反拱,有利于被加固构件恢复变形,推迟构件开裂,增加刚度;与非预应力加固相比,可大幅提高极限状态下CFRP应力水平,从而增加被加固构件的正截面承载力;足够大的初始张拉应力及良好的结构胶是CFRP高效受力的保障;在被加固结构的承载力出现较大提高的同时,变形能力不减反增;软粘结作用在改善CFRP工作条件、提高CFRP加固效率、保障预应力CFRP与被加固结构共同工作等方面具有重要作用;对试验用CFRP,提出了初始预张应力及设计强度的建议值,在保证良好的加固效率和结构性能的同时,加固后的构件将具有足够的可靠性。 4.预应力GFRP加固混凝土板试验研究 进行了6块混凝土板的加载试验,与普通粘贴GFRP的加固方式相比,采用预应力GFRP加固具有以下特点:构件破坏时GFRP的应力水平明显提高,被加固构件的极限承载力增量更大;可较大改善被加


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