预应力FRP加固结构力学性能研究——FRPFRP

「1 简介」

1 简介

纤维增强复合材料（纤维，FRP）加固技术是利用粘合剂将FRP粘贴在结构外侧以增加构件承载能力的加固方法。 由于FRP具有高强度、低密度、耐疲劳、耐腐蚀等优异的材料性能，以及用途广泛、施工方便等特点，其在加固工程中的应用越来越普遍，FRP加固技术已成为最受关注的加固技术。国内外流行的一种。 研究和开发的热点。 但在一般加固工程中，这种方法仍然存在一些问题：由于构件变形的限制，FRP的抗拉强度无法充分发挥，且容易出现FRP剥离破坏的倾向； FRP在使用阶段对构件的加固效果不是很理想。 增强构件的开裂荷载和屈服荷载并没有太大改善，FRP的高强效果往往只有在受拉钢筋屈服后才能发挥。

为了解决这些问题，研究人员提出将预应力技术应用到粘贴FRP加固技术中，发挥两者各自的优势。 理论和实践表明，预应力FRP的加固方法是可行的，在提高弯曲承载能力、整体刚度、疲劳寿命、控制裂缝宽度、减少材料塑性蠕变、减少构件挠度等方面具有明显效果。 函数[1~6]。 本文在综合相关资料和作者研究成果的基础上，总结了该技术研究的现状和最新进展。

《2 预应力FRP增强结构力学性能研究》

2 预应力FRP加固结构力学性能研究

预应力FRP加固所用的材料一般采用强度较高的纤维材料，如碳纤维（纤维，CFRP）和PBO（聚苯并双）纤维复合材料等，一般为片状，可分为从外观上看，可以分为板材。 和布料材料。 相对而言，FRP面板更适合梁、板、柱的抗弯、抗剪加固； 而FRP布则更适用于梁、柱的剪力、抗弯加固，以及柱、节点的抗震加固[7]。 目前预应力FRP加固的研究主要集中在受弯构件的加固上。

《2.1预应力FRP钢筋混凝土构件抗弯性能研究》

2.1 预应力FRP钢筋混凝土构件抗弯性能研究

Wight[2]、费伟[8]、尚守平[9]、叶烈平[10]等人对预应力和非预应力碳纤维布加筋梁进行了试验研究，发现由于预应力碳纤维布的存在，工作梁的性能发生了变化，内应力重新分布，使预应力碳纤维布加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载大大增加。 其增幅远大于非预应力钢筋，并可进一步提高。 出现裂纹。 张探贤，卢西林，等。 文献[11]对预应力和非预应力CFRP布加固的主、次受力梁进行了弯曲试验研究。 结果表明，预应力CFRP布加固梁具有较好的抗一次应力和二次应力的能力。 开裂荷载、屈服荷载、1/200挠度荷载、极限荷载均大于非预应力碳纤维布加固梁。 研究指出，均匀施加预应力时，一次应力和二次应力对极限承载力影响不大，二次应力条件下钢筋梁的承载力略低。 说明对于加固过程中卸载困难或无法提前卸载的构件，采用预应力碳纤维布加固具有显着的优势。 T.[12]采用CFRP对受损梁进行加固，发现受损梁加固后，在二次加载过程中不会出现新的裂缝。 钢筋屈服后，CFRP板的应变仍呈线性变化，证明钢筋屈服后CFRP仍具有足够的承载能力。

布莱恩等人。 [13]研究了加拿大等寒冷地区使用CFRP筋作为预应力混凝土梁的可行性。 他们在-27℃的低温下对CFRP预应力混凝土梁进行了短期弯曲试验。 结果表明，CFRP筋的短期性能不受低温影响。 El-Hacha[14] 等人。 测试了预应力碳纤维布加固梁在常温（22℃）和低温（-28℃）下的短期和长期性能，重点考察了温度变化引起的材料或预应力变化的影响。 钢筋梁弯曲性能的影响。 试验结果表明，低温下加固梁的强度比常温下提高20%，且预应力对温度变化不敏感。 试验中，低温下混凝土与FRP未出现粘结破坏； 无论是在室温还是低温下，FRP的预应力水平都能长期保持完全。

[4,15]对预应力FRP筋混凝土梁板疲劳性能的研究表明，预应力钢筋对于疲劳破坏更为有效。 预应力玻璃钢布的存在，降低了内部钢筋的应力，减少了混凝土的塑性徐变。 减少构件的变形，减少裂纹的分布，提高构件的疲劳寿命。

《2.2预应力FRP钢筋混凝土构件受剪性能研究》

2.2 预应力FRP钢筋混凝土构件受剪性能研究

近年来，研究人员对预应力FRP混凝土的剪切性能进行了研究。 李斯·JM 等人。 [16]对无筋和预应力CFRP筋梁进行了对比试验。 结果表明，加固梁的极限抗剪承载力明显高于无筋梁，当前的设计规范和分析方法低估了对比梁和加固梁的抗剪承载力。

刘立新等. [17]对预应力和非预应力CFRP加固的受损和未受损钢筋混凝土梁的剪切性能进行了试验研究。 研究结果表明，一方面，碳纤维作为桁架模型的腹杆拉杆，改善了钢筋混凝土梁内的应力状态，提高了构件的抗剪承载能力； 另一方面，它通过限制斜向裂缝的发展来起到抗剪加固的作用，因此无论是用预应力碳纤维布加固还是非预应力碳纤维布加固，都可以提高梁的整体刚度和变形性能，并且程度改进程度相差不大，但开裂荷载有一定程度的增加，极限荷载明显增加。 由于预应力的存在，预应力碳纤维布对结构具有侧向约束作用，可以更有效地限制斜裂缝的发展，使裂缝细而密，改善损伤形态。

《2.3预应力FRP增强钢结构研究》

2.3 预应力FRP增强钢结构研究

目前，国内外已对利用FRP对钢结构进行防腐和抗老化维护加固进行了一些研究。 也有人开始考虑用FRP来维护和加固钢桥梁和钢结构建筑，对原有的维护和加固方法进行创新[18，19]。 现有的利用碳纤维布加固钢梁的研究表明，在钢梁屈服之前，碳纤维布发挥的作用有限，其高强性能没有得到充分利用； 当试验梁失效时，碳纤维布中的拉应力只是其阻力。 抗拉强度的10%~20%，加固效果不理想。 主要原因是碳纤维的截面较小，弹性模量与钢材相近。 因此，在相同荷载作用下，增强结构在弹性阶段的应力和应变没有得到有效降低。 文献[20]采用数值方法对碳纤维增强钢结构进行分析，发现使用碳纤维布可以有效提高钢结构进入塑性区后的刚度和承载能力。 但一般钢结构设计没有考虑材料的塑性承载能力。 能力。

因此，研究人员提出了采用预应力碳纤维布加固钢梁的方法，并将FRP粘接修复技术的优点引入到钢结构加固修复工程中，以提高钢结构的承载能力和结构可靠性。 将碳纤维布张拉后用于加固钢梁，使碳纤维布能够更早参与工作，从而提前发挥其高强度特性，提高加固效果。

目前，国内在预应力FRP钢结构领域开展的研究工作和工程实例并不多。 笔者对反拱设置永久锚杆施加预应力加固钢梁进行了试验研究。 研究结果表明[21]，预应力碳纤维布加固钢梁后，屈服荷载和极限荷载均明显高于对比梁。 改善程度随着预应力CFRP用量和预应力水平的增加而增加。 而且，预应力碳纤维布加固技术对提高钢梁刚度有显着效果，对于低强度钢材改善效果更为明显。 笔者在试验的基础上，对预应力碳纤维布加固钢梁后的正截面承载力和挠度变化进行了理论分析，初步建立了预应力碳纤维布加固钢梁的理论计算体系。

《预应力FRP加固的3个关键问题》

3 预应力FRP加固的关键问题

虽然预应力碳纤维布加固技术相对于传统碳纤维布加固技术具有一系列优势，但目前国内外对预应力碳纤维布加固技术的研究还不够深入。 需要进一步研究的内容主要集中在以下几个方面：一个关键方面。

《3.1预应力应用体系》

3.1 预应力应用系统

预应力FRP加固技术是一种新型的加固技术，其中施加预应力的方法无疑非常重要。 FRP材料的整体强度远低于单丝纤维。 该过程的一个关键问题是如何使材料横截面内的力分布尽可能均匀，从而使FRP能够拉伸到更高的应力水平。 国内外许多研究单位对预应力体系在实验和实践中的应用进行了研究。 主要有以下三种方法：

1）反拱法。 首先将FRP板用环氧树脂粘在梁的受拉面上，然后用千斤顶将梁从FRP板的外侧中间顶起，等待胶水凝固后卸掉，从而施加一定的力。梁上的预应力。 赵其林等. 文献[22]采用该方法对碳纤维布施加预应力来加固钢梁。 但该方法仅适用于纤维片材。 施工时容易造成梁上部裂缝。 施加的预应力水平较低且难以控制。 它有一定的使用限制。

2）无永久锚杆的外张拉法。 EI-Hacha[23]、费伟、赵其林、尚寿平[24]等人在试验中施加预应力时均采用了这种方法，即先用专用预拉设备对FRP布进行张拉，然后再使用环氧树脂将树脂粘在梁的受拉面上。 胶水凝固后，在梁的两端进行剪切，即施加预应力。 理论计算和实验研究表明，采用该方法，预应力碳纤维布的张拉预应力水平为200~400 MPa，预应力水平较低。 为了提高初始预应力水平，需要研究梁端预应力FRP的有效锚固措施。

3) 在加固构件上设置永久锚栓。 该方法不需要外部反力框架系统，而是利用加固梁本身提供的反力进行张拉。 张拉完成后，将碳纤维布粘贴在构件上，锚固件保持在原位。 这样可以减少预应力碳纤维布拉伸时粘结层的剪切变形，从而减少传递到混凝土表面的剪切力，有效防止钢筋梁的早期损坏，使碳纤维布的强度得到提高。充分发挥，更适合加固现场施工作业，具有良好的应用前景。 EI-Hacha 等人。 继续其他人的工作，开发了使用圆钢锚栓的 FRP 预应力系统。 CFRP开始拉伸至650 MPa，相当于板材极限拉伸强度的50%。

《3.2预应力控制值》

3.2 预应力控制值

采用预应力FRP加固可以有效提高结构的力学性能。 但FRP板材的拉伸预应力并不是越大越好。 过高的预应力存在以下问题： FRP由单丝制成，单丝之间没有粘合。 纤维成分使得纤维之间的应力分布非常不均匀，缺乏延展性导致单纤维达到极限强度后断裂； FRP板材的应力松弛会随着拉力的增大而增大； 锚杆端部会因剪应力而产生损坏；若该值太大，会造成损坏； 如果张拉预应力过高，会导致混凝土受拉面出现微裂纹。 因此，施加在FRP板材上的预应力应控制在一定范围内。

郭新艳等. 文献[25]提出将预应力梁受拉侧混凝土应力达到其抗拉强度时的预应力作为许用受拉预应力，并提出了相应的计算公式。 1991年，-[26]提出了在保证预应力体系不发生锚碇破坏的情况下求取最大预应力水平的解析模型，以预测最大预应力水平，保证端部锚固在锚固破坏时不被破坏。预应力被释放。 。 次年，对解析模型进行了实验验证，实验结果与解析结果吻合良好[27]。 [28]认为较高的预应力水平可以大大提高结构的刚度和混凝土的承载能力。 CFRP板的预应力水平至少为0.25。 文献[29]认为，为了获得技术上和经济上合理的预应力，应将应变控制在板极限应变范围的50%以内。 Meier[30]认为预应力控制值影响钢筋梁的极限荷载和破坏模式。 当预应力控制值为FRP抗拉强度的60%~70%时，钢筋屈服，然后FRP板被拉开。 因为此时钢筋和玻璃钢面板都得到充分利用，所以这是最好的时机。 牛河东等人通过理论分析，基于失效力学的概念。 [31]提出了仅取决于界面破坏能的最大适用预应力值：

，其中Gf表示界面破坏能，E2表示FRP的弹性模量，t表示FRP的厚度，下标p表示预应力，f表示破坏。 本公式仅适用于不采取任何降应力措施，不发生端部剪应力集中引起的剥离破坏时的最大预应力值。

《3.3 预应力损失》

3.3 预应力损失

怀特认为，预应力损失的大小主要取决于预应力的水平和梁的刚度。 EI-Hacha 等人。 实验研究了粘贴不同长度预应力CFRP梁的预应力损失。 结果表明，预应力释放后，预应力损失随着时间的延长而增大。 长度越长的碳纤维布预应力损失值越大。 他认为长期预应力损失主要是由混凝土的收缩和徐变造成的。

RJ 等人。 [32]通过实验表明，张拉预应力越大，CFRP片材的有效预应力也越大，且呈线性增加。 而且，理论计算结果与实验结果一致。 另外，当RC梁结构一定时，拉预应力的大小对FRP板的预应力损失率没有影响。

费伟、叶列平等人经过研究指出，引起预应力损失的因素包括：张拉设备的变形、FRP布与转轴的摩擦、混凝土的压缩变形和徐变、CFRP的松弛和徐变、释放等。 预应力引起的损失等。其中，前四个因素影响较小，拉伸引起的预应力损失是最主要的因素。 预应力损失与预应力布的层数、宽度、长度、弹性模量及施加的预应力控制值有关。

《3.4 终点锚地》

3.4 末端锚固

在使用预应力CFRP筋混凝土板进行疲劳试验时发现，由于端锚的存在，可以延缓CFRP的剥离，从而延缓筋板最终疲劳破坏的发生。 锚固对混凝土梁的极限荷载和破坏模式影响很大。 结果发现，如果没有特殊的端部锚固，当预应力水平为其抗拉强度的5%时，FRP布的早期破坏发生在锚固区域。

常用的锚固措施是在梁端设置U型箍筋，可以有效防止预应力FRP在梁端锚固粘结破坏，从而在一定程度上提高初始预应力水平。 叶列平、尚寿平、费伟等人先通过外部反应架将碳纤维布拉伸，然后粘贴。 待粘贴树脂固化至预定粘贴强度后，释放张力，梁端采用U型箍筋。 得到加强。 试验证明，U型箍对于防止端部剥落损坏具有显着的作用。 然而，当载荷达到一定程度时，U形箍内部发生剥离，表明U形箍的数量和位置需要进一步研究。 另一种锚固措施是在粘合剂硬化后在两端安装机械夹具，以确保FRP的端部有足够的锚固力释放预应力。 预应力通过硬化的粘结层传递到梁上，最后多余的部分被切除。 FRP布获得预应力。 机械夹紧-树脂粘结锚固法综合了以上两种锚固法的优点。 部分力通过树脂的粘接作用传递到套管上，通过粘接和夹子侧压力的共同作用进行锚固，取得了良好的效果。

牛河东等。 实验中对比了三种锚固方法：U型纤维箍筋、方形纤维锚固、螺栓锚固。 结果证明，采用铆钉锚固措施是最有效的。 他建议增加锚固面积和螺栓数量可以提高承载能力。

“4。结论”

4。结论

国外对预应力FRP的研究起步较早，计算理论和施工技术都比较成熟，在许多重大工程中取得了显着的成果。 在我国，预应力FRP加固的许多问题尚未解决，使得该技术应用还不成熟，尚未全面推广到工程应用。 因此，该领域具有广阔的发展前景。 通过分析比较，提出以下建议，供今后研究参考。

1）国外对FRP筋、筋在加固方面的应用进行了大量的研究。 但国内预应力FRP加固起步较晚。 大多数研究仅限于 FRP 板材。 应进一步开展新材料的开发研究。 深入。

2）目前尚无计算预应力FRP筋结构承载力的设计计算公式。 一般的理论计算都过于理想。 多次试验发现，钢筋梁的极限荷载小于理论承载力。 需要进行大量的试验研究，进一步完善预应力FRP结构承载力和变形的计算模型和设计方法，以提供工程应用。 依据。

3）为了推广预应力FRP加固技术，需要对预应力FRP施工技术进行进一步研究，以保证结构加固结构的可靠性，满足更高的加固要求。