預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件試驗研究及理論分析.pdf

1、長期以來,使用混凝土和鋼材建造的工業(yè)與民用建筑和橋梁由于設(shè)計和施工不當(dāng)、運營條件的改變、災(zāi)害荷載和環(huán)境作用等原因,許多在役的結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了病害,危及交通運輸和人身安全,需要進行修復(fù)、補強和加固。傳統(tǒng)的補強加固方法技術(shù)相對成熟,卻也有著不同的缺陷或應(yīng)用范圍局限,而其最大的缺點是無法解決被加固構(gòu)件的鋼材銹蝕問題。為解決這個問題,最近二十多年來,人們把目光逐漸轉(zhuǎn)向了新型的先進復(fù)合材料,特別是纖維增強塑料的應(yīng)用。
　　 預(yù)應(yīng)力碳纖維加固是

2、近年來新興的一項新型加固技術(shù),已有的研究表明:該技術(shù)可提高受彎構(gòu)件的承載力,顯著減小結(jié)構(gòu)變形,延緩梁開裂,充分利用材料性能,大大節(jié)省材料及工程造價;由于碳纖維具有優(yōu)異的耐久性能,預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)的長期技術(shù)效果要好于傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù),從而減小維護成本。目前國內(nèi)外學(xué)者對于普通非預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固技術(shù)研究比較多,而預(yù)應(yīng)力碳纖維片材用于工程結(jié)構(gòu)加固的研究工作于十年前才在國外起步,美國、加拿大、日本以及瑞士等發(fā)達國家的科研機構(gòu)在該項技

3、術(shù)研究方面做了一些工作,國內(nèi)的研究主要集中在預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方面,關(guān)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板的研究還相當(dāng)少。針對已有研究的空白與不足,本文完成的主要工作有:
　　 1.碳纖維板預(yù)應(yīng)力施工裝置的研制
　　 按照“一錨固、二安裝、三張拉”的設(shè)計思路自主研發(fā)一套用于加固混凝土結(jié)構(gòu)的碳纖維板張拉裝置,該張拉裝置由錨具、張拉及固定支架以及張拉設(shè)備組成。創(chuàng)新性的研制了碳纖維板夾片式錨具,并基于強度理論及有限元分析對錨具的關(guān)鍵尺寸進行設(shè)計與

4、校核;基于在加固混凝土結(jié)構(gòu)的成功嘗試,設(shè)計和開發(fā)了用于加固鋼結(jié)構(gòu)的碳纖維板張拉裝置,率先將端錨預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu);
　　 2.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁抗彎性能試驗研究
　　 分別完成了底面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板和側(cè)面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁抗彎性能試驗。驗證了上述張拉裝置的適用性,解決側(cè)面張拉造成混凝土梁側(cè)向受彎不利影響的問題。并與普通外貼碳纖維板加固梁進行對比分析,考察預(yù)應(yīng)力值、配筋率和碳纖維板的粘

5、貼高度等因素對加固效果的影響;
　　 3.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁抗彎性能試驗研究
　　 完成預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固H型鋼梁抗彎性能試驗,考察影響加固效果的因素,通過與普通外貼碳纖維板加固鋼梁進行對比,分析了預(yù)應(yīng)力碳纖維板強度的利用率;
　　 4.基于ANSYS的非線性有限元分析
　　 為了彌補試驗研究的不足,利用有限元軟件——ANSYS的非線性分析功能,對本文預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁和H型鋼梁的受力性能進行

6、了有限元模擬,分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好:
　　 5.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土受彎構(gòu)件理論和設(shè)計方法研究
　　 針對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土結(jié)構(gòu)缺乏完整理論指導(dǎo)的現(xiàn)狀,較為系統(tǒng)的對該項技術(shù)在應(yīng)用過程中涉及的計算及設(shè)計方法進行研究:1)分項計算各項預(yù)應(yīng)力損失,給出各項預(yù)應(yīng)力損失的計算方法,在試驗研究的基礎(chǔ)上建議預(yù)應(yīng)力總損失的估算值;2)為保證加固后的構(gòu)件具有一定的延性保障,提出了根據(jù)確定的目標(biāo)延性系數(shù)反算碳纖維板初始應(yīng)變的

7、設(shè)計計算方法;3)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁分為混凝土壓碎和碳纖維板拉斷兩種破壞模式,基于受彎截面的極限狀態(tài)分析,分別提出了底面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板和側(cè)面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板兩種破壞模式的判別方法以及正截面抗彎承載力的計算公式;4)利用我國現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)預(yù)應(yīng)力混凝土梁短期剛度的計算公式,對其計算參數(shù)進行修正,提出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁的撓度計算公式;5)以鋼筋屈服后混凝土壓碎而碳纖維板未斷作為加固

8、設(shè)計目標(biāo),分別給出底面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板和側(cè)面粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁的設(shè)計方法;6)通過—工程實例對所建議的設(shè)計方法及施工工藝進行驗證;
　　 6.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件理論和設(shè)計方法研究
　　 針對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼結(jié)構(gòu)研究仍處于起步階段的現(xiàn)狀,對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件理論和設(shè)計方法進行初步研究:分析預(yù)應(yīng)力損失計算方法,提出預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁強度、剛度、整體穩(wěn)定的驗算公式,在試驗及理論