預應力碳纖維布加固

1、報告大綱,選題意義研究現(xiàn)狀預應力碳纖維布加固梁試驗研究靜力分析疲勞壽命分析研究總結(jié)及展望,一、選題意義,根據(jù)我國國情，發(fā)展節(jié)約型建筑，對原有結(jié)構(gòu)進行加固再利用是建筑業(yè)發(fā)展的一個主要趨勢碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術具有輕質(zhì)高強耐腐耐疲勞及可設計性強優(yōu)點，已經(jīng)得到大量應用以往普通碳纖維布加固技術存在材料高強度難以利用的缺點，預應力技術較好的解決了這一問題極限狀態(tài)設計方法、高強材料的使用以及結(jié)構(gòu)使用功能的變更，導致公路、鐵路橋梁

2、及混凝土吊車梁等承受重復荷載作用的混凝土梁在較高的應力水平下工作，疲勞破壞發(fā)生的幾率大大增加，疲勞加固已經(jīng)成為延長混凝土梁疲勞壽命的一個重要問題,二、研究現(xiàn)狀,1、預應力碳纖維布加固技術的工藝及技術特點非預應力碳纖維布加固混凝土梁時，碳纖維布的高強特點僅在梁中受拉鋼筋屈服后才能發(fā)揮，而在主筋屈服前，碳纖維布所起的作用十分有限，在正常使用階段碳纖維布對加固梁的性能改善作用不明顯,☆,,☆,二、研究現(xiàn)狀,1、預應力碳纖維布加固技術的工藝及

3、技術特點通過預應力手段使碳纖維布預先受力，其應變滯后程度得以改善，不僅可以提高混凝土梁的承載力，而且能夠顯著改善加固梁的使用性能。 ☆,,☆,二、研究現(xiàn)狀,2、預應力碳纖維布加固技術計算理論（1）施工階段（2）正常使用階段（3）極限承載力分析（4）疲勞性能分析,二、研究現(xiàn)狀,2、預應力碳纖維布加固技術計算理論（1）施工階段研究重點是碳纖維布初始預應力大小、放張后碳纖維布的預應力損失以及碳纖維布與混凝土界面間剪應力分布規(guī)律。

4、研究現(xiàn)狀：預應力碳纖維布放張后對由于碳纖維布滑移造成的應力損失和可以對碳纖維布施加的最大初始預應力的研究不多。,二、研究現(xiàn)狀,2、預應力碳纖維布加固技術計算理論（2）正常使用階段研究重點是預應力碳纖維布加固梁的材料應力和截面抗彎剛度計算，材料應力的計算同時也是加固梁疲勞壽命計算的前提。材料應力計算未見相關文獻研究；截面抗彎剛度分析：,,二、研究現(xiàn)狀,2、預應力碳纖維布加固技術計算理論（3）極限承載力分析由于初始預應力的存在

5、，加固梁破壞時可能發(fā)生的破壞模式較多，對應極限承載力不同，已有研究主要集中在常見破壞模式下的承載力計算，對于不同破壞模式出現(xiàn)的條件以及各破壞模式之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律研究甚少。,,二、研究現(xiàn)狀,2、預應力碳纖維布加固技術計算理論（4）疲勞性能研究現(xiàn)狀碳纖維布加固混凝土梁的疲勞性能顯著改善，疲勞壽命大幅延長，對碳纖維布施加預應力后加固梁疲勞壽命延長更多。已有研究主要集中在加固前后混凝土梁疲勞壽命延長的直接數(shù)據(jù)對比上，研究共識是（非）預應

6、力碳纖維布加固后梁中受拉鋼筋應力幅降低，加固梁疲勞壽命延長，疲勞計算時仍應控制受拉鋼筋應力幅。如何計算疲勞荷載作用下加固梁中受拉鋼筋應力幅以及如何計算加固梁的疲勞壽命研究甚少。,,㊣,三、預應力碳纖維布加固梁試驗研究,1、試驗設計試件列表試驗對比關系模板及加載圖疲勞試驗參數(shù),☆,試件對比關系未加固梁、非預應力碳纖維布和預應力碳纖維布加固梁的靜力及疲勞性能的對比；對比了不同預應力碳纖維布加固量對加固梁疲勞性能的影響；對比了

7、預應力碳纖維布加固量相同而混凝土梁配筋率不同時加固梁疲勞性能的變化；考察了加固前已有損傷對加固梁疲勞性能的影響；對比了等幅/變幅疲勞加載時加固梁疲勞性能的變化。,,☆,☆,☆,,,疲勞試驗參數(shù)AMSLER疲勞試驗機，最大加載量程500kN，加載頻率4.5Hz；疲勞荷載下限以試驗梁及加載分配梁不跳動，荷載上限根據(jù)各試件考察目的的不同有所變化；加載過程分為三個階段：,疲勞開始前先進行三次靜載試驗；疲勞試驗階段；破壞階段。,2、

8、靜力試驗主要結(jié)果,,三、預應力碳纖維布加固梁試驗研究,三、預應力碳纖維布加固梁試驗研究,3、疲勞試驗主要結(jié)果,,三、預應力碳纖維布加固梁試驗研究,3、疲勞試驗結(jié)果－疲勞壽命對比,,,,,三、預應力碳纖維布加固梁試驗研究,4、小結(jié)與非預應力碳纖維布加固梁相比，預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命大幅延長；試驗現(xiàn)象表明：預應力碳纖維布加固后混凝土梁疲勞破壞模式發(fā)生改變。未加固梁和非預應力碳纖維布加固梁疲勞破壞時，梁中鋼筋疲斷后混凝土梁迅速喪失承

9、載力而破壞，同時伴隨大變形和較寬裂縫；預應力碳纖維布加固梁中鋼筋疲斷后，由于碳纖維布抗拉疲勞性能優(yōu)于鋼筋，主裂縫處梁底碳纖維布并未完全拉斷，而是沿裂縫兩側(cè)局部剝離，此時混凝土梁依然具有相當?shù)某休d能力，梁變形較小且主裂縫寬度較窄。這一特點可以為預應力碳纖維布加固梁提供更大的安全貯備。,㊣,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,1、碳纖維布初始最大張拉應力研究,,,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,1、碳纖維布初始最大張拉應力研究,,,四、預應

10、力碳纖維布加固梁靜力分析,1、碳纖維布初始最大張拉應力研究,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,2、正常使用階段靜載下材料應力計算,,,,,2、材料應力計算,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,碳纖維布應力增量,受拉鋼筋應力,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,3、正常使用階段截面短期抗彎剛度分析,,,,,,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,3、截面短期抗度分析,預應力碳纖維布加固梁,普通碳纖維布加固梁,未加固梁,四、預應力碳纖維布加固梁靜力

11、分析,3、截面短期抗度分析,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,4、抗彎極限破壞模式分析－非預應力碳纖維布加固梁（1）鋼筋未屈服、碳纖維布未拉斷而梁頂混凝土壓碎。類似于超筋梁。（2）鋼筋屈服同時混凝土壓碎，而碳纖維布未拉斷。這種破壞模式是第1種破壞模式的下限。（3）鋼筋屈服后，混凝土壓碎和碳纖維布拉斷同時發(fā)生。這種破壞模式是第4種破壞模式和第5種破壞模式的界限。（4）鋼筋屈服后，混凝土壓碎而碳纖維布未拉斷。這種破壞模式既保證了加固

12、梁具有一定的延性又能較充分的發(fā)揮各種材料的特點，破壞時碳纖維布雖然沒有拉斷但已經(jīng)達到較高應力，是通常希望出現(xiàn)的破壞模式。（5）鋼筋屈服后，碳纖維布拉斷而混凝土未壓碎。這種破壞模式在加固梁配筋率較小，且碳纖維布加固量較小時發(fā)生，但不屬于少筋梁，也是常見破壞模式，破壞時鋼筋和碳纖維布的強度得到充分利用。,,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,4、抗彎極限破壞模式分析－預應力碳纖維布加固梁特有（6）鋼筋未屈服、碳纖維布拉斷同時混凝土壓碎。

13、當碳纖維布初始張拉預應力較高時會發(fā)生這種破壞模式。 （7）鋼筋未屈服、碳纖維布拉斷而混凝土未壓碎。（8）鋼筋屈服同時混凝土壓碎、碳纖維布拉斷。（9）鋼筋屈服同時碳纖維布拉斷而混凝土未壓碎。,,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,4、抗彎極限破壞模式分析總結(jié)9種破壞模式可以看出，非預應力碳纖維布加固梁破壞模式主要受鋼筋配筋率和碳纖維布加固量影響；預應力碳纖維布加固梁破壞模式除受鋼筋配筋率和碳纖維布加固量影響外，還受碳纖維布初始預應力

14、影響。以往研究特點；本文對不同破壞模式的相互轉(zhuǎn)換條件進行了詳細分析，同時給出了常見破壞模式下的加固梁受彎承載力。文獻試驗的試算結(jié)果進一步驗證了本文分析。,,四、預應力碳纖維布加固梁靜力分析,5、小結(jié)提出了碳纖維布最大允許張拉應力簡化計算公式。提出了正常使用階段材料應力的計算方法并給出了建議公式，理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。提出了預應力碳纖維布加固梁截面短期抗彎剛度計算公式，該公式同時對未加固梁和非預應力碳纖維布加固梁也均適

15、用。對（非）預應力碳纖維布加固梁可能發(fā)生的各種受彎破壞模式進行了總結(jié)，給出了各種破壞模式發(fā)生的界限條件以及常見破壞模式下加固梁的受彎承載力。,㊣,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,1、疲勞壽命分析方法現(xiàn)狀自1869年wohler開始對疲勞問題進行研究至今，疲勞問題一直是工程結(jié)構(gòu)安全問題的一個研究重點，疲勞壽命分析方法的研究則是疲勞研究的主要內(nèi)容之一。工程實踐中比較常用的疲勞壽命分析方法有名義應力法和局部應力應變法 。名義應力法

16、是最早的疲勞壽命估算方法，這種方法以材料的名義應力為參數(shù)，以S-N曲線為主要設計依據(jù)。對于混凝土梁而言，根據(jù)受拉鋼筋名義應力幅和混凝土梁疲勞壽命曲線就可以估算出混凝土梁的疲勞壽命。我國現(xiàn)行規(guī)范就是以名義應力法為基礎，根據(jù)大量試驗結(jié)果統(tǒng)計出鋼筋的名義應力幅與疲勞壽命數(shù)據(jù)樣本庫后，令疲勞壽命為200萬次確定鋼筋名義應力幅，然后再考慮一定的安全系數(shù)給出鋼筋應力幅規(guī)定值。名義應力法的優(yōu)點是計算簡便，但鋼筋的疲勞實際上是疲勞損傷源（常為應力集中

17、部位）附近材料反復塑性變形的結(jié)果，該處的局部應力應變直接決定鋼筋的疲勞壽命，名義應力法沒有反映出應力集中部位局部真實應力應變對疲勞壽命的決定作用，存在明顯缺陷。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,1、疲勞壽命分析方法現(xiàn)狀局部應力應變方法的基本設計參數(shù)為疲勞損傷源（應力集中）處鋼筋的局部應力和局部應變。與名義應力法相比，局部應力應變方法考慮了鋼筋應力集中截面的局部真實應力應變，用它估算鋼筋的疲勞壽命比名義應力法更能反映疲勞破壞的本質(zhì)

18、，在航天工程和機械工程中得到了廣泛的應用。應用現(xiàn)狀：機械及航天學科雖已應用，但目前尚未見到采用局部應力應變方法對混凝土梁疲勞壽命進行求解的文獻。,試驗研究表明，預應力和非預應力碳纖維布加固混凝土梁疲勞破壞大多是從受拉鋼筋應力集中部位開始，當受壓區(qū)混凝土不發(fā)生疲勞壓碎時，加固梁疲勞壽命研究實際上是對受拉鋼筋應力集中部位的疲勞壽命研究。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,2、疲勞壽命計算關鍵問題及本文思路,,五、預應力碳纖維布加固梁疲

19、勞壽命分析,2、疲勞壽命計算關鍵問題及本文思路（1）如何建立中高周疲勞區(qū)受拉鋼筋的名義應力幅與疲勞壽命函數(shù)關系，即得出抗力變化規(guī)律；（2）如何計算疲勞荷載作用下預應力碳纖維布加固梁中鋼筋名義應力幅，即計算作用。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,2、疲勞壽命計算關鍵問題及本文思路,,局部應力應變法結(jié)合鋼筋的循環(huán)應 力應變曲線，通過應力集中分析， 將應力集中截面處鋼筋的名義應力 轉(zhuǎn)換為局部真實應力應變，然后根

20、 據(jù)局部真實應力應變估算其疲勞壽 命。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,2、疲勞壽命計算關鍵問題及本文思路,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,3、疲勞荷載下名義應力應變計算,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,3、名義應力應變計算,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,4、應力集中處鋼筋真實應力應變計算正常使用階段梁中鋼筋名義應力一般均低于材料屈服強度，荷載重復作用后鋼筋缺陷處應力集中而使該處鋼筋接近、甚至進入彈

21、塑性狀態(tài)，這種較小的局部塑性變形區(qū)通常又被周圍彈性區(qū)所約束，即使計算或量測出的鋼筋名義應力仍低于材料屈服強度，局部應力集中處卻已有較大的塑性應變，最終導致鋼筋脆性斷裂、混凝土梁疲勞破壞。對于常用表面帶肋變形鋼筋，常溫無腐蝕環(huán)境下當鋼筋表面沒有明顯缺陷時，通常在橫縱肋交接處根部凹陷處產(chǎn)生應力集中，該處塑性應變較大，鋼筋疲勞斷裂常發(fā)生在此處。,,,,,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,5、應變－疲勞壽命分析,得出鋼筋局部真實應力應變

22、幅后，把應變半幅分解為彈性應變半幅和塑性應變半幅時，二者分別與荷載循環(huán)反復次數(shù)在對數(shù)坐標系中都可近似用直線表示。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,5、應變－疲勞壽命分析,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,5、應變－疲勞壽命分析－變形鋼筋b值統(tǒng)計,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式由分析過程可以看出，采用局部應力應變方法在理論上比名義應力法更加合理全面，但計算過程中由于要求解超越方程，應用時不

23、夠簡便，對于特定構(gòu)件形式設計應用時，可以根據(jù)選定的參數(shù)進行分析，給出更易應用的關系。本文建議的實用簡化方法思路如下：（1）不同應力比下從小到大給定一組鋼筋名義應力幅；（2）按照局部應力應變分析方法得出不同鋼筋名義應力幅對應的疲勞壽命；（3）在雙對數(shù)坐標系中對名義應力幅和疲勞壽命數(shù)據(jù)點進行線性回歸，得出兩者的函數(shù)關系；（4）對函數(shù)曲線取一定保證率后得到實用的函數(shù)關系。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化

24、公式－應力比為0.2,,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,由本文擬合直線與文獻試驗結(jié)果對比可以看出，與大部分試驗數(shù)據(jù)相比，疲勞壽命一定時按照本文擬合公式得出的鋼筋名義應力幅計算值均小于實測值，本文公式計算疲勞壽命可以保證一定的精度和安全度。,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,當應力比變化時，仍按照簡化方法

25、思路可以得出不同應力比時鋼筋名義應力幅與疲勞壽命的雙對數(shù)函數(shù)關系。我國現(xiàn)行規(guī)范中針對不同應力比給出了疲勞壽命200萬次時的鋼筋應力幅限值。對本文方法得出的200萬次疲勞壽命對應受拉鋼筋應力幅計算值與規(guī)范限值對比可見，計算值變化趨勢與規(guī)范限值變化趨勢一致，但計算值均高于規(guī)范限值，規(guī)范限值偏于安全，將計算值用于實際設計時可根據(jù)安全貯備要求進一步折減。,☆,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,五、預應力碳纖維布

26、加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,,,☆,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,6、實用簡化方法及簡化公式,,,☆,五、預應力碳纖維布加固梁疲勞壽命分析,7、小結(jié)考慮裂縫和混凝土受壓剛度退化影響后對梁中受拉鋼筋名義應力幅進行了計算，根據(jù)文獻研究和本文試驗結(jié)果建議了未加固梁（非預應力碳纖維布加固梁）、疲勞損傷后預應力碳纖維布加固梁和未損傷預應力碳纖維布加固梁三種工況下由鋼筋靜載應力計算名義應力的相應計算參數(shù)。采用局部應力

27、應變方法研究了鋼筋名義應力幅與混凝土梁疲勞破壞時危險截面處鋼筋實際應力幅和應變幅的關系，進而根據(jù)鋼筋實際應變幅計算疲勞壽命。該方法直接反映了受拉鋼筋疲勞破壞的本質(zhì)，根據(jù)少量試驗結(jié)果即可以得出不同應力比下鋼筋名義應力幅與疲勞壽命的對應關系，克服了以往混凝土梁疲勞性能研究常簡單采用大量試驗數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計方法的缺陷。為了實際工程應用的簡便，對于特定構(gòu)件，根據(jù)試驗和理論計算結(jié)果，給出了不同應力比下鋼筋受拉名義應力幅與疲勞壽命的雙對數(shù)函數(shù)關系的理

28、論結(jié)果，考慮必要的可靠度后，理論計算結(jié)果可與現(xiàn)行規(guī)范所給鋼筋受拉應力幅規(guī)定值一致。,六、研究總結(jié)及展望,1、研究總結(jié)本文在對10根預應力碳纖維布加固混凝土簡支梁靜力和疲勞性能試驗研究的基礎上，對以往研究較少的正常使用階段（非）預應力碳纖維布加固梁中材料應力、截面短期抗彎剛度、碳纖維布放張后界面粘結(jié)應力和碳纖維布最大允許初始張拉應力進行了系統(tǒng)的研究，并進行了極限受彎破壞模式和承載力的計算分析，提出了相應的簡化計算公式。與試驗結(jié)果比較表明

29、，本文建議公式合理準確?；陟o力分析結(jié)果，運用局部應力應變方法進行了預應力碳纖維布加固混凝土梁疲勞壽命計算方法的研究，分析得到了不同應力比下受拉鋼筋名義應力幅與混凝土梁疲勞壽命的雙對數(shù)函數(shù)關系，與以往常用的名義應力法相比，本文方法更加合理全面且所需試驗數(shù)量少，在一定程度上發(fā)展了現(xiàn)行混凝土梁疲勞壽命的計算理論。,六、研究總結(jié)及展望,2、后續(xù)研究展望 由于本文試驗研究的時間和數(shù)量有限，以下工作還需要在今后研究中進一步深入：為了