预应力FRP布在结构加固中的应用

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预应力FRP布在结构加固中的应用　　摘要：本文通过对现有预应力纤维布的施工工艺进行对比分析，归纳了各自的特点并将其进行分类。总结了各自的优缺点和适用范围，得出了一些结论和建议，为今后的研究和设计提供依据。　　关键词：FRP；预应力；加固　　普通粘贴纤维布加固的方法存在一些不足之处，其中很突出的是碳纤维布实际强度利用率不高，不能有效的控制结构构件的裂缝、挠度。主要是因为纤维布强度很高，一般为普通钢筋的十倍，但弹性模量却基本相同，就决定了其强度必须在发生较大变形时才能充分发挥。根据平截面假定，受压区混凝土达到极限压应变时，纤维布大约只能发挥20%左右的强度，若考虑二次受力影响其强度发挥更低。　　如何充分发挥纤维布的强度优势，进一步提高加固效果是当前迫切需要解决的问题。首先考虑到对纤维布施加预应力，因为“高强”正是预应力的特点，这样以达到充分利用其强度高的特性，提高加固效果。如何有效的对纤维布施加预应力，成为工程实际要解决的首要问题。　　纤维布的预应力施加方法的发展，经历了“先张拉，后锚固”、“先锚固，后张拉”两个阶段。从张拉方法和受力机理上看，目前已有的工艺可以归为四类。　　反拱法 　　通过液压千斤顶使受弯构件产生反向曲率，将纤维布粘贴于被加固构件表面，待结构胶完全固化后卸载，梁在自身重量和弹性恢复的过程中，纤维被拉伸，从而间接的对纤维布施加预应力。其施工工艺和控制标准等可参考文献[1]，基本原理如图1所示：　　该方法的优点是：在这种预应力系统中，由于没有附加的锚固设施，一般只需在端部设U型压条即可。这使得预应力结构施工更容易和更快捷，同时也防止了预应力钢筋混凝土结构锚固区出现较大的局部应力。缺点是：用千斤顶对构件施加集中力，使构件产生反拱时，千斤顶的支座不容易实现；该方法用于钢筋混凝土构件时容易导致梁上部开裂，而且造成构件较大的变形，所以预应力水平不宜过大；由于构件变形间接的对纤维布施加预应力，其预应力值不明确且不易控制。　　独立的机械张拉法　　采用独立于被加固构件的反力台座，通过液压千斤顶张拉纤维片材后粘贴于被加固的构件，待结构胶固化后拆除支架。即通过预应力先张法技术对纤维片材施加了预应力。其张拉机具如下图所示：　　该方法的优点是：纤维布中的预应力值较为明确，在保证端部锚固的情况下，预应力损 　　失较小，能满足计算上的各种假定。不足之处在于：张拉机具复杂，现场操作有一定的难度，操作步骤繁琐并且吨位低，一般适合实验室情况下的科研之用，若要推广到实际工程中还有待改善；由于预应力会引起FTP片材端部的剪应力集中，从而导致FRP片材早期的剥离破坏，通过采用逐步减少张拉应力或减少纤维布层数的方法并结合可靠的机械锚固措施可适当避免端部的剥离破坏。　　锚固于原构件上的纵向张拉法　　利用安装于混凝土梁或板上的反力装置纵向张拉纤维片材，待结构胶完全固化后拆除反　　力装置。即以结构自身作为反力架，对纤维布进行张拉，施加预应力。　　该方法的优点是：利用结构自身作为施加预应力的反力装置，结构合理，操作方便，易控制张拉力，张拉效率高；张拉机设备简单，无需大型机械和大量人力，现场适应性好。缺点在于：纤维丝受力不均匀，容易造成局部应力值过大；由于张拉设备和端部反力装置的限制，纤维布中所能施加的预应力值有限；由于要先安装反力装置，然后才能进行张拉、粘贴，等结构胶达到强度后才能拆除反力装置，施工周期相对较长；由于纤维布需要粘贴于结构上，方能保证其使用阶段的安全性和可靠性，这样就造成了外侧纤维布一定程度的浪费。　　锚固于结构上的横向张拉法 　　这种体系的主要形式是：首先将纤维布两端锚固，然后利用一定的夹具或张拉措施进行张拉，对纤维布施加预应力。通过横向挤压纤维布，使之产生相对的伸长，从而对其施加预应力。采用这种方法时，通常都需要在锚具和夹具上涂适量的结构胶，一方面起到润滑的作用同时又可以提高锚具和夹具的可靠性。　　这类方法中比较典型的有文献[4]的波形齿夹具锚，文中提出了一个新型的FRP布锚具及相应的张拉、计算方法。通过横向收紧螺栓，使得纤维布在波形夹具中产生强迫伸长量δ，从而达到施加预应力的目的。若需要间隔布置多个锚、夹具时，每段纤维布中的预应力值一般不　　相等，尽量按从两端向中间的张拉顺序张拉，在跨中建立较高的预应力。　　一端锚固FRP布，另一端作为锚固的同时又可进行张拉。通过挤压嵌入式构件，使纤维布产生横向的变形，完成第一次张拉；然后收紧螺栓，将FRP布拉紧贴于梁底，完成第二次张拉。当构件较长，难以达到张拉控制力时，可以增加凹槽的数量、深度或两端张拉。同时适当结　　合压力灌浆工艺来提高加固的效果。　　通过收紧螺栓，挤压错列的钢辊，强迫FRP布伸长，当构件较短时，可以达到较高的预应力水平。 　　此类方法的优点是：预应力施加方法简单，一般横向收紧螺栓即可，对施工人员的素质要求不高；施工过程主要集中在锚具和张拉机具的安装上，张拉过程非常简单，施工工期短；这种方法理论上可以施加任何大小的预应力值，但是目前的工艺主要依靠增加张拉机具的数量来实现，这也成为其不足之处。另外，伸长量和纤维布中的实际预应力值之间关系复杂，施工中不易控制。　　预应力的施加应根据实际的情况采用合适的方法，以方便施工、受力合理、减小预应力损失为目标。　　结合钢绞线的施工工艺，开发出能直接利用现有的张拉机械并且能够直接进行现场张拉锚固的结构形式，以形成一定的标准和模数要求。　　纤维粘贴前务必保证构件表面的平整，严格按要求施工。锚固方式可为机械式锚固、树脂锚固或者两者的结合。