碳纤维增强复合材料(CFRP)索支桥梁结构综述

碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种新兴的建筑材料,由于具有质量轻、抗拉强度高、抗疲劳性能好、耐久性能佳等优点,受到广大土木工程人士的喜爱。现如今,钢制缆索普遍存在耐腐蚀性和抗疲劳性能差、承载力不足、温度变形大等问题。若将特殊工作环境中的钢制缆索替换为CFRP拉索,不但能解决钢制缆索的结构耐久性问题、提升桥梁的综合性能,而且能使桥梁结构变得更加轻盈和美观。首先介绍了纤维增强复合材料(FRP)的特性、分类及其主要生产工艺,然后介绍了CFRP索支桥梁结构的分类、重点研究成果及其工程应用,最后对CFRP索支桥梁结构的发展前景进行了展望。

混锚CFRP加固混凝土板试验研究

为使用碳纤维增强复合材料(CFRP)对钢筋混凝土构件进行抗弯加固,文中提出混锚法,即将CFRP端部绕结自锁式开缝板,通过锚具固定于板底部实现端锚。并通过对比实验,验证混锚法对抗弯加固的有效性。试验结果表明,混锚CFRP加固试件较纯粘加固试件,极限承载力有较大提升,并且能有效解决CFRP与混凝土板底面黏贴时因受界面应力作用,跨中发生剥离破坏的难题。另外1800 mm长CFRP加固长度与2600 mm长CFRP加固长度相比,较短的CFRP加固长度提升效果更为明显。

CFRP加固混凝土梁多种锚固方式的性能研究

为了在桥梁加固工程中充分利用CFRP的性能,可以通过在粘贴CFRP后,在表面增加压条进行锚固,约束CFRP的剥离,充分发挥CFRP的高强抗拉性能进一步增强加固梁体的极限承载力。为研究实际加固效果,通过制作钢筋混凝土梁粘贴CFRP加固,①不加端部压条;②分3种方式对CFRP的端部及中间部位加压条锚固;③对方式2中的压条再种植螺栓进行锚固,测试以上7种不同锚固方式下的梁体极限承载力以及CFRP在这种荷载下的强度,分析以上各种锚固方式的优劣。通过对比研究测试,CFRP在加固混凝土梁体时,增加压条比不加压条能使混凝土梁体的极限承载力提高约33%~55%;CFRP的性能发挥提高12.35%~21.37%;附加螺栓的锚固方式只能略微增强CFRP的利用效果,对混凝土结构极限承载力的影响并不明显。在实际应用中,端部和跨中增加压条的锚固方式是比较经济有效的。

丹江口水库特大桥地锚式桥台CFRP预应力岩锚施工技术

丹江口水库特大桥为主跨760 m双塔双索面部分地锚式混合梁斜拉桥,边中跨比为0.2,边跨端部设置空腔式箱形台身+岩锚的组合式地锚式桥台。为提高地锚式桥台在横桥向不平衡土压力作用下的抗滑稳定性,在1号地锚式桥台台身外侧墙中心线位置布置14组(每组2束)高性能竖向CFRP预应力岩锚结构,该岩锚结构由CFRP预应力锚杆和RPC粘结介质构成,分为地上锚固段、自由段和地下锚固段3段。该岩锚结构采用后安装工艺施工,即CFRP预应力锚杆先在工厂加工制作,整体运输至现场后单根整体安装下放。为验证CFRP预应力岩锚结构的可靠性、注浆工艺的可行性,在CFRP预应力岩锚主体结构施工前进行足尺模型工艺试验。工艺试验结果表明:CFRP预应力岩锚结构具有良好的锚固性能及足够的安全储备,注浆工艺可行。地锚式桥台施工时在墙身位置预埋管道,桥台及上部主梁施工后从梁面顶部通过预埋管道进行地下锚固段孔道钻孔施工,清孔后进行CFRP预应力锚杆整体下放安装,之后进行孔道注浆,最后进行CFRP预应力锚杆张拉、封锚,完成岩锚施工。该桥28束CFRP预应力岩锚已施工完成,且岩锚注浆密实,注浆强度满足设计要求。

CFRP锚杆黏结性能试验及数值模拟分析

通过对锚固长度分别为240、300、350mm的碳纤维CFRP锚杆进行黏结性能试验,研究其破坏形式、弹性模量、平均黏结强度等基本力学性能及黏结滑移性能。基于以上拉伸试验滑移曲线,采用非线性弹簧单元COMBIN39模拟CFRP筋和黏结介质环氧砂浆之间的黏结滑移,研究锚固段受力随锚固深度变化情况,并对不同锚固长度锚固段受力情况进行分析,对于研究锚固段受力演变具有重要意义。

CFRP预应力筋夹片式锚具的试验研究

传统的夹片式锚具应用于CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastics)预应力筋时必须进行改进,改进后的夹片式锚具由凹齿曲面的夹片、锚杯、塑料薄膜以及薄壁铝套管等组成。在夹片式锚具设计过程中,首先通过锚具的静力分析,推导锚杯的应力公式,然后根据VonMises屈服准则确定锚杯的最小厚度,再由锚杯和夹片的几何关系得到夹片的几何尺寸。试验研究表明,当锚杯倾角为3°、夹片预紧力为100kN、铝片厚度为1mm、凹齿间距为12.85mm和凹齿深度为0.3mm时,夹片式锚具表现出较好的锚固性能,极限荷载达到了185kN,相应的锚固效率系数为96.4%。锚杯长度、锚杯倾角、夹片预紧力、凹齿间距、深度和宽度以及铝套管的厚度等试验参数,均对夹片式锚具的极限承载力及CFRP筋和夹片之间的滑移量有较大影响。锚杯应力的实测值与理论值吻合良好,验证了锚具应力分析的可靠性。极限荷载的计算式具有较好的适用性。

CFRP筋复合型锚具的受力性能试验

为研究CFRP筋复合型锚具的主要设计参数对锚固性能的影响及锚具内部受力情况,设计了5个复合型锚具的参数静载试验,测量了锚具的极限荷载、锚环-CFRP筋间滑移变形和金属筒测点应变,通过静载试验对比分析了各设计参数对锚固效果的影响,以及金属筒表面应力的分布情况与变化规律.研究结果表明:当金属筒壁厚为2 mm,夹片夹持长度为65 mm,粘结长度为500 mm时,锚具的锚固性能较好;夹片-金属筒间锚固良好,无滑移;金属筒应力分布与变化可反映锚具内部受力情况,测点应力曲线峰值预示该位置附近的胶体与CFRP筋间的粘结破坏.

CFRP斜拉索锚具的静载试验研究

通过制作5束试验索,并对5组锚具组装件进行静载试验,探索了CFRP斜拉索的制索工艺,研究了树脂封装型锚具的失效特征、锚固效率、荷载-滑移行为等,为将由此形成的制索工艺和所研制的树脂封装型锚具应用于江苏大学西山人行天桥中,提供有力依据.

CFRP筋复合式锚具锚固性能的试验研究

当复合材料FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastics)筋或拉索应用到斜拉桥的拉索体系时,黏结式锚具和夹片式锚具均有其自身的局限性。对此,根据普通拉索锚固体系的特点,并结合CFRP筋夹片式锚具和黏结式锚具的研究成果,提出了锚固CFRP筋的复合式锚具。复合式锚具由楔紧锚固端和黏结锚固端组成,其中楔紧锚固端包括锚杯、带有凹齿的夹片、铝套管以及塑料薄膜,黏结锚固端包括钢套筒和黏结介质活性粉末混凝土RPC(Reactive Power Concrete)。静载试验研究了锚杯长度、钢套筒长度、夹片预紧力、筋材预张拉力等试验参数对复合式锚具锚固性能的影响。试验结果表明,复合式锚具的试件极限荷载最大为208kN,相应的锚固效率系数为104%,大于95%,满足规范要求。复合式锚具两种锚固形式的锚固长度较合理组合为:对不预张拉锚具,锚杯长度40mm,黏结锚固长度100mm;对预张拉锚具,锚杯长度60mm,黏结锚固长度60mm。提出的复合式锚具极限荷载计算式具有较好的适用性。

CFRP粘结型锚具的受力性能分析

针对CFRP粘结型锚具理论分析相对滞后的现状,对直筒式粘结型锚具,提出了一种粘结应力的分布模型,并采用解析法分析了其极限承载力,对内锥式和直筒+内锥式锚具,分别采用有限元法分析了其使用荷载下的受力性能,为CFRP粘结型锚具的优化设计提供理论依据和建议。

改进型CFRP筋黏结式锚具静载试验

研究了黏结式锚具的改进方案,对改进后的锚具进行了静载张拉试验,阐述改进型CFRP筋黏结式锚具静载试验方案和主要步骤.长度为180 mm的改进式锚具可锚固单根8 mm CFRP筋,极限拉力为115 k N;长度为280 mm的直筒式锚具可锚固单根8 mm CFRP筋,极限拉力为119 k N.改进型CFRP筋黏结式锚具静载试验表明:改进方案是有效可行的.并对黏结应力的测试方法和计算方法进行了探讨,以筋材轴力为指标,对黏结应力测试数据进行检算,当应变片间距适当时,直接在CFRP筋表面黏贴应变片,通过测点应变分析黏结应力分布的方法是可行的.在此基础上得到的试验数据经公式计算,在加载过程中误差较大,最大误差为7.20%;在极限荷载下无误差.

端部锚固CFRP板加固RC梁IC剥离过程非线性分析

端部锚固预应力碳纤维增复合板(Carbon Fiber Reinforcement Polymer Laminate,简称CFRP板)加固钢筋混凝土结构目前最为常见的抗弯加固方式,为探讨端部锚固CFRP加固RC梁IC剥离过程的起始和演化,文章基于部分黏结作用复合梁理论,利用内聚力开裂模型模拟界面层的剥离过程,通过引入含残余强度的四线性黏结滑移本构模型模拟CFRP板与钢筋混凝土梁之间相对滑移带来的界面的变形协调和应力变形行为的非线性特征和软化特性,得到单一裂缝模式下中间裂缝剥离过程中相应的界面黏结剪应力,相对滑移量、CFRP板轴力分布以及加固构件整体荷载-跨中位移,荷载-跨中CFRP板应变的响应曲线,并与文献提供的试验数据进行对比。结果表明,理论计算结果与试验结果基本一致,可以反映端部锚固CFRP板加固混凝土梁的实际受力状态,为端部锚固CFRP板加固混凝土梁的受力分析和设计提供了理论参考。

酸性腐蚀环境下CFRP锚杆的耐久性试验研究

通过环氧砂浆试块和CFRP锚杆抗酸腐蚀性试验研究了酸腐蚀对其质量、弹性模量、抗拉强度、延伸率等性能的影响。结果表明:环氧砂浆试块在酸性溶液中浸泡90 d过程中,质量、弹性模量、抗压强度的最大损失率分别为1.98%、2.81%、11.25%。CFRP锚杆的质量、弹性模量、抗拉强度、延伸率的最大损失率分别为0.65%、3.29%、6.51%、5.06%。通过对试验数据的分析得到了锚杆的荷载-滑移关系曲线,该曲线说明酸腐蚀降低了CFRP锚杆的粘结性能。进一步分析实验数据得到了酸腐蚀90 d后锚杆的粘结-滑移曲线,该曲线具有一定的工程应用价值。并利用Arrhenius方程,得到了锚杆在试验环境中抗拉强度保留率与时间对数的关系曲线,引入了换算因子TSF的概念,对锚杆服役受酸雨腐蚀20年的强度保留率进行了预测。

国内首座CFRP索斜拉桥的研究

为推动CFRP索斜拉桥在我国的发展并积累经验,作者主持了国内首座CFRP索试验桥的设计和应用研究。在设计研究中,阐述了该桥主要部件的设计要点,采用有限元法分析其整体受力性能;结合该桥的建造,分析各种黏结型锚具的受力性能,研制一种黏结型CFRP拉索锚具,并对5组试验索进行试验研究;阐述CFRP拉索的制备工艺和安装工艺;根据施工过程仿真分析结果,提出对拉索一次性张拉到位的张拉方案,并对张拉期间的各项测试结果进行分析。通过本试验桥的研究,基本解决CFRP拉索在中等跨径斜拉桥中应用的设计和施工方面的问题。

基于Kelvin解的CFRP锚杆锚固段的力学分析

为研究压力型CFRP锚杆锚固段在土体介质中的应力应变分布规律,将锚杆的受力状态视为无限体内部一点受集中力作用的弹性问题,运用Kelvin解进行位移分析,推导了锚杆锚固段在土体介质中的轴向应力和剪应力及轴向应变的理论公式,结合现场CFRP锚杆抗拔试验,将场地土层参数代入理论公式,绘出了锚固段轴向应力和剪应力的分布曲线,并将计算值与现场实测的轴向应变值进行对比分析。研究结果表明:土层弹性模量是压力型CFRP锚杆锚固段应力的大小及分布形态的关键参数。锚固段理论轴向应变值与实测轴向应变值的对比结果表明,实测值与计算值相近,其变化趋势反映了合理的规律,由此验证了理论公式的可行性。

CFRP加固钢板拉伸试件端部锚固后的数值模拟

运用有限元计算软件Ansys对CFRP加固钢结构的受力情况进行分析,分别计算了端部不锚固、一端锚固和两端全锚固的情况,对比出了不同锚固情况对于钢结构加固效果的区别.相比于端部不锚固的情况,对加固的碳纤维进行端部锚固,可以使端部碳纤维受力均匀,并且减小端部承受的剪应力,更好地起到加固钢结构的效果,并结合实际的实验情况验证了有限元计算的正确性.此方法模型是正确的,可以用于相关问题的研究.

高温作用下CFRP板加固多功能箱梁桥锚固方案分析

孟加拉邦戈邦都大桥在频繁的旱灾、热带气旋等多种气候灾害影响下,由于表面温度应力导致桥面层纵向开裂,初步设计对桥面裂缝灌注环氧树脂进行修复,然后在桥面横向粘贴碳纤维板约束纵向裂缝发展;对桥面进行找平,设置隔热和防水层后,铺设5cm厚的玛蹄脂沥青耐磨层。目前,在桥面板大面积粘贴CFRP板并铺设玛蹄脂沥青层,为了研究铺设玛蹄脂沥青层的高温作用对CFRP板加固多功能箱梁桥的效果,根据设计方案进行6种不同方案锚固试验,分析高温环境下CFRP板加固多功能箱梁桥的合理锚固方案。

预应力CFRP筋夹片-套筒型锚具的试验研究

以减少夹片与FRP筋之间接触应力峰值为基本思路,提出了一种预应力CFRP筋夹片-套筒型锚具,并对此类锚具系统的静载锚固性能、疲劳性能及周期荷载性能进行了试验.结果表明,锚具各部分能协同工作,形状保持良好,锚具组装件静载锚固效率系数均大于等于0.95,疲劳及周期荷载性能优良,能有效地锚固试验中所用的CFRP筋.

新型CFRP筋锚具优化设计及疲劳性能试验

开发通用型CFRP筋夹片式锚具,它由锚杯、夹片及涂石英砂铝套管组成.在理论计算的基础上,对该锚具开展能够锚固包括光圆在内的各种表面形式CFRP筋的优化设计,对疲劳性能进行试验研究.结果表明,不管是光圆的还是压纹的CFRP筋,对应的锚固体系经200万次应力幅为极限拉应力7%的循环荷载作用后,均未出现明显受损的迹象,抗疲劳潜能较大.在疲劳试验过程中,CFRP筋-锚具及锚具组件间相对位移的绝大部分是由循环荷载作用前的最大拉力产生的,组件间的相对位移对锚固体系应用于实际工程时结构受力几乎不产生影响.

极限状态时CFRP筋粘结式锚具粘结应力分布

结合不同荷载水平下CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastics)筋的粘结应力分布特点,详细分析了荷载传递机制,论证了极限状态时粘结应力分布是光滑平顺的,并指出了BBA模型的不足之处,从而提出了光滑曲线模型,对CFRP筋沿锚固长度方向的粘结应力和轴力计算公式进行了推导,通过算例对光滑曲线模型的可靠性进行了验证。研究表明,极限承载力的计算结果与实测结果吻合较好,但由于理论模型中峰值应力为埋长小于13倍CFRP筋直径的平均粘结应力,它比实际峰值应力小,导致极限承载力的计算结果均比实测结果小;光滑曲线模型比BBA模型更靠近实测结果;锚固长度越大,极限状态下粘结应力分布越不均匀,极限拉力的实测结果与理论结果差值也越大。研究成果可以为粘结式锚具的设计提供参考。