体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的理论与数值分析

随着服役时间的增长和车辆荷载的增加,老旧的钢筋混凝土桥梁面临承载力不足、变形超限等问题,采用体外预应力CFRP筋对其加固是一种有效的解决方法。采用有限元分析软件ABAQUS对某跨度24 m的铁路桥梁进行数值模拟与参数分析,其中,根据不同的CFRP预应力筋的直径(31 mm、43 mm、61 mm)和预应力大小(250 MPa、500 MPa、750 MPa、1000 MPa、1250 MPa),获得模型梁的开裂弯矩、梁底钢筋屈服弯矩以及梁开裂时的跨中变形。将《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)等现行规范的理论计算结果与数值模拟结果进行对比,发现两者吻合良好,误差在15%以内,从而验证了规范中钢筋混凝土梁开裂弯矩计算公式、正截面承载力计算公式以及跨中挠度计算公式对于体外预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的适用性与准确性,为实际工程加固设计提供参考。

低预应力CFRP板加固RC梁模型试验研究

为研究低预应力CFRP加固RC梁的力学性能,设计进行了CFRP加固方法的对比模型梁试验。通过对直接粘贴、机械张拉粘贴锚固成为低应力CFRP板及粘贴加热伸长后回缩成为低预应力CFRP板这3种方法,将同规格的CFRP板粘贴在混凝土试验梁表面,通过分级加载试验,获得不同施工方法的CFRP板加固后开裂荷载、极限荷载、裂缝发展及荷载-挠度曲线等。试验结果表明:3种施工方法下进行机械张拉低预应力CFRP板加固对原梁抗剪承载力性能提高较大。在正常使用阶段,机械张拉低预应力CFRP板加固梁和加热张拉低预应力CFRP板加固梁出现斜裂缝的荷载等级高于直接粘贴CFRP加固梁出现斜裂缝的荷载等级。机械张拉低预应力CFRP板加固梁和加热张拉低预应力CFRP板加固梁产生的裂缝宽度小于直接粘贴CFRP板加固梁产生的裂缝宽度。相对最明显的是机械张拉低预应力CFRP板,裂缝一直维持在较低水平。粘贴锚固的低预应力CFRP加固方式操作相对简单,可应用于桥梁维修或拆除前临时加固工程等。

预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯性能

为了探索碳纤维复材(CFRP)绞线在混凝土结构中的应用,采用CFRP绞线作为预应力筋,开展了预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯性能试验研究。试验结果表明:平截面假定适用于混合配筋的混凝土梁;配置预应力CFRP绞线可以显著提高混凝土梁的抗弯承载力,相比于普通钢筋混凝土梁,混合配筋混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别提高了74%~146%、27%~48%和29%~50%,但混合配筋混凝土梁的延性明显降低;在混凝土压碎失效模式下,预应力水平和预应力CFRP绞线数量对延性影响并不明显;GB 50608—2020《纤维增强复合材料工程应用技术标准》中预应力纤维复材(FRP)筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式可以应用于预应力CFRP绞线和钢筋混合配筋混凝土梁的抗弯承载力计算。

外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能有限元分析

为了研究外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁在疲劳荷载下的抗弯性能,本文综合考虑混凝土、钢筋和CFRP在疲劳加载过程中的疲劳损伤,分别建立各自的疲劳本构模型;采用疲劳累积损伤失效全过程数值分析方法,利用ABAQUS软件对外贴预应力CFRP布加固的钢筋混凝土梁进行建模分析,分别研究混凝土强度、疲劳荷载幅以及CFRP预应力水平对疲劳荷载下加固梁抗弯性能的影响。分析结果可得:提升混凝土强度、提高CFRP的预应力水平、减小荷载幅等措施均可以增大加固梁在疲劳加载后的剩余承载力,同时减小混凝土、钢筋以及CFRP的应变,达到改善加固梁的受力和变形性能的效果;提高CFRP预应力水平可以有效提升CFRP的强度利用率,充分发挥其高强特性。

钢板混凝土+无黏结预应力组合加固撞损箱梁技术研究

为研究撞损箱梁不中断交通的加固技术,保证受损结构的加固效果,以某被车辆撞击损坏的装配式预应力混凝土箱梁加固工程为依托,对钢板混凝土+无黏结预应力组合加固原理及设计方案进行研究,并结合实际工程,对相关的施工关键技术进行分析。分析结果表明,对撞损的装配式小箱梁进行钢板混凝土+无黏结预应力组合加固,无黏结预应力抵消新增承载的不利影响,能显著提高撞损箱梁的承载力,加固效果良好,可为同类加固工程提供参考。

CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗冲击性能试验研究

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的不同损伤程度的钢筋混凝土梁进行落锤冲击试验,以冲击高度、加固层数为试验参数分析CFRP加固损伤试件的裂缝发展、破坏形态及抗冲击性能,并研究试件在冲击荷载下的动力性能。结果表明:试件损伤程度越高,其斜向裂缝发展越密集,试件的破坏程度越严重;落锤冲击高度越高,裂缝发展越趋近于跨中局部化;当采用多层CFRP布加固损伤试件时,试件在落锤冲击作用下保持较好的完整性,仅外部混凝土粉碎掉落;随着CFRP布粘贴层数的增加,试件整体产生弯剪破坏,损伤试件加固修复后的抗冲击能力及刚度相较于完好试件得到显著提升,提升幅度为70%~72%,但增加CFRP布粘贴层数对试件的加固修复效果提升作用有限,且加固效果与抗冲击能力并非呈线性关系;基于有效应变计算的结果可知,采用CFRP布加固修复不仅仅具有加固补强的作用,同时能够在一定的程度上改善试件的整体抗冲击性能。

预应力混凝土T型梁横向加固施工探讨

为探讨预应力混凝土T型梁横向加固施工,采用实际案例结合理论实践方法,立足T型梁横向加固施工的难点和重点,分析了加固技术的应用,以及应用效果,分析结果表明,随着预应力混凝土T型梁服役时间的增加,在外界因素、自身应力等多种因素的联合影响下,可能会出现不同程度的裂缝、变形等,危及桥梁正常使用的安全性,需进行有针对性的加固,横向加固是最常用的加固技术之一,具有施工速度快、加固效果好等优势,可有效满足预应力混凝土T型梁加固的需求,值得大范围推广和应用。

预应力混凝土连续梁荷载试验分析及加固研究

针对某建设时间较早的预应力混凝土连续梁桥在运行中出现的裂缝病害,为全面了解桥梁运行状况及承载力,应用有限元程序对桥梁结构展开理论分析及验算,同时展开静力荷载试验。结果表明,桥梁结构当前处于较好的运行状态,但裂缝的存在使结构安全储备降低;在采取相应的加固养护措施后,结构安全储备得以提高。

重载铁路桥梁体外预应力筋加固性能研究

运营提载会导致重载铁路桥梁损伤累积和刚度退化加剧,对重载铁路预应力混凝土桥梁进行加固可以改善桥梁的受力状况,提高桥梁承载能力。为了研究重载铁路桥梁体外预应力筋加固的性能,分别制作重载铁路24 m超低高度预应力混凝土梁的未加固足尺试验模型与体外预应力筋加固足尺试验模型,并开展200万次疲劳试验与疲劳后静力试验。建立未加固预应力混凝土梁与体外预应力筋加固预应力混凝土梁的精细化有限元模型,通过试验与有限元分析,研究加固前后重载铁路预应力混凝土梁的静力与疲劳性能,揭示加固前后梁体挠度和应力变化规律,并分析不同轴重列车作用下加固预应力混凝土梁的力学性能。研究结果表明:重载铁路桥梁外加预应力筋的加固效果良好,疲劳试验中加固梁刚度退化幅度、跨中挠度、梁内预应力筋应力、梁底及下翼缘混凝土应力显著比未加固梁的小;在33 t轴重列车与1.2倍中等荷载(ZH)轴重作用下,外加预应力筋加固的24 m超低高度预应力混凝土梁的适应性良好,预应力混凝土梁挠度与应力响应均符合规范要求。研究结果可为重载铁路桥梁的设计、养护、维护与加固提供基础与参考。

界面缺陷对CFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响研究

为研究界面缺陷对CFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响,制作了3根钢筋混凝土梁对比试件,并进行了四点弯曲试验。同时,采用ABAQUS分析软件建立了非线性有限元模型,并进行了数值模拟分析。结果表明:当存在多个不连续缺陷时,试件上的CFRP提前发生剥离,剥离荷载下降了20.77%,导致试件的破坏模式发生改变,虽然极限荷载仅降低2.46%,但挠度降幅高达15.37%,延性下降显著;界面缺陷附近易产生应力集中,促使多裂缝均衡发展,导致裂缝间距减小;界面缺陷影响CFRP剥离起始发生位置,更易引起CFRP沿试件宽度方向贯穿剥离。

锚固方法和预应力水平对CFRP板加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

为了研究端部锚固方法和预应力水平对碳纤维复合材料(CFRP)板加固钢筋混凝土(RC)梁抗弯性能的影响,进行了6根大尺寸T梁抗弯试验,对失效模式、荷载-挠度曲线、特征荷载、CFRP板强度利用率及延性等指标进行分析。结果表明:锚固方法对RC梁的极限荷载有显著影响,但对开裂荷载和屈服荷载基本没有影响;当预应力水平从0提高到0.5,失效模式从混凝土压碎转变为CFRP拉断,开裂荷载和屈服荷载比未加固试件分别提高了75.0%~237.5%和13.6%~50.9%;极限荷载在混凝土压碎模式下随预应力水平的提高而提高,但在CFRP拉断模式下受预应力水平的影响很小;可靠的端部锚固可提高极限荷载下CFRP的利用率,但施加预应力能明显提高整个受力阶段CFRP的利用率。

预应力CFRP板加固混凝土桥梁静力试验研究

采用预应力技术加固桥梁结构是目前公认的有效方法,而CFRP板施加预应力的加固技术解决了张拉和锚固技术问题的同时又具有极佳的加固效果。针对采用CFRP预应力板加固的桥梁进行了加固前后结构性能的监测和对比,验证了CFRP预应力板加固效果。相关桥梁加固方案和静载试验过程可供类似工程参考。

基于模型试验的体外预应力加固梁应力增量分析

为研究不同体外预应力加固方式对预应力混凝土(PC)梁受力性能的影响,对三根T形简支梁进行静载试验,观察PC梁的裂缝开展以及破坏情况,分析荷载、挠度、应变等的变化趋势,并提出预应力筋的极限应力计算公式,探讨体外加固预应力筋的有效高度、面积以及有效应力对体内外预应力筋应力增量的影响。结果表明:与未加固梁A1梁相比,A2梁的承载力提高了57.5%,A3梁的承载力提高了52.7%,可见不同的体外预应力加固方式对PC梁的承载力均有不同程度的提高;体外加固T梁的荷载-挠度曲线基本呈三折线,且预应力筋应力增量与跨中挠度基本呈线性关系;通过对比发现,体外筋有效高度增加时,体内外筋的应力增量分别随之减小、增加,而在其他因素影响下,体内外筋的应力增量均逐渐减小。

CFRP布对先张法预应力Bulb-T梁抗弯性能影响研究

为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)布对先张法预应力Bulb-T梁抗弯性能的影响,采用有限元软件ABAQUS建立了三维实体模型,并进行了四点弯曲试验数值模拟,分析了在不同CFRP布加固方式下Bulb-T梁损伤过程及受力性能。结果表明:先张法预应力Bulb-T梁模拟值与试验结果误差较小,建立的模型可以较准确地模拟足尺预应力钢混梁的破坏形态、预拱度、荷载-位移曲线;CFRP加固能够显著提升梁体的抗弯刚度及开裂荷载,延缓开裂时间、抑制裂缝的扩展,其中,下翼缘板底部粘贴CFRP布可在失效前对跨中裂缝密集区起到有效控制,弯剪区包裹加固减小了梁体加载点及垫块之间“八”字形裂缝的展开;下翼缘板底部粘贴CFRP布对抗弯承载力的提升效果更加显著,且极限承载力和刚度随着加固层数的增加而增大。

预应力混凝土小箱梁病害成因分析及设计优化措施

预应力混凝土小箱梁桥由于运营时间长、养护不到位、设计与施工缺陷等因素,早期建造的小箱梁桥发生病害的现象较为普遍。文章基于大数据调研方法对小箱梁桥病害类型与成因进行了分析,发现小箱梁病害现象主要包括梁端腹板斜裂缝、顶板与底板开裂、横隔板开裂与桥面铺装开裂等。基于分析结果提出了相应的结构设计优化和桥面铺装优化措施,并基于Midas Civil软件对优化措施进行了验证。结果表明,提出的设计优化措施合理可靠,有效改善了小箱梁的整体和局部受力性能,降低了病害发生的风险。对于已发生病害的小箱梁桥,提出了粘贴钢板、体外和体内预应力张拉等3种加固措施,并通过现场静力试验从梁体受力状态、梁体刚度、预应力度和施工便捷度等4个角度对各加固方案的效果进行了对比,最终推荐采用粘贴钢板方法对发生病害的小箱梁进行加固。

侧贴预应力CFRP板加固混凝土梁抗弯性能的试验研究

采用自主研发的碳纤维增强(CFRP)片材锚具及张拉装置,对8根用CFRP板不同形式加固的钢筋混凝土梁模型试件进行抗弯性能试验,研究预应力碳纤维板侧面加固对被加固钢筋混凝土梁的承载能力、使用阶段变形和裂缝的影响,以及被加固钢筋混凝土梁使用阶段碳纤维板的应力分布和延性。试验结果表明:侧贴预应力碳纤维板加固可明显提高受弯构件开裂荷载及屈服荷载,减小构件使用阶段的变形及裂缝;两端可靠锚固能防止剥离破坏,充分利用材料强度,还能同时改善构件的延性性能。

体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯性能试验研究

通过体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁静力试验,研究体外预应力CFRP筋加固梁的受弯性能,包括受力过程、破坏形态、延性及CFRP筋应力增量等,分析张拉控制应力、非预应力配筋率和混凝土强度等级对加固梁受弯性能的影响。结果表明:与未加固梁相比,采用体外预应力CFRP筋加固,能显著提高混凝土梁的受弯承载力、整体刚度和极限变形能力,限制裂缝发展;张拉控制应力和非预应力筋配筋率对加固梁受弯承载力影响较为明显,而混凝土强度等级影响较小。基于试验结果,运用现有体外预应力混凝土结构理论,建立了体外预应力CFRP筋加固T形截面混凝土梁受弯承载力计算公式,可供实际工程设计参考。

端锚预应力CFRP板加固混凝土梁的施工技术研究

介绍预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的施工工艺和技术,包括预应力CFRP板的张拉设备、加固施工流程和技术要点等,利用自行研制的预应力CFRP板配套锚具,完成了6根预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的受弯试验。结果表明:与非预应力CFRP板加固方法相比,可提高构件的受弯承载力和抗裂度,该加固技术可直接应用于实际工程。

预应力CFRP布加固负载混凝土梁力学性能分析

为研究负载状态下利用预应力CFRP布加固混凝土梁力学性能,根据截面配筋率的不同,设计制作3组共计12根钢筋混凝土简支梁,每一组选择1根作为普通钢筋混凝土对比梁,其余3根预先加载至对比梁正截面受弯承载力的40%,在持荷状态下利用预应力CFRP布对梁底混凝土进行加固。完成12根试验梁两点加载受弯试验,获得承载力、变形及裂缝分布等试验数据;利用有限元软件ABAQUS建立12根试验梁的有限元分析模型,且在每组模型中建立一根普通CFRP布加固负载混凝土梁的分析模型,完成预应力CFRP布加固负载混凝土梁力学性能的分析。试验及分析结果表明:CFRP布的张拉与粘贴对持荷状态下梁的既有裂缝和变形没有明显影响,预应力CFRP布粘贴加固后试验梁二次受力过程中,预应力CFRP布较好的参与至梁的受力过程,发挥CFRP强度高的特点,明显提高构件正截面受弯承载力,延缓裂缝的发展,抑制构件的变形。基于试验与分析数据,建立预应力CFRP布加固负载混凝土梁正截面受弯承载力计算公式和截面刚度计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。

预应力CFRP板加固混凝土桥梁研究与应用

采用专用的预应力施加机具和锚具对碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber-Reinforced Polymer,以下简称CFRP)板施加了预应力,然后加固混凝土大比例梁,便于开展有关试验研究。在此基础之上,对一简支混凝土T型铁路桥进行了加固,效果较好。