预应力CFRP平板式锚具优化设计与应用

针对平板式锚具存在需在混凝土表面开槽、有效行程短、不可重复利用等问题,开展了平板式锚具优化设计与应用研究,提出了一种无须在结构基面设置扣槽,占用空间小、碳纤维增强材料(CFRP)板有效利用长度更长,轻质高强、可重复利用的预应力CFRP平板式锚具。有限元分析表明:在计算荷载作用下,锚具性能满足预应力CFRP加固需要,锚固支座、锚板和锚栓最大应力值分别为133、76、94 MPa,总体应力分布均匀,均小于其屈服强度,最大变形值为0.056、0.024、0.028 mm,保证锚具不先于结构破坏。随着锚栓直径与锚板厚度增大,锚具内部应力与变形均有所改善,其中锚栓直径变化对锚栓与锚板接触部分受力影响较大;锚板厚度对混凝土表面与锚栓接触部分受力影响较大,故建议锚栓直径为18 mm,锚板厚度为20 mm。实际工程应用表明该锚具使用效果良好。

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。

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。

基于宏应变的CFRP板桥梁加固效果快速评估试验研究

为实现在不中断正常交通情况下对既有公路桥梁加固效果进行快速量化评估,本文以预应力CFRP板加固空心板足尺梁为试验对象,基于长标距光纤光栅应变传感技术,推导了移动车辆荷载下简支梁桥长标距应变影响线计算公式;在此基础上,研究了预应力CFRP板加固桥梁前后长标距应变影响线的表现特征,提出了基于移动车辆荷载下长标距应变时程面积包络线的桥梁加固效果评估指标;开展了预应力CFRP板加固空心板梁足尺试验研究,并对其加固效果进行了快速评估与监测。试验结果表明:基于移动车辆荷载下的桥梁长标距应变影响线能够有效地评估预应力CFRP板桥梁加固效果,长标距应变时程面积随着CFRP板预应力水平的增加而减小,通过评估分析得到本次加固试验中桥梁加固效果分别为7.07%、6.90%。

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。

CFRP板加固RC梁预应力损失试验研究

针对目前预应力CFRP板加固RC梁预应力损失大、预应力损失不易控制及预应力张拉工艺复杂等问题,利用自己设计的两套锚固装置对6根RC梁进行预应力CFRP板加固后的预应力损失研究。研究锚具类别、开槽与否和施加预应力大小对加固构件预应力损失的影响。试验结果得知:锚具MJ1比锚具MJ2总预应力损失小;随着张拉预应力的增大总预应力损失增大;与不开槽的锚具相比,开槽嵌入式锚具的总预应力总损失减小;预应力损失分为3种:锚具张拉变形引起的预应力损失、CFRP板与锚具滑移引起的预应力损失、CFRP板应力松弛引起的预应力损失;采用一次超张拉方法可以有效控制预应力损失,锚具MJ1锚固过程中对CFRP板的二次超张拉显著减小了预应力损失。

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CFRP板加固多跨连续梁桥纵向受力相互影响分析

为研究预应力CFRP板加固多跨连续梁桥各跨纵向受力相互影响关系,本文基于新沐河连续梁桥工程背景,建立了连续梁桥预应力CFRP板加固模型。研究了预应力CFRP板加固多跨连续梁桥跨间的相互影响规律及预应力锚固位置对加固效果的影响规律,最后给出了全桥各跨达到一致加固效果时各跨张拉预应力比值。研究结果表明:多跨连续梁桥预应力CFRP板加固会引起相邻奇数跨挠度增加,相邻偶数跨产生反拱效应,对相邻第二跨后的影响明显减小;相较于简支梁桥,连续梁桥的邻跨对加固效果有削弱抑制的效应,抑制效应与加固跨所在的位置有关;中间跨与其邻跨张拉预应力比值为1∶0.3时能有效减小对邻跨的影响且对加固跨的加固效果影响较小,对桥面的平顺性影响最小。

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。

双端张拉CFRP布加固大直径RC圆柱的预应力损失

针对单端张拉碳纤维(Carbon Fibre Reinforced Plastics,CFRP)布加固大直径RC圆柱持荷过程中损失较大的问题。本文提出增设一套张拉锚固装置的双端张拉施工方法对其进行改善,对12组预应力CFRP布加固RC柱进行了预应力损失试验研究。考虑了单/双端张拉、柱直径大小、柱表面粗糙度、是否二次张拉对预应力损失的影响,分析了张拉过程的摩擦损失和持荷过程的预应力损失。建立了CFRP布预应力损失理论计算公式。试验结果表明,张拉过程中CFRP布与柱表面的相对滑动造成的摩擦损失是CFRP布预应力损失的主要部分,双端张拉较单端张拉可有效降低CFRP布的最大摩擦损失和CFRP布总预应力损失,其降幅高达53.9%和46.7%。在柱面涂胶可降低CFRP布的摩擦损失率和回缩引起的预应力损失率,二次张拉可有效降低CFRP布回缩引起的预应力损失率。基于试验结果建立了预应力损失计算公式,为CFRP布预应力损失计算提供参考。

CFRP板加固H型钢梁抗弯承载力计算方法

为进一步研究碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固H型钢梁的抗弯承载力计算方法,在现有的理论公式推导基础上,以H型钢受拉翼缘达到屈服强度为标准,采用叠加法对加固钢梁在弹性工作阶段的屈服弯矩进行推导,得到CFRP板加固H型钢梁抗弯承载力计算公式。将已有文献的试验数据与推导的公式计算值进行对比分析的结果表明,公式计算结果与试验结果基本吻合。本文推导的计算公式可以为非预应力CFRP材料加固钢梁抗弯承载力计算提供一定的参考。

构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响

为研究高轴压比下配筋率、配箍率和剪跨比对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱抗震性能的影响,设计并制作5根钢筋混凝土方柱(包括1根未加固柱和4根加固柱),对其进行低周往复荷载试验。分析在0.7轴压比下配箍率、配筋率和剪跨比对预应力CFRP加固钢筋混凝土方柱的破坏模式、滞回特征、骨架曲线、刚度退化、延性性能和耗能能力的影响,并利用ABAQUS软件建立有限元模型对试验进行模拟,在验证模型的准确性后,对本次试验进行了扩充参数分析。研究结果表明:高轴压比下,预应力CFRP布加固能有效提高柱的水平承载能力和变形能力,对提高柱的抗震性能有利;配箍率的变化对加固柱的初始刚度和水平承载力影响较小,但对其变形能力和耗能能力影响较大,增大配箍率有利于提高加固柱的变形能力和耗能能力;配筋率对加固柱的水平承载力和变形能力有一定的影响,且与加固柱柱底塑性铰长度正相关,加固设计时应注意CFRP布约束范围完全覆盖塑性铰区;剪跨比的增大对柱的变形能力有明显的提高,但对水平承载力和刚度有极为不利的影响,对于剪跨比较大的柱,CFRP布的利用率较低,加固效率不高。研究成果可为高轴压比下预应力碳纤维布加固桥墩设计和工程应用提供试验依据。

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。

预应力CFRP加固混凝土圆柱抗震性能分析

为研究混凝土圆柱在预应力CFRP加固下的抗震性能,对4个试件进行了水平低周往复荷载试验,分析试件在破坏形态、位移延性、耗能能力等方面的差异,并使用Abaqus进行了不同CFRP高度和不同层数加固的数值模拟。试验结果表明,采用预应力CFRP对现浇混凝土圆柱进行加固,可较好地改善试件的耗能能力和位移延性。模拟结果表明,在不同CFRP加固层数下的现浇柱,其承载力和位移延性有所提升,试件初期的刚度也相应上升;试件的延性随着加固高度的增加而增加,但是随着加固高度的增加,提升的效果也逐渐减弱。

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。

端部锚固预应力CFRP板加固RC梁界面剥离规律试验研究

为了明确CFRP板加固钢筋混凝土梁黏结界面黏结性能。采用自主研发锚具对不同预应力水平加固钢筋混凝土梁进行加固工艺及静载、疲劳试验研究,记录不同预应力水平、完好及损伤构件的加固工艺及试验过程中胶层的剥离情况。结果表明,该加固工艺简单快捷,工程应用性较强;该套锚具夹持CFRP板安全可靠;试件宣告破坏前,端部锚固预应力CFRP板加固试件静载、疲劳试验中胶层未出现大范围剥离现象;随着预应力水平的提高胶层开裂荷载显著提高,显著抑制得了胶层的剥离现象;完好试件及损伤试件加固后胶层的抗疲劳性能基本一致;相同预应力水平下和同等荷载水平下,对比静载试验和200万次疲劳荷载作用后的静载试验,胶层开裂剥离现象无显著差异,说明胶层具有较高的抗疲劳性。

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。

预应力CFRP布加固负载混凝土梁受剪性能试验

为研究负载状态下利用预应力碳纤维布加固混凝土梁斜截面受剪性能,根据配箍率的不同制作3组共计12根钢筋混凝土梁,每组选择1根混凝土梁进行单点加载受剪试验,获取极限受剪承载力及裂缝分布等试验数据.对另9根梁预加载至极限受剪承载力的0.4倍,在持荷状态下对试验梁弯剪区段利用预应力碳纤维布加固.完成这9根梁负载加固后的斜截面二次受力受剪承载力试验,在试验数据基础上分析负载加固梁斜截面受剪破坏机理和影响因素.结果表明:采用预应力碳纤维布加固负载混凝土梁斜截面能够抑制斜截面裂缝的产生和发展,增大混凝土受压区高度,提高斜截面受剪承载力.

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布加固钢梁的施工技术研究

在7根预应力碳纤维布加固钢梁试验研究的基础上,研制了一套预应力碳纤维布的张拉设备,并对预应力碳纤维布加固钢梁的施工工艺和技术进行了研究。试验结果表明,设计的预应力碳纤维布张拉设备及施工工艺是有效的,能显著提高被加固钢梁的屈服荷载和抗弯刚度,且屈服荷载的提高幅度与预应力水平相对应,可为实际工程应用提供参考。