预应力FRP加固混凝土受弯构件试验及设计理论研究

论文摘要

随着技术和经济的发展,世界各国在大规模建设完成之后对工程结构加固的需求逐年增长,对既有工程结构的维修和加固已成为土木工程领域日益活跃的分支。在不中断结构使用功能的目标下,探索高效、简便、经济实用的结构加固方法,成为加固设计和研究人员至高的目标。在众多结构加固技术中,预应力方法能够主动调整原结构内力,有效降低原结构材料的应力水平,缩小变形,减小加固材料的应力滞后现象,高效发挥加固材料的性能。因此,在对一般结构构件加固方案选择时,宜优先选用预应力方案。FRP作为一种新颖的高强、高性能结构材料在工程结构的加固中具有巨大的应用前景,但是,目前多采用非预应力普通粘贴FRP,它尚具有明显的缺点:加固用FRP只有在被加固结构二次受荷、发生进一步变形之后才能逐步参与作用,加固效率较低;不能调整原结构的受力状况,对结构正常使用状态的性能改善极小。然而,迄今国内外对预应力FRP加固技术的研究相对较少,相应的工程应用极少,根本的原因在于对FRP的锚固、张拉等关键技术尚未得到较好的解决,从而影响了预应力FRP加固技术的研究及应用。本文结合独创的预应力FRP锚固张拉夹具,试验验证了这一技术的可行性,并结合梁、板等构件的加固试验,系统研究了预应力FRP抗弯加固的各项性能,建立和完善了相应的设计分析理论,并成功的将预应力FRP加固方法应用于工程实践,同时,撰写成了本论文。现将文中主要内容简述如下:1.预应力纤维布锚固、张拉夹具的研制开发根据“先锚固,后横向张拉”的思路,设计开发了高强纤维布新型的预应力张拉、锚固装置,试验表明,该装置可简便、可靠的对纤维布实施预应力张拉,成功的将CFRP张拉至1600MPa以上。结合这种新型的预应力张拉、锚固装置,提出了通过扭矩扳手的读数对FRP张拉应力进行控制的思路,建立了FRP张拉应力、张拉夹片相对位置及张紧螺栓扭矩三者之间的函数关系,在此基础上,设计制作了可供现场使用的FRP张拉应力控制样表,为FRP张拉应力的现场控制提供了非常便捷的方法。2.纤维布材料性能及其试验研究设计了适合于纤维布材料力学性能指标测试的试验装置,对加固用CFRP、GFRP进行了各种力学性能指标测试,结合特定的装置,开展了一定数量的FRP应力松弛试验,试验验证了这些装置的可行性和可靠性,试验指出GFRP存在有较为明显的应力松弛现象,而CFRP未能观测到明显的应力松弛现象。3.预应力CFRP加固混凝土梁抗弯试验研究开展了8根混凝土梁的正截面抗弯加固试验,对CFRP张拉预应力,最大初始张拉应力达1070 MPa,验证了锚固或张拉夹具的可靠性。试验结果表明,预应力CFRP加固受弯构件,可使被加固构件产生反拱,有利于被加固构件恢复变形,推迟构件开裂,增加刚度;与非预应力加固相比,可大幅提高极限状态下CFRP应力水平,从而增加被加固构件的正截面承载力;足够大的初始张拉应力及良好的结构胶是CFRP高效受力的保障;在被加固结构的承载力出现较大提高的同时,变形能力不减反增;软粘结作用在改善CFRP工作条件、提高CFRP加固效率、保障预应力CFRP与被加固结构共同工作等方面具有重要作用;对试验用CFRP,提出了初始预张应力及设计强度的建议值,在保证良好的加固效率和结构性能的同时,加固后的构件将具有足够的可靠性。4.预应力GFRP加固混凝土板试验研究进行了6块混凝土板的加载试验,与普通粘贴GFRP的加固方式相比,采用预应力GFRP加固具有以下特点:构件破坏时GFRP的应力水平明显提高,被加固构件的极限承载力增量更大;可较大改善被加

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 工程结构加固技术的现状及特点
• 1.1.1 工程结构加固的现状及发展
• 1.1.2 混凝土结构加固方法及其特点
• 1.2 FRP 布的特点及其在工程结构加固中的应用研究现状
• 1.3 预应力FRP 的技术现状及其面临的难题
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 预应力FRP 面临的技术难题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 预应力纤维布锚固、张拉夹具的研制开发
• 2.1 引言
• 2.2 纤维布锚固及张拉夹具的设计
• 2.2.1 纤维布第一代锚固、张拉夹具介绍
• 2.2.2 纤维布锚固、张拉试验介绍
• 2.2.3 纤维布锚固、张拉试验结果
• 2.3 纤维布锚固、张拉夹具的改进
• 2.3.1 纤维布锚固夹具设计
• 2.3.2 纤维布张拉夹具的设计改进
• 2.3.3 进一步的设计改进建议
• 2.4 纤维布张拉应力的控制
• 2.4.1 试验室条件的张拉应力控制
• 2.4.2 扭矩扳手读数与纤维布应力函数关系的建立
• 2.4.3 现场实用的扭矩扳手读数与纤维布应力的数值关系
• 2.5 本章小结
• 第三章 FRP 材料性能及其试验研究
• 3.1 纤维增强复合材料的特点
• 3.1.1 纤维增强复合材料的定义
• 3.1.2 纤维增强复合材料的特点
• 3.2 试验用纤维布本构关系试验研究
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 试验装置简介
• 3.2.3 试验结果及分析
• 3.2.3.1 试件的破坏形态
• 3.2.3.2 试验结果介绍
• 3.2.3.3 试验结果分析
• 3.3 纤维增强复合材料应力松弛的试验研究
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 试验装置设计
• 3.3.3 试验结果介绍
• 3.4 结构胶粘剂性能
• 3.4.1 普通粘贴FRP 加固对结构胶粘剂的要求
• 3.4.2 预应力FRP 加固对结构胶粘剂的要求
• 3.5 本章小结
• 第四章 预应力 CFRP 加固混凝土梁抗弯试验研究
• 4.1 试验梁的设计与制作
• 4.1.1 试验研究的目的
• 4.1.2 试验梁设计
• 4.1.3 试验梁制作及试验准备
• 4.1.4 试验装置及量测项目
• 4.2 试验结果及分析
• 4.2.1 试验梁荷载-挠度关系及其破坏形式描述分析
• 4.2.2 试验梁荷载与CFRP 应变、钢筋应变的关系分析
• 4.2.3 CFRP 预应力度及强度取值建议
• 4.2.4 试验梁刚度分析
• 4.3 不足及改进
• 4.4 本章小结
• 第五章 预应力 GFRP 加固混凝土板试验研究
• 5.1 试验目的
• 5.2 试验板的设计与制作
• 5.2.1 试验板的设计
• 5.2.2 加载装置及试验量测项目介绍
• 5.2.3 GFRP 锚固及预应力张拉
• 5.2.4 二次受力状态的形成
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 未加固板B-1
• 5.3.2 普通粘贴GFRP 加固板FB-1
• 5.3.3 预应力GFRP 加固一次受力板YB-1、YB-2
• 5.3.4 预应力GFRP 加固二次受力板Y28-1、Y28-2
• 5.4 试验板钢筋、GFRP 应力的发展情况及分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 预应力 FRP 加固钢筋混凝土受弯构件的设计理论研究
• 6.1 FRP 抗弯加固的破坏形态分类
• 6.2 基本假定及计算规定
• 6.3 相关参数的确定
• con 的选择'>6.3.1 FRP 预应力张拉控制应力σ_con的选择
• 6.3.2 软粘结对试验梁各项参数的影响分析
• 6.4 正截面破坏形态判断
• b'>6.4.1 超筋破坏与部分超筋破坏的界限相对受压区高度ξ_b
• bf'>6.4.2 部分超筋破坏与适筋破坏界限受压区高度ξ_bf
• 6.5 极限弯矩计算
• 6.5.1 超筋破坏的极限弯矩计算
• 6.5.2 部分超筋破坏的极限弯矩计算
• 6.5.3 适筋破坏的极限弯矩计算
• 6.5.4 FRP 初始预加应力σp 的影响分析
• 6.5.5 二次受力的极限弯矩计算
• 6.5.6 试验构件截面承载力实测值与计算结果对比分析
• 6.6 变形及延性计算分析
• 6.6.1 反拱计算
• 6.6.2 挠度计算
• 6.6.3 截面延性分析
• 6.6.3.1 基本假定
• 6.6.3.2 加载至消压（弯）截面曲率的计算
• 6.6.3.3 从消压到钢筋屈服过程截面曲率的计算
• 6.6.3.4 从消压到极限状态的截面曲率计算
• 6.7 本章小结
• 第七章 预应力 FRP 加固受弯构件的数值分析
• 7.1 数值分析方法与程序设计
• 7.1.1 基本假定
• 7.1.2 截面分析
• 7.1.3 加固构件变形计算
• 7.1.4 预应力的处理
• 7.1.5 程序设计框图
• 7.2 数值计算的结果分析
• 7.3 相关参数的影响分析
• 7.3.1 FRP 面积对构件性能的影响
• 7.3.2 预应力度对构件性能的影响
• 7.4 本章小结
• 第八章 软粘结机理及其它问题的分析探讨
• 8.1 考虑FRP 软粘结的数值分析
• 8.1.1 软（弱）粘结机理分析
• 8.1.1.1 软（弱）粘结介绍
• 8.1.1.2 弱粘结的简单分类及其性能分析
• 8.1.2 FRP 预加应力及软粘结界面对被加固构件的性能影响分析
• 8.1.3 考虑软粘结界面的计算模型确定
• 8.1.4 考虑软粘结的数值分析结果
• 8.2 预应力FRP 与非预应力 FRP 混杂的结构性能分析
• 8.2.1 预应力FRP 与非预应力FRP 混杂加固方式的实现及其优势分析
• 8.2.2 预应力FRP 与非预应力FRP 混杂加固的数值模型建立
• 8.2.3 预应力FRP 与非预应力FRP 混杂加固数值分析
• 8.3 锚固张拉结束后锚具、张拉夹具卸除的可能性探讨
• 8.3.1 锚具、张拉夹具卸除的必要性
• 8.3.2 锚具、张拉夹具卸除的可能性
• 8.3.3 放张FRP 时粘结界面的应力分析
• 8.4 本章小结
• 第九章 预应力 CFRP 加固混凝土梁的工程实践
• 9.1 工程概况简介
• 9.2 加固方案选择与设计
• 9.3 加固施工的步骤
• 9.4 预应力纤维布法综合效果评析
• 9.4.1 结构性能
• 9.4.2 经济指标
• 9.4.3 其它方面的比较分析
• 9.5 本章小结
• 第十章 结论和展望
• 10.1 本文开展的创新工作总结
• 10.2 本文研究获得的主要结论和成果
• 10.3 值得进一步研究解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的论文及申报的专利