預(yù)應(yīng)力纖維布加固技術(shù)

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    用于建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的高強(qiáng)纖維材料，具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕性能及耐久性，不增加構(gòu)件的自重及體積、適用面廣及便于施工等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)采用無(wú)預(yù)應(yīng)力方式加固時(shí)，由于纖維布的應(yīng)力滯后造成高強(qiáng)纖維布的強(qiáng)度利用率很低。以碳纖維布為例，構(gòu)件達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)，纖維布的應(yīng)力約為300MPa。實(shí)際工程中，因構(gòu)件為二階段受力，如未采取卸載或頂撐等措施，其實(shí)際的應(yīng)力水平將更低。在使用高強(qiáng)纖維布對(duì)梁進(jìn)行加固時(shí)，有一種特有的破壞形態(tài)，即纖維布與構(gòu)件的粘結(jié)層破壞而使纖維布被整體的剝離，這種破壞形態(tài)帶有明顯的脆性特點(diǎn)，是非常危險(xiǎn)的破壞形式。同時(shí)這種破壞使高強(qiáng)纖維布的高強(qiáng)特性無(wú)從發(fā)揮，極大地降低了構(gòu)件的承載力和變形。

    2、FRP加固受彎構(gòu)件

    2.1 破壞形式

    根據(jù)相關(guān)研究資料表明，F(xiàn)RP加固受彎構(gòu)件有以下6種破壞形態(tài)：
    ①超筋破壞，即在受拉鋼筋達(dá)到屈服前受壓區(qū)混凝土壓壞；
    ②部分超筋破壞，即鋼筋屈服后受壓區(qū)混凝土壓壞，而FRP未達(dá)到極限拉應(yīng)變；
    ③適筋破壞，即鋼筋屈服后FRP達(dá)到極限拉應(yīng)變拉斷，而受壓區(qū)混凝土尚未壓壞；
    ④表層混凝土剪切受拉剝離破壞；
    ⑤ FRP與混凝土間粘結(jié)基層剝離破壞。
    ⑥在預(yù)應(yīng)力FRP加固中，鋼筋未屈服而纖維布拉斷。
    對(duì)于①可通過(guò)限制FRP的加固量來(lái)避免。④⑤可通過(guò)采用相應(yīng)的構(gòu)造措施、規(guī)定最小混凝土強(qiáng)度、保證粘結(jié)質(zhì)量和選用性能優(yōu)良的粘結(jié)材料來(lái)控制。對(duì)于⑥，可通過(guò)控制預(yù)應(yīng)力度來(lái)避免。②③兩種破壞形式，相比較而言，構(gòu)件有較大的變形，F(xiàn)RP的強(qiáng)度也得到了較為充分的利用，是相對(duì)理想的破壞形式。

    2.2 剝離應(yīng)力的產(chǎn)生

    在典型的彎剪構(gòu)件中，粘結(jié)界面上有兩類(lèi)剝離應(yīng)力：一是剝離剪應(yīng)力τ，主要由兩個(gè)因素引起：①由構(gòu)件沿縱向彎曲變形的差異，引起纖維布自身的應(yīng)變梯度而產(chǎn)生的；②裂縫處纖維布的局部不均勻應(yīng)變所引起的。二是剝離正應(yīng)力σ，兩個(gè)因素：①裂縫處截面在剪力作用下產(chǎn)生豎向的相互錯(cuò)動(dòng)所引起的；②對(duì)于未施加預(yù)應(yīng)力的纖維布，直接粘貼時(shí)，由于構(gòu)件表面不平整，在纖維布拉直的過(guò)程中所引起的。當(dāng)粘結(jié)界面在這兩類(lèi)剝離應(yīng)力的綜合作用下達(dá)到了粘結(jié)層的拉剪強(qiáng)度或是混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)引起纖維布與混凝土構(gòu)件的粘結(jié)層破壞或表層混凝土撕裂，而使纖維布被剝離。
    如何有效解決粘結(jié)界面過(guò)早發(fā)生剝離破壞的現(xiàn)象，是解決高強(qiáng)纖維布加固技術(shù)在工程應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

    3、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)纖維布加固技術(shù)

    3.1 預(yù)應(yīng)力的作用

    試驗(yàn)表明，預(yù)應(yīng)力的存在有四個(gè)方面的作用。①提高開(kāi)裂荷載，增大構(gòu)件剛度，解決高強(qiáng)纖維布的應(yīng)力滯后問(wèn)題，提高加固效率；②構(gòu)件剛度大，纖維布應(yīng)變?cè)黾虞^慢，同樣的荷載作用下，纖維布的應(yīng)力梯度小，減小剝離剪應(yīng)力；③軸向壓力可抑制裂縫的發(fā)展和截面的豎向錯(cuò)動(dòng)，減小裂縫處粘結(jié)層的剝離剪應(yīng)力和正應(yīng)力；④預(yù)應(yīng)力使纖維布從開(kāi)始就處于平直狀態(tài)，能減小剝離正應(yīng)力。②③④共同作用使被加固構(gòu)件的極限承載力明顯提高，纖維布的高強(qiáng)度也得到較為充分的利用。

    3.2 粘結(jié)層的影響

    粘結(jié)層的主要作用是將纖維布與混凝土粘結(jié)成為一個(gè)整體，傳遞應(yīng)力。通常加固所用的粘結(jié)材料，雖然粘結(jié)強(qiáng)度較高，但往往變形能力較差，很容易發(fā)生剝離破壞。試驗(yàn)表明，如在基本不降低粘結(jié)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高粘結(jié)層的變形能力，可降低粘結(jié)層的剝離應(yīng)力，防止剝離破壞發(fā)生；最終亦能使纖維布整體的應(yīng)變得以充分地發(fā)展。粘結(jié)層良好的變形能力和對(duì)纖維布浸漬性可以延緩破壞過(guò)程，構(gòu)件的變形大為提高，明顯改善構(gòu)件的延性。

    3.3 錨固的作用

    由于錨固的存在，當(dāng)荷載較大時(shí)，力的傳遞不再僅僅依靠纖維布與混凝土的粘結(jié)力，纖維布端頭處的應(yīng)力將會(huì)明顯的增加，纖維布的應(yīng)力梯度減小，提高發(fā)生剝離破壞時(shí)纖維布的整體應(yīng)力；而且，即使發(fā)生剝離破壞也不致使構(gòu)件整體失效。

    4、擠壓式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)

    傳統(tǒng)預(yù)施加應(yīng)力的方式往往是先張拉后錨固；需要相對(duì)復(fù)雜的張拉機(jī)具，以及相應(yīng)的反力裝置，并且，在錨固的時(shí)候，預(yù)應(yīng)力的損失也比較大。而擠壓式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，其特點(diǎn)就是先錨固后張拉，無(wú)需復(fù)雜的張拉機(jī)具和相應(yīng)的反力裝置，預(yù)應(yīng)力損失小，方法簡(jiǎn)便有效。通過(guò)測(cè)纖維布的應(yīng)變，可以直接掌握有效預(yù)應(yīng)力。裝置見(jiàn)圖1：

（a）安裝前                             　　　　　　　 （b）安裝后

圖1 錨夾具安裝示意圖

    原理及操作方法：按圖1（a）抹膠后將纖維布拉直就位，蓋上錨固鋼板，安裝緊固螺帽，將鋼筋連同纖維布向外拉，同時(shí)收緊錨固鋼板，利用鋼筋與錨固鋼板一端的弧面作用，利用擠壓力將鋼筋和纖維布向外推動(dòng)，初步將纖維布張緊。膠硬結(jié)后，收緊夾具，通過(guò)擠壓，使纖維布收緊，建立預(yù)應(yīng)力。

    5、工程實(shí)踐及施工工藝

    5.1 工程簡(jiǎn)介

    本工程為一改造加固工程，混合結(jié)構(gòu)房屋，由于使用用途的變化，需要將底層的一個(gè)洞口由原來(lái)的1.5m擴(kuò)大為2.9m，原洞口上梁為圈梁兼過(guò)梁，混凝土為C25。
    經(jīng)驗(yàn)算，改造后梁底縱筋計(jì)算面積為583.5mm²，實(shí)際面積為339.3mm²，構(gòu)件抗彎承載力不足。
    箍筋實(shí)際面積為282.74mm²，而計(jì)算面積為272mm²，無(wú)需進(jìn)行抗剪加固。

    5.2 加固方案

    本工程原加固方案如圖3所示，采用先拆除墻體，后在梁底粘貼碳纖維布，最后在梁兩端各補(bǔ)做一混凝土柱。

圖3 原加固方案圖

    此方案因補(bǔ)做柱需要開(kāi)挖至承臺(tái)，又需要植筋，工程量和難度都較大。并且碳纖維布要發(fā)揮作用，尚需構(gòu)件繼續(xù)發(fā)生變形，而過(guò)大的變形有可能引起上部砌體的開(kāi)裂。因此，此方案的缺陷是很明顯的。
    經(jīng)過(guò)多方比較，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的情況，確定如下加固方案：在梁兩側(cè)下部各采用7.5cm寬的雙層碳纖維布進(jìn)行加固，A_sf =50.1mm²，纖維布可提供極限抗彎承載力約19KN.M，構(gòu)件有足夠的安全儲(chǔ)備。考慮實(shí)際使用的要求，有效預(yù)應(yīng)力控制在800MPa，約合3400，考慮長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失，實(shí)際張拉至3800。此時(shí)構(gòu)件在變形基本不增加的條件下即可滿(mǎn)足抗彎承載力的要求。
    優(yōu)點(diǎn)：①由于采用預(yù)應(yīng)力，可在梁兩側(cè)加固。先加固后拆除，無(wú)需支撐，施工方便安全；②施加預(yù)應(yīng)力，構(gòu)件變形小，充分利用碳纖維布的高強(qiáng)度；③采用有較好變形能力的粘結(jié)層，有效防止剝離破壞的發(fā)生，提高構(gòu)件的延性。
    缺點(diǎn)：纖維布的有效力臂短，工作效率低?？赏ㄟ^(guò)增加纖維布的用量和施加預(yù)應(yīng)力來(lái)彌補(bǔ)。

    5.3 施工工藝及過(guò)程

    纖維布加固施工中，施工工藝和質(zhì)量直接關(guān)系到加固的效果，先進(jìn)合理的施工工藝和可靠的施工質(zhì)量是取得良好加固效果的前提。擠壓式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，并結(jié)合相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)條件，其施工工藝及過(guò)程如下：
    ①首先將梁兩側(cè)，及板底靠近梁兩側(cè)10cm范圍，梁下20cm范圍內(nèi)墻兩側(cè)的抹灰層清除；
    ②按圖4所示位置打孔，清孔后將螺栓帶膠植入孔內(nèi)，蒙錨固鋼板固定；
    ③梁兩側(cè)找平，先將表面松動(dòng)的混凝土打磨找平，露出密實(shí)層，清理后再用粘膠刮平；
    ④待螺栓處膠硬結(jié)后，采用擠推法帶膠按圖5所示位置安裝碳纖維布，將纖維布初步張緊；
    ⑤待錨固處膠硬結(jié)后第一次施加預(yù)應(yīng)力，約為2500，將纖維布完全拉直，此時(shí)纖維布與混凝土表面留有約2mm的空隙，用紗布浸膠將纖維布下沿塞緊后灌粘結(jié)膠；
    ⑥膠稍干后第二次施加預(yù)應(yīng)力至預(yù)定大小（有擠壓效應(yīng)），同時(shí)將擠出的膠涂抹在纖維布的表面，用膠將纖維束充分浸透，待膠初步硬結(jié)后，表面撒中砂。
    ⑦48小時(shí)后，待膠充分硬結(jié)后，拆除墻體，割除多余的螺桿，分層抹1：2水泥砂漿20厚覆蓋纖維布和錨具。對(duì)夾具進(jìn)行防銹處理后，采用裝飾手段處理。