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体外预应力纤维增强塑料片材在加固桥梁结构中的应用
体外预应力纤维增强塑料片材在加固桥梁结构中的应用
体外预应力纤维增强塑料片材在加固桥梁结构中的应用

体外预应力纤维增强塑料片材在加固桥梁结构中的应用


前言

  近年来随着我国经济建设的迅猛发展,及其满足地区之间日益增长的交通通行需要,国家在公路建设方面投注了大批的资金,公路网化工作不断展开。但是随着交通运输量的大幅度增加,行车密度及车辆载重量的日益增长,目前现有桥梁中很大一部分满足不了承载能力和使用上的要求。因此,对桥梁结构的维修、加固和补强等的研究和工程应用已引起了世界性的关注,所以研究开发出造价相对低廉低并且技术效果好的桥梁结构加固技术并投入实际应用,是土木工程领域亟待解决的技术问题,又是一个关系到社会可持续发展的问题。

  纤维增强塑料(FRP)片材作为一种新型复合材料,近年来由于FRP片材具有极好的强度、刚度和优秀耐腐蚀性而在结构加固及改造工程中应用越来越多,这样就形成了纤维增强复合材料补强和加固混凝土桥梁的新技术。但是由于FRP片材强度很高而弹性模量与钢筋相似,导致采用直接粘贴FRP片材加固混凝土梁时FRP片材高强度的特点在梁中受拉钢筋达到屈服后才能发挥。而在钢筋达到屈服前,片材的抗拉强度没有得到充分的发挥,另外FRP片材在使用阶段的加固效果也不理想,对构件开裂和屈服荷载的提高幅度不大,这样的话如果采用特殊张拉设备对FRP片材施加预应力,再粘贴到桥梁结构上实施加固,就使得材料高强度的特点得以提前发挥,取得了非常好的加固效果,用体外预应力FRP片材来加固桥梁结构的长期性能更远超传统桥梁加固技术,减小了加固系统维护成本,对于推动我国的公路建设具有非常重要意义。

  1 FRP片材材料的物理力学性质

  纤维增强塑料包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等,FRP片材材料的产品形式主要有型材(如格栅型、工字型及蜂窝型等)、板材(施工使用前浸润树脂并把其固化成板状)、布材(施工使用时才浸润树脂)和棒材等。按纤维的排列方向,可分为单向纤维片材和双向纤维片材。

  影响FRP片材材料物理性能的主要因素有:纤维的排列方向、长度和形状、纤维的成分、浸润树脂的力学与长期性能、纤维与树脂间的适配性,另外还与加荷载的时间、气温和空气的湿度有关。下面就FRP片材材料的物理力学性质做以简单介绍。

  1.1FRP片材材料的强度高。

  FRP片材材料的强度与钢材相比,FRP片材材料具有极高的质强比。例如弹性模量与钢材相同的高强度的碳纤维,其抗拉强度比钢材大10倍。

  1.2质量轻。其密度一般只有钢材的1/5。

  1.3抗腐蚀性强、减震性能好。

  FRP片材材料不产生电化学腐蚀,且在氯离子、碳酸和烧碱等物质作用下其强度降低很少。FRP片材材料有很强的耐酸、碱及土壤等物质的化学腐蚀能力。另外FRP片材自振频率较高高,可避免早期共振的产生,同时该材料的内阻尼很大,一旦受激振动,即可迅速衰减。

  1.4 FRP片材材料的抗疲劳性较好。

  研究表明FRP片材材料的疲劳寿命是由所承受的应力大小、试件形状、纤维与树脂的含量、重复荷载循环的次数与频率等所决定的。此外长期在超过标准的温度和空气湿度情况下也能对FRP的抗疲劳性能造成不利影响。同等条件下300万次重复荷载作用的试验表明:FRP片材的抗疲劳性能明显优于钢材,一般金属的疲劳强度为其拉伸强度的40%~50%。而FRP片材可高达70%~80%。这样一方面就会使FRP片材在混凝土构件开裂后产生较大的变形,而另一方面,在以FRP作为预应力筋的FRP预应力混凝土结构中,FRP筋低弹性模量的性质将会减少由于混凝土收缩和徐变所引起的预应力损失。

  1.5无电磁感应。

  纤维增强塑料无电磁感应,如其种类中芳纶纤维和玻璃纤维电阻大,可用在有绝缘要求的地方;碳纤维无磁性,用在有磁共振设备的场合,可排除干扰。

  另外经研究发现一些FRP可以和紫外线发生化学反应而导致其物理力学性能降低,此问题可以通过加入特殊的外加剂或在FRP表面涂一层防护层(如一薄层混凝土涞解决。

  2 体外预应力FRP片材加固桥梁结构预应力施工工艺

  体外预应力FRP片材加固桥梁结构是通过对桥梁结构施加外力,造成体外预应力筋同原结构共同工作而使结构的承载力显著提高,从而改变了结构受力状态。体外预应力加固具有施工简便、不增加结构尺寸及自重,不影响结构使用空间,该方法可最大限度的减少对桥上交通的影响,具有不中断交通而进行加固施工的特点,较经济,适用于大跨度桥梁结构的加固。下面就预应力的施工工艺加以说明。

  2.1反拱法

  在粘贴非预应力纤维片材之前先使需加固的受弯构件反拱,再在使用阶段使其加固构件的受拉面粘贴纤维片材,胶粘剂固化后卸去外荷载释放反拱,从而使得FRP片材片材产生预应力,该方法可称为反拱法。

  首先将梁构件简支于支座处,运用千斤顶在跨中将混凝土梁顶起产生一定的预变形,并在保持变形的情况下,将FRP片材粘贴在受拉面上(注意此时要在放千斤顶的施力位置上先粘好一小段FRP片材,然后施加产生预变形所需要的荷载)。自然条件下养护到片材与构件可以共同工作,除去千斤顶装置释放荷载,利用梁的回弹产生预拉力,FRP板才中便有了预应力,该方法可充分利用高强FRP更好控制裂缝,对提高梁的可靠性有更好的效果。但此种方法产生的预应力水平较低,操作复杂,端部若不采用有效锚固措施,也易发生剥离破坏。

  2.2后张法

  在加固构件上设置永久性锚具,FPR片材以加固桥梁构件本身作为反力架进行张拉,张拉完毕后便锚固在构件上,片材主要采用机械锚固,锚固措施主要有支座自锚和端部锚栓锚固两种情况。在安装FPR片材张拉端和固定端构件的位置按照设计图纸要求钻孔种植高强度螺杆,螺杆固化达到设计强度后开始安装张拉端和固定端钢构件,在FPR纤维板和梁底接触面上涂抹粘结剂,锚具底板和梁底接触面上涂抹粘结剂,安装FPR片材对其张拉并对梁体挠度变化进行观测;在固定锚具螺栓的螺帽处抹一层粘结剂,所有的金属件表面再抹一层防锈油脂,然后安装张拉端与固定端锚具盖帽,将预应力片材锚固在钢筋混凝土梁上,这样就约束了片材的两端,同时也避免了预应力片材加固发生的端部剥离。

  2.3先张后粘法

  先用特制的预张拉装置张拉FPR片材,再用环氧树脂将其粘贴到钢筋混凝土梁的受拉面,待养护完毕,胶层固化后,在构件端部剪断纤维片材进行放张,这样就给钢筋混凝土梁施加了预应力,反拱法和先张法均依靠粘结进行锚固。

  另外要注意的是FRP片材的用量和加固形式方面还应进行大量的试验研究,通过试验研究找出较合适的FRP片材用量及加固形式。这样在工程中就有能以较小的经济成本达到较好的加固效果。

                                              南昌桥梁加固公司