預應力CFRP加固鋼結構技術初探

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　　工程中的鋼結構不可避免地存在各種缺陷和損傷。在荷載和環(huán)境等因素的作用下，材料發(fā)生變化，引起宏觀力學性能的劣化，導致鋼結構工程事故。為確保結構安全工作，延長使用壽命就必須對損傷構件進行更換或加固，更換這些構件將造成極大的浪費，而且會影響結構的正常使用。同時，結構損傷具有局部性和多發(fā)性特點，這些結構不可能在出現(xiàn)損傷時就立即退役。因此，尋求經濟高效的鋼結構加固技術既是土木工程領域亟待解決的技術問題，又是一個關系到社會可持續(xù)發(fā)展的問題。

　　1、鋼結構損害的主要因素及加固技術措施

　　鋼結構損害的主要因素有：1）由荷載變化，超期服役，規(guī)范和規(guī)程改變導致結構承載力不足；2）構件由于各種意外產生變形、扭曲、傷殘、凹陷等，致使構件截面削弱，桿件翹曲，連接開裂等；3）溫差作用下引起構件或連接變形、開裂和翹曲；4）由于化學物質的侵蝕而產生腐蝕以及電化學腐蝕致使鋼結構構件截面削弱；5）其它包括設計、生產、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。

　　鋼結構的加固技術措施主要有三種：1） 截面補強法：在局部或沿構件全長以鋼材補強，連成整體使之共同受力；2） 改變計算簡圖：增設附加支承，調整荷載分布情況，降低內力水平，對超靜定結構支座進行強迫位移，降低應力峰值；3） 預應力拉索法：利用高強拉索加固結構薄弱環(huán)節(jié)或提高結構整體承載力、剛度和穩(wěn)度。

　　2、預應力CFRP加固鋼結構技術

　　目前，國內外對預應力CFRP加固鋼結構技術的研究、試驗和應用涉足甚少。因此，如何將高性能預應力CFRP加固技術引入到鋼結構工程的加固中，以提高鋼結構的承載能力和可靠性，將是鋼結構工程加固領域中的一次技術革命。

　　2.1 傳統(tǒng)的鋼結構加固存在的問題

　　焊接加固時，高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化；而且焊縫必然存在缺陷，會產生新的裂紋；焊接結構內部存在殘余應力，與其他作用結合可能導致開裂。焊接使結構形成連續(xù)的整體，裂縫一旦失穩(wěn)擴展，就有可能一斷到底，引發(fā)重大事故。

　　采用螺栓連接需要在損傷部位附近的母材上開孔，削弱了截面，形成新的應力集中區(qū)；普通螺栓在動載作用下易松動，高強螺栓易發(fā)生應力松弛現(xiàn)象，降低了結構的修補效果。

　　粘鋼加固技術是在鋼結構表面用特制的建筑結構膠粘貼鋼板，依靠結構膠使之粘結成整體共同工作，以提高結構承載力。

　　這些加固方法共同的缺點是使結構重量增加很多，鋼板不易制作成各種復雜形狀，運輸和安裝也不方便，且鋼板易銹蝕，影響粘結強度，維護費用高。

　　2.2 CFRP粘貼加固鋼結構的特點

　　CFRP粘貼加固鋼結構是利用粘結劑將CFRP粘貼到鋼結構損傷部位的表面，使一部分荷載通過粘結層傳遞到CFRP上，降低了結構損傷部位的應力。粘貼CFRP加固技術具有明顯的優(yōu)勢：

　　1） CFRP的比強度和比剛度高，加固后基本不增加原結構的自重和原構件的尺寸；

　　2） 復合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能；

　　3） 柔性的復合材料對于任意封閉結構和形狀復雜的被加固結構表面具有特別的優(yōu)勢。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患；

　　4） 簡便易行、成本低、效率高，在狹小空間亦可施工，特別適合現(xiàn)場修復；

　　5） 施工過程中無明火，適用于各種特殊環(huán)境。

　　2.3 預應力加固的優(yōu)點

　　1） 加固工作可在不卸載、不停產的條件下進行；

　　2） 施加預應力可直接減小變形，迅速消除超逾應力和內力峰值；

　　3） 與非預應力方式相比，可消除應力滯后現(xiàn)象，充分利用CFRP的高強特性，提高加固效率。

　　4） 結合可靠錨固，可降低粘結界面的剝離應力，避免CFRP整體剝落，提高加固的可靠性；

　　5） 降低加固費用和使用成本。

　　3.預應力CFRP加固鋼結構施工工藝及步驟

　　預應力CFRP加固鋼結構方案可分為兩種，一是直接粘貼法，將CFRP兩端錨固并施加預應力后，通過膠粘劑粘貼在鋼結構的表面；一般適用于構件表面較平整的拉桿，對構件或其局部進行加固；二是將CFRP束作為預應力拉索調整應力，一般適用于對整個結構進行整體加固。

　　1、 選　材

　　用于結構加固用碳纖維主要選用PAN基碳纖維，極限強度可達3500Mpa，彈性模量約為2.35×109Mpa.樹脂體系采用環(huán)氧類材料。

　　2、 設　計

　　根據(jù)待修補結構的受力特點、傳力路徑和應力-應變場，確定CFRP布的用量、尺寸和鋪設方向等。纖維方向應盡量與損傷構件中最大受力方向保持一致。如果損傷部位處于復雜應力狀態(tài)，則纖維取向和鋪層順序應盡量與控制主應力方向一致。

　　3、 嵌入式預應力張拉技術

　　鋼結構加固的特殊性，需要一種簡便的預應力施加方式，傳統(tǒng)的預應力施加方式往往是先張拉后錨固，需要相對復雜的張拉機具，以及相應的反力裝置。在錨固的時候，預應力損失也比較大。嵌入式預應力張拉技術，其特點就是先錨固后張拉，以構件本身和先前的錨固作為張拉受力裝置，無需復雜的張拉機具。嵌入式預應力張拉技術可分次施加預應力，可對粘結層產生擠壓效應，提高粘貼的可靠性。同時，因采用先錨固后張拉技術，預應力損失小，方法簡便有效。錨固及張拉裝置見圖1：

　　4 、纖維布安裝工藝

　　1） 表面處理：先用粗砂紙打磨構件的粘結區(qū)域，清理構件表層，用丙酮或酒精溶液擦洗表面，去除污染物，晾置干燥，用粘結劑浸潤表面。

　?。╝）安裝前（b）安裝后

　　圖1.錨夾具安裝示意圖

　　2）在設計要求的位置打孔，應遠離待加固部位以免造成二次損傷；

　　3）采用擠推法帶膠按圖1所示方法安裝纖維布，將纖維布初步張緊；待錨固處膠硬結后第一次施加預應力，將纖維布完全拉直，此時纖維布與鋼結構構件表面留有一定的空隙；

　　4）在纖維布表面抹膠，將纖維束間的空隙初步封閉，稍干硬后進行灌膠；

　　5）膠稍干后第二次施加預應力至設計的控制應力（利用擠壓效應，提高粘貼質量），用膠將纖維束充分浸透，提高共同工作性能。

　　6） 常溫下48小時后（氣溫較低時應適當延長時間），膠充分硬結后，割除多余的螺桿，根據(jù)結構的實際要求進行表面防護處理。

　　4. 預應力CFRP加固的設計與計算原則

　　預應力CFRP加固鋼結構除遵守一般鋼結構加固的準則與規(guī)定外，還具有以下的特點：

　　1） 進行靜力計算時必須首先確定一些與調整應力有關的參數(shù)，例如輔助平衡力大小、預應力力度、預應力卸載彎矩值、支座標高的位移值等；

　　2） 要確定調整應力時的合理荷載值或應力水平，換言之，要分析判斷加固結構時是否需要全部卸載，或卸載至某一水平。

　　在加固結構的設計計算中應遵守下列原則：

　　1） 加固件與被加固件皆在材料彈性范圍內受力，兩者在荷載下同時達到材料的強度設計值；

　　2） 充分發(fā)揮材料強度潛力，加固件的預應力度可使被加固件的應力卸載至其反向應力的極值；

　　3） 預應力加固設計中同樣應當考慮預應力加載系數(shù)、預應力損失系數(shù)、工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。

　　5.　結語

　　預應力CFRP加固鋼結構與加固砼結構在機理方面明顯不同，因此，為了使這一先進的結構加固方法更廣泛地應用于工程實踐，還存在以下問題有待于進一步研究：

　　1）鋼結構經CFRP加固后，可視為廣義的復合材料結構。不同材料間的粘結界面是加固后體系的薄弱環(huán)節(jié)，破壞往往產生于此。因此，界面粘結機理及界面粘結破壞將成為CFRP加固鋼結構技術的研究重點。試驗表明，施加預應力和降低粘結層剛度，加大粘結層厚度可緩解界面的粘結破壞，但其函數(shù)關系尚需進一步研究。

　　2）復合結構界面力學性能參數(shù)（如界面剝離破壞強度、剪切破壞強度）有待于通過試驗來測定，但目前的試驗方法尚不成熟。

　　3）鋼材與碳纖維均為導電材料，且碳纖維比鋼材具有較高的電位。用粘結劑粘貼時膠層很薄，且容易存在空隙。當鋼結構表面與碳纖維直接接觸并處于腐蝕性環(huán)境中時，就會發(fā)生電偶腐蝕。按本文所述的預應力施加方法，可適當加大粘結層的厚度，提高膠層的飽滿度，應當可以避免發(fā)生電偶腐蝕，但其可靠性尚有待驗證。

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　　作者：李青松