FRP加固范文
FRP加固范文（精选7篇）
FRP加固 第1篇
1 FRP复合材料的种类
FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合, 经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。目前工程结构中常用FRP主材主要有碳纤维 (CGRP) 、玻璃纤维 (GFRP) 、及芳纶纤维 (AFRP) , 这些材料性能如表1所示, 其材料形式主要有片材 (纤维布和板) 、棒材 (筋材和索材) 及型材 (格栅型、工字型、蜂窝型等) 。
(1) 在FRP片材中, 纤维布是目前应用最为广泛的形式, 它由连续的长纤维编织而成, 通常是单向纤维布, 使用前布浸润树脂, 在采用FRP布加固时布的形状可以根据被加固结构的外形随意调整, 加上本身没有刚度, 运输方便, 较适用于梁与柱的抗剪、抗弯加固, 柱与节点的抗震加固。但由于FRP布的厚度较薄, 需多层粘贴才能满足要求, 所以施工工艺较多, 操作较为困难。而FRP板则可以承受纤维方向上的拉和压, 所以FRP板较适用于梁板柱的抗弯加固和抗剪加固。
(2) 在FRP棒材中, FRP筋是采用单向成型工艺, 将单向长纤维与树脂混合为棒材;而FRP索是将连续的长纤维单向编织, 再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的索状FRP制品。FRP筋和FRP索可以在钢筋混凝土中代替钢筋和预应力筋, 特别是FRP筋用作预应力筋时, 它的高强度、低弹性模量和抗腐蚀性对结构都十分有力。同时它们还可用于大跨度支撑结构、张拉结构和悬挑结构, 且一般可节约劳动力和大量后期的维护费用。但工程造价一般高于采用钢筋的方案。
(3) 在FRP型材中, FRP格栅型材可代替钢筋网或钢筋笼, 直接用作结构中作为楼面或夹心板等构件, 同时FRP其他型材也可用于管道、桩基等尺寸较大或形状复杂的结构构件中。
2 FRP复合材料的基本力学性能和特点
(1) 抗拉强度高。FRP的抗拉强度均明显高于钢筋, 与高强钢丝抗拉强度差不多, 一般是钢筋的两倍甚至达十倍。但FRP材料在达到抗拉强度前, 几乎没有塑性变形产生, 受拉时应力-应变呈线弹性上升直至脆断, 因此FRP在与混凝土结构共同作用的过程中, 往往不是由于FRP材料被拉断破坏, 而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏, 所以, FRP-混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点。
(2) FRP热膨胀系数与混凝土相近, 这样当环境温度发生变化时, FRP与混凝土协调工作, 两者间不会产生大的温度应力。
(3) 与钢材相比, 大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25%~75%。因此, FRP结构的设计通常由变形控制。
(4) FRP的抗剪强度低, 其强度仅为抗拉强度的5%~20%, 这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具。也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题。
(5) FRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好, 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用, 因而可提高结构的使用寿命, 这是结构材料难以比拟的。但同时, 与一般混凝土相比较, FRP的防火性能偏差, 这也制约了该类结构产品的推广应用, 成为今后要解决的问题之一。
(6) 自重轻、施工方便, 其重量一般为钢材的20%, 没有湿作业, 不需大型施工机具, 无需现场固定设施, 施工占用场地少, 可降低劳动力费用。
3 FRP复合材料在钢筋混凝土结构构件中的加固方式
3.1 梁的受弯、受剪加固
FRP对混凝土简支梁进行受弯加固时, 首先应将梁底粘贴FRP的区域进行处理, 去除表面的薄弱层, 露出表面的混凝土层并打磨平整, 以保证混凝土与FRP之间的可靠粘结, 如图1所示。同时在普通混凝土梁的受剪加固中, FRP对于不同截面形状及角部的广泛适用性, 也是其突出的优势。
3.2 FRP可用于板的受弯加固
采用FRP材料对板进行加固是将FRP粘贴于板的受拉面。一般加固单向板时, 通常将FRP沿短跨方向粘贴于板底, 而双向板, 则需要沿两个方向粘贴FRP材料 (如图2所示) 。
3.3 FRP可用于轴压和偏压柱的加固
采用FRP材料加固混凝土柱作为一种新型的加固方法, 已经得到越来越广泛的应用, 其中FRP加固柱最为常见的形式为外包纤维布和条带。FRP加固柱最常用的方法为现场粘贴纤维布裹柱, 采用单向或双向纤维布由树脂浸润粘贴包裹于柱表面, 使得纤维方向沿柱环向。柱可由单层或多层纤维布完全包裹, 也可用纤维布条带形成连续的螺旋箍或间隔的环箍进行部分包裹。如图3所示。
3.4 FRP可用于柱的抗震加固
在地震作用下采用FRP对桥梁和建筑物的柱进行抗震加固, 使柱子在发生破坏前能够有足够的非弹性变形。最常用的FRP抗震加固方法是外包纤维为横向布置的FRP套箍, FRP套箍相当于提供了附加横向配箍而提高了柱的抗剪能力, 也可改善柱抵抗地震作用的延性。同时FRP对柱的约束可抑制混凝土的剥落和纵筋的屈曲, 使柱具有很大的非弹性弯曲变形能力。
4 根据FRP复合材料自身的性能特点, FRP可应用领域
(1) 在道路桥梁工程中, FRP以其优良的特性在大跨度的结构中显示了广阔的发展前景, 这样也从根本上解决了钢筋的腐蚀问题。同时在路桥工程的震害加固中, FRP也起到了显著的效果。如在1995年日本阪神大地震发生后, 他们使用了FRP-布对震后的桥墩柱进行了加固, 比普通的修复加固方式节省了大量的时间, 使当地的交通运输得到很快的恢复, 因此也受到了工程界的广泛关注。
(2) 在地铁、隧道的补强加固中, 由于地震荷载和不均匀土压力作用, 造成地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多项且不规则的, 这就要求修补材料必须具备良好的抗剪性能, 而且是不导电材料, 所以采用FRP中的芳纶布是一种很好的选择, 而在隧道内壁粘贴FRP-布可增加其抗弯性能, 有效预防已有裂缝的进一步扩展, 延长地铁隧道的使用寿命。
(3) 在修复旧有的民用建筑中, 由于FRP本身具有良好的耐疲劳性能, 且材质轻, 施工方便, 所以可采用FRP对混凝土柱进行抗弯、抗压、抗震加固;对梁板结构抗弯、抗剪加固;对楼板、墙板的开洞加固;还可对混凝土屋架进行加固等等, 都起到了很好的效果。如北京民族文化宫屋盖加固, 南京新街口百货商店的改造工程等都采用了FRP材料。
(4) 我国悠久的历史文化为我们留下了大量的木结构建筑, 它们都具有极高的文物、历史、艺术价值, 但经历了岁月风雨的侵蚀, 这些木结构都亟待养护和维修, 而FRP-布由于本身具有几何可塑性大、轻薄、易剪裁成型等优点, 非常适用于非规则断面的传统木构件表面的粘贴, 且使木结构经油漆后不影响外观, 也没有附加的重量, 是木结构加固的理想材料。
(5) 对于象烟囱、水塔这样高耸的结构, 极易受到环境中的酸、碱、盐及大气的腐蚀作用, 若采用传统的加固维修, 施工困难, 费时费力, 而采用FRP利用其轻质高强, 耐腐蚀, 耐久性能好等特点, 使这些难题迎刃而解。
目前, 国外许多发达国家如欧美、日本的工程界对FRP复合材料进行了大量的研究开发和应用, 使之成为一个十分活跃的领域。随着我国经济建设的飞速发展, 在今后一个时期, 各类道路、桥梁、民用建筑结构的养护、检测和维修将成为我国土木领域关心和研究的重点, 而FRP作为一种高性能材料以其轻质高强, 耐腐蚀, 耐久性能好、施工便捷等性能特点, 必将成为传统结构材料的必要补充, 得到广泛应用, 给我国的建筑经济领域带来不可忽视的综合经济效益。
参考文献
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[2]叶列平, 冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展.土木工程学报, 2006 (3) :24—34.
FRP片材加固砌体抗剪性能研究 第2篇
1 FRP片材加固砌体的有限元模型
1.1 单元类型选取
砌体是由块材和砂浆两种性质完全不同的材料组成的,这使得砌体表现出复杂的性质。如何考虑两种材料的关系,是正确分析砌体结构的关键。一般有把块材和砂浆分开考虑、整体式考虑两种方法。本文采用第二种方法。砖砌体采用Solid65单元,纤维片材采用Shell41膜单元,混凝土顶梁和底梁选用Solid45单元。
1.2 本构关系
砖砌体墙片的本构关系采用朱伯龙提出的砌体受压应力—应变关系表达式:受拉时应力—应变关系基本上是线性的,达到极限应力ft后,强度迅速降低,砌体破坏。
根据纤维片材的材料特性,可以假定纤维片材是一种理想弹性材料,应力—应变关系曲线始终是直线,采用弹性应力—应变关系。
1.3 墙体模型及网格划分
图1中列出了未加固墙体和五条FRP加固形式下墙体的模型图及相应的网格划分图。模型中
2 有限元计算结果及分析
有限元分析未加固墙体wall-1,五条CFRP加固墙体wall-2和五条GFRP加固墙体wall-5的极限荷载分别为:160 kN,230 kN,210 kN。有限元分析结果与试验值对比如表1所示。
从表1中可以看出,计算值都低于试验值。未加固墙体的极限承载力有限元分析值比试验值约小14%,五条碳纤维布加固墙体的极限荷载有限元分析值比试验值约小17.5%,五条玻璃纤维布加固墙体的极限荷载有限元分析值比试验值约小12.3%。二者差异的原因为:实际中砌体材料具有很大的离散性,有限元分析时没有考虑粘结层的作用,试验时测得的数据本身有一定的误差。
尽管存在计算误差,但仍然可以通过有限元计算结果定性分析加固前后墙体的受力性能:采用纤维布加固后墙体的应力分布较未加固墙体均匀;在相同的水平侧力作用下,纤维布加固后墙体的变形小于未加固墙体的,经纤维布加固后墙体刚度的降低得到延缓,裂缝得到抑制,并且较分散;墙体和纤维布的角部及墙体中部裂缝较密,加固设计中可对该部位采取加强措施。
3 结语
通过利用所建立的有限元模型,对未加固墙片及五条10 cm宽碳纤维布和玻璃纤维布分别加固的砌体墙片进行了受力分析,通过分析发现:采用纤维布加固砌体结构是行之有效的方法;纤维布加固后墙体的极限承载力有了明显的提高,碳纤维布的加固效果优于玻璃纤维布的。有限元分析结果与试验分析结果相一致,说明所建立的有限元模型对纤维增强复合材料加固砌体结构的有限元分析是适用的。
参考文献
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FRP片材在砌体结构加固中的应用 第3篇
关键词：纤维增强复合材料,加固技术,砌体结构
1 FRP加固技术的发展概况
20世纪80年代, 主要由日本发起了FRP用于结构加固修复的研究。此后, 美国、加拿大及欧洲部分国家和地区的众多大学、科研机构和材料生产厂家等相继进行了大量的纤维材料应用于结构补强加固的研究。用FRP对钢筋混凝土进行修复加固在日、美等发达国家已成为一项成熟技术, 并制定了有关的技术标准、规范和应用规程, 同时还组织了各种促进团体和学会等。我国有关FRP片材粘贴加固的应用研究始于20世纪80年代末。目前, 国家工业建筑诊断与改造工程中心、同济大学、东南大学、天津大学等多所高校和科研机构都在对FRP加固技术进行研究, 取得了大量的科研成果, 并应用于许多工程中。但我国在FRP加固规范的制定方面还比较落后, 我国已制定了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》, 其他两个材料产品标准和国家级《高性能复合材料应用规范》还在编制中。现在, 对FRP加固技术的研究及应用已经成为全国工程界高度重视的一项课题。
2 FRP加固砌体结构的研究
2.1 FRP材料加固砌体结构的发展和研究现状
砌体结构在结构工程中占据着重要的地位, 许多砌体结构具有比较高的历史价值和使用价值。由于设计基准期的接近、结构设计和抗震标准的提高、设计和施工产生的隐患以及人们对建筑物的安全性、实用性和耐久性的要求不断提高等原因, 许多砌体结构需要维修加固。近年提出采用FRP加固砌体结构的新型技术, 既适用于墙体局部开裂的加固又适用于墙体承载力不足情况下的加固, 可以避免传统砌体结构补强方法的缺点。该技术主要有建筑空间利用率高、耐久性好、不增加结构的自重和体积、施工方便快捷、修复加固效果明显等特点。当前研究、开发和应用FRP材料进行砌体结构加固是发展的趋势。
国内在FRP材料加固砌体结构的研究刚刚起步, 目前有武汉理工大学、浙江大学、天津大学及清华大学等少数几家单位在进行研究, 理论和应用还不够成熟。
2.1.1 FRP加固砌体结构抗剪性能研究
砌体结构往往由于抗剪承载力不够而发生破坏。1997年, Ehsani等对用FRP加固砖砌体的抗剪性能进行了系统地试验研究。试验结果表明:粘贴GFRP可以明显提高砌体的抗剪强度和刚度; GFRP的抗拉强度和粘贴锚固长度对加固砌体的抗剪强度和破坏形式都有较大的影响; FRP布粘贴方向对加固砌体的刚度有一定的影响, 但对抗剪强度影响不大。2002年, Corradi等对在意大利翁布里亚地震中遭受损伤的石砌体结构进行了现场粘贴FRP布的抗剪加固试验研究, 石砌体分别采用粘贴GFRP和CFRP的剪压试验, 结果显示, 对于抗剪强度的提高没太大区别。
蔡志鸿、黄奕辉等对27件芳纶纤维布加固砖砌体双剪试件与4件芳纶纤维布加固砖砌墙体进行了试验和理论研究。试验结果表明, 芳纶纤维加固砖砌体破坏时仍具有较明显的脆性。芳纶纤维布受拉时, 其与灰缝平行的分力直接提高了水平承载力, 而与灰缝垂直的分力对灰缝产生压应力, 间接地提高了水平承载力, 计算中应考虑两部分的共同作用。加固效果的主要影响因素是芳纶纤维布的有效发挥系数、摩擦系数和芳纶纤维布条带轴线与灰缝方向的夹角。
需要指出的是, 随着加固率的提高, FRP有效应变即有效发挥系数减小, 在无可靠锚固的情况下, 过高的加固率容易引起FRP的剥离破坏。另外, 由于加固试件的破坏是由砌体破坏引起的, FRP基本上不会开裂。因此对于低强度的砌体结构, 采用过高强度FRP材料和过高的加固率来提高抗剪承载力并不可取。
2.1.2 FRP加固砌体结构的抗震性能研究
FRP加固可改善结构的抗震性能, 主要是由于FRP约束墙体而阻止了裂缝, 改善了墙体的受力状态。FRP的作用相当于桁架模型中的受拉杆, 在加载过程中屈曲稳定, FRP的存在使滞回环饱满, 面积增大, 变形能力得到加强, 延性增加, 骨架曲线下降段平缓, 从而改善了整体结构的抗震性能, 避免了由于砖砌体的脆性破坏而导致整体结构的突然破坏。
赵彤等进行了CFRP加固砖砌体在低周反复荷载作用下受力性能的试验。结果表明, 粘贴FRP可以有效地提高墙体的抗震能力, 对于提高结构延性, 增强墙体的耗能能力, 减少墙体的剪切变形和防止砌体受压区破碎, 都是非常有效的。王欣等进行了对已破坏墙体经CFRP加固后在低周反复荷载作用下的试验研究。结果表明, 对由于地震等原因导致破坏的砌体, 当砌体未出现砖被压碎等严重破坏现象时, 用CFRP或GFRP加固的效果非常显著, 可以恢复原有的最大承载力, 提高极限位移, 改善砌体的抗震性能。当出现砖被压碎等破坏时, 用CFRP加固可以提高延性, 但抗震承载力提高程度不明显, 需要同时采取其他提高抗震承载力的措施。
Schwegler在博士论文中首次做了对CFRP板材加固足尺的混凝土砌块墙体的抗震性能试验研究, 并建立了CFRP板加固墙体的抗剪性能的力学计算模型。彭少民、卢会芳等研究了CFRP加固低强度无构造柱带窗洞墙片和有构造柱带侧门洞墙片的抗震性能。研究结果表明, 采用CFRP板斜向交叉成“X”形粘贴, 并在端部锚固处理的加固方式比整片粘贴CFRP板的加固效果更明显。他们的研究进一步指出, CFRP垂直“X”型裂缝粘贴的试件加固效果比沿“X”型裂缝粘贴的试件要好。然而强度低的砌块在加载过程中局部碎裂, 使CFRP局部剥离, 端部剥离最为严重, 影响了CFRP强度的发挥, 所以在CFRP端部进行锚固是必要的。对于带窗洞墙片的加固, 在窗洞四角加斜向压条, 既能起到锚固作用, 同时又起阻裂作用。
2.1.3 FRP加固砌体结构平面外抗弯性能研究
Ehsani等对粘贴GFRP片材加固砖砌体的平面外抗弯性能进行了试验研究, 试验分析了环氧树脂粘结剂类型、砌筑砂浆强度、GFRP材料强度以及表面处理方法等对加固效果的影响。试验表明, GFRP的抗拉强度对加固砌体的最终破坏形式起控制作用。2001年, Michael等分别采用粘贴CFRP和GFRP对砌块墙体进行平面外抗弯加固试验研究, 分别研究了砌块抗压强度、FRP布类型、粘贴条数、粘贴宽度、布置方式、竖向压力大小等因素对抗弯加固效果的影响。试验结果表明, 粘贴FRP片材可以有效地提高墙体的平面外抗弯极限承载力和延性, 砌体的平面外抗弯强度和刚度都有较大的提高。FRP加固砌体的抗弯破坏形式主要有FRP布剥离破坏、FRP布受弯断裂破坏、端部剪切破坏、弯剪联合破坏等。Michae根据试验结果提出了FRP布加固砌体的抗弯承载力计算公式, 提出了荷载-变形曲线的2阶段模型, 第1阶段为弧线段, 到砌体出现初始裂缝为止, 主要体现砌体本身对刚度的贡献;第2阶段基本上是直线段, 主要体现FRP布对加固砌体刚度的贡献, 其中FRP类型和用量对第2阶段的刚度变化影响较大。砌体上作用的竖向压力对第1阶段的刚度有增大作用, 而对第2阶段的刚度则有减少作用。FRP粘贴布置方式对整体刚度影响不大, 但对2个阶段的转折点位置有一定影响。
2.2 FRP加固砌体结构存在的问题
(1) 对于一些特殊的建筑, 抗疲劳设计可能成为设计的控制因素, 关于FRP加固砌体结构疲劳特性的研究在国内外还较少。
(2) 目前, 国内外尚未制定有关FRP加固砌体结构防火设计的规定, 我国尚未制定有关FRP在砌体结构中设计的规定, 制约了FRP的推广应用。
(3) FRP加固墙体的破坏机理还未形成共识, 理论尚不完善, 存在争议。
(4) 砌体材料与混凝土有很大区别, FRP加固混凝土结构在剥离方面的结论不一定适用于砌体结构。 [ID:7258]
参考文献
[1]岳清瑞.第二届中国纤维增强塑料 (FRP) 混凝土结构学术交流会论文集[C].北京:清华大学出版社, 2002.
[2]蔡志鸿.芳纶纤维布加固砖砌体的抗剪性能试验研究[D].厦门:华侨大学, 2004.
FRP加固 第4篇
框架节点是框架结构中一个重要的结构部位, 它在框架中起着传递和分配内力, 保证结构整体性的作用。结构抗震设计, 应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的设计思路[1], 强节点可以保持框架的整体性, 使内力在梁、柱构件中分配传递, 协调各杆件共同抵抗外力。因此, 节点核心区以及与之相连的梁端和柱端往往是设计、施工的关键控制部位[2]。但由于一些客观原因, 会使节点容易产生抗震性能不足的问题, 如地震作用、设计或施工上的不足、建筑功能的改变、环境因素造成的钢筋腐蚀等, 因此, 节点加固就显得十分重要。
目前, 加固节点的方法很多, 如传统的加大截面法、外包钢法、预应力加固法, 还有近十年来出现的纤维增强塑料 (FRP) 加固法等。其中, 由于FRP具有比强度和比模量高、较高的强重比、良好的抗疲劳性、应用面广、便于施工等特点, 发展非常迅速, 受到了广大科研人员和工程技术人员的研究和关注。本文主要对FRP加固节点受力性能的影响因素进行总结、分析, 指出各因素对纤维加固后节点受力性能的影响规律, 供科研人员和工程技术人员参考。
2节点受力特点
在混凝土框架结构中, 根据节点所处部位和梁柱数目的不同, 有顶层边柱节点 (L型) 、顶层中柱节点、中间层边柱节点 (T型) 和中间层中柱节点 (十字型) , 不同类型节点的受力特征不同, 破坏类型也不同[3]。
通过结构受力分析, 我们可以得出, 在竖向荷载作用下, 中柱节点两侧横梁的梁端都是负弯矩, 柱端弯矩较小, 柱子主要受轴向力;而边柱节点梁端的负弯矩较大, 柱端弯矩较大。因此, 中柱节点核心区受剪力较小, 而边柱节点核心区受剪力较大。在水平荷载作用下, 节点受水平剪力很大, 一般为柱子的4~6倍[4], 节点两侧的梁端弯矩是同号的, 梁端弯矩通过钢筋拉力和压区混凝土压力传递, 同一根梁筋在节点的一侧受拉而另一侧受压, 因而节点受到的水平剪力相对于竖向荷载下的节点剪力要大得多。在水平剪力和轴向压力的作用下, 节点核心区将产生很大的斜拉力, 使混凝土产生斜裂缝, 发生剪切破坏。
对于顶层边柱L型节点, 其梁柱内的钢筋都要在节点核心区锚固, 受荷后节点在弯矩作用下, 纵筋易发生锚固破坏, 导致节点核心区破坏;顶层的中柱T型节点, 梁筋可以直接通过节点而无锚固, 在水平荷载作用下, 梁的抗弯能力比柱子的抗弯能力强, 因而柱端更容易出现塑性铰;中间层边柱T型节点, 强柱弱梁比较容易满足, 但相对于其他类型节点来说钢筋锚固较难, 容易出现梁筋和柱筋的相对黏结滑移;“十”字型中间层中柱节点, 由于该类型节点四周有梁的约束, 比较安全, 但是在强烈地震作用下, 节点两侧的梁端受到很大剪力, 容易发生核心区剪切破坏[5]。
3纤维加固节点受力性能的影响因素分析
3.1纤维类型
常用的FRP从原材料丝束上来划分, 主要分为碳纤维增强塑料 (CFRP) 、玻璃纤维增强塑料 (GFRP) 、芳纶纤维增强塑料 (AFRP) 。采用各种FRP加固结构时既可以单独使用, 也可以混杂使用, 前者可称为单一纤维加固, 后者则为混杂纤维加固, 从现有研究分析来看, 两者各有利弊, 但总体来讲效果都不错。
CFRP具有高强轻质, 高弹性模量, 抗腐蚀, 耐老化, 物理性能稳定等极其优越的性质, 主要缺点是极限延伸率较低, 从而抗冲击性能差。GFRP最大的特点是与混凝土的线膨胀系数相近, 表明其与混凝土结构的协同工作性能良好[6], 但其弹性模量低, 在潮湿环境和碱性环境中, 长期荷载或循环荷载作用下能力有较大降低。AFRP除具有高强、高弹性模量性能外, 还有较高的耐热性能, 即使在高温条件下也能保持较高的强度, 但是紫外线直接照射会降低其力学性能, 而且其松弛率较大。
研究表明, 由于节点区域受力复杂, 在抗震加固中, 将两种纤维按照合适的比例混杂粘贴使用, 效果比较好[7]。文献[7]通过4个混凝土T型节点的抗震性能试验, 得出以下结论:采用CFRP加固与采用CFRP、GFRP混合加固相比, 前者的屈服荷载、屈服位移、极限位移提高值都高于后者, 但是后者的极限荷载、极限荷载提高率、位移延性系数都高于前者, 因此, 单一纤维加固与混合纤维加固各有其优点。
3.2 FRP加固节点粘贴方式
在现有的纤维加固框架节点的粘贴方式中, 主要有L型、X型、U型和混合型等加固方式。文献[8]对两种FRP加固框架T型节点的粘贴方式展开了研究, 分别建立了3个有限元模型, 第一个模型为未加固节点, 第2个模型为在节点受拉面上粘贴L型纤维布, 第3个模型为在第2个模型基础上粘贴U型箍 (见图1) 。
L型和U型纤维布均采用碳纤维材料, 模型二的研究结果表明, 仅采用L型纤维加固时, 若梁柱表面的纤维布延伸长度过短, 将会导致纤维布自由端提前发生黏结破坏, 不能充分发挥纤维布的加固作用;若延伸长度过长, 将会导致自由端的部分纤维布不能发挥作用, 造成不必要的浪费。分析还指出, 梁柱角部的剪应力很大, 会使得角部的纤维布有剥离梁柱表面的趋势, 采用模型三的加固方式, 可有效减小这种趋势。模型三的研究结果表明, 较未加固相比, 混凝土最大应力和梁端竖向位移有小幅度降低, 纵筋最大拉应力明显下降 (见表1) 。
针对中间层“十”字节点采用不同的加固方式, 模型取自文献[9], 取其3个试验模型结果做对比分析, 模型一试件不作加固措施作为对比试件, 模型二、三均沿梁长上下粘贴一层碳纤维布延伸至柱端150mm, 并在梁根部加碳纤维布条形封闭框, 而模型三则另外在梁上沿梁长按一定间距布置碳纤维布条形封闭框 (见图2) 。具体试验结果如表2所示。
由表2可知, 试件经过加固后的屈服荷载和极限荷载均有明显提高, 模型三较模型二提高大, 是因为模型三沿梁长布置了碳纤维条形封闭框, 能进一步约束混凝土, 提高其强度, 尽管两种加固方式不同, 但是其屈服荷载和极限荷载却相差不太大, 也就是说在采用模型三的加固方式相比于第二种加固方式, 虽然承载力有所提高, 但是提高幅度有限。同时, 加固后试件的屈服位移、极限位移、位移延性系数均大于加固前, 说明采用不同加固方式加固节点, 对提高节点的延性均很有效果。
3.3 FRP加固节点粘贴厚度的影响
文献[8]对第三个模型的纤维布粘贴层数进行了研究, 分别采用1, 2, 4层 (纤维布厚度为0.11mm) 纤维布进行加固, 以此分析纤维布黏贴厚度对加固节点的影响。通过对有限元模型结果的分析, 可以得出, 粘贴层数增加, 可以有效降低混凝土的最大压应力和梁中钢筋的应力, 起到与高模纤维布相当的作用。同时, 由于粘贴层数的增加, 纤维布上承担的拉力增大, 使得混凝土与纤维布间黏结界面的剪应力相应增加, 易发生黏结失效。因此, 理论上来说, 粘贴层数的增加可以有效降低框架节点处的混凝土和梁纵筋的应力, 但是会因为剪应力的相应增加而导致纤维布过早失效, 不能充分发挥纤维布的加固作用。
文献[10], 通过改变FRP粘贴厚度来分析极限荷载、初始开裂位移和开裂荷载的变化规律, 试验结果依然表明, 黏结厚度的增加, 会相应增加黏结界面的剪应力, 导致加固过早失效。
4结语
通过对现有FRP加固梁柱节点影响因素的研究和分析, 可以得到以下一些基本规律:
1) 纤维材料类型、加固方式和纤维材料厚度均能对纤维加固节点受力性能产生明显的影响, 需要在加固时合理设计;
2) 不同类型纤维具备不同特点, 应根据工程实际进行合理选择;混杂纤维在提高节点极限荷载和延性方面作用更加明显;
3) 应根据不同节点受力特点选择合理的纤维粘贴方式, 粘贴时应采取可靠措施防止纤维布过早产生黏结破坏;
4) 纤维布厚度的增加可以提高纤维承载比例, 但容易引起黏结界面上剪应力过大, 产生黏结破坏和失效。
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FRP加固 第5篇
关键词：FRP,加固,混凝土梁
1 概述
由于外部环境和内部材料等因素的影响,混凝土桥梁随着时间的推移会出现劣化现象。已经劣化的结构需要及时修理,以保持其原有的使用功能并延长其寿命。有时,由于设计不周或施工不当也需要对他们进行加固,以适应各种环境变化和荷载增加的要求,于是便产生了各种各样的桥梁加固工艺。
用“碳纤维增强聚合物”(CFRP)对桥梁进行抗弯加固的方法,目前使用已非常普遍,尤其是当结构处于腐蚀环境时,更适于采用这种复合材料进行加固。CFRP加固桥梁的方法有两种:一是外部粘贴法,即将碳布直接粘贴在混凝土受拉面上;另一种称为嵌入法,先在混凝土保护层中开槽,内填环氧树脂,再将碳板或碳棒嵌入其中。这两种方法都是把加固材料与构件混凝土粘结在一起。要求在全长范围内,将碳布(板)牢牢地粘贴在混凝土上,避免出现开胶而过早破坏。
近几年来,已经出现用预应力FRP来加固桥梁,可以最大限度地提高承载能力和改善使用性能。
图1显示出了未加固梁、FRP加固梁和预应力加固梁的“荷载—挠度”曲线。从图中可以看到,用FRP加固过的梁,其极限承载能力有大幅度提高,但他们的延性比未加固梁下降,尤其是用预应力FRP加固的梁,其延性下降了很多。
结构延性的降低值得认真对待,因为它可能引起结构的脆性破坏而没有预兆。因此,在用FRP加固混凝土结构时应权衡得失。遗憾的是,大多数同仁仅把注意焦点对准了提高承载能力。
近几年来,工程师们开始关注这样一个问题:在提高结构承载力的同时,如何提高它的延性。曾有人提出加固材料FRP完全不与混凝土面粘贴,而采用机械锚固的方法;也有人提出只粘贴两端,中间不粘贴的方法。本文推荐,仅对部分区段进行粘贴的工艺,并通过试验和分析,证明了这种方法改善了被加固构件的延性。
2 全长粘贴加固时的抗弯性能
将碳布全长粘贴在混凝土面上是目前最常用的方法。它可以使两种材料形成完整的组合截面,采用常规的“变形协调”方法进行分析。截面分析的过程如图2所示。
按力的平衡原理可以求出所需的FRP面积Af,b,此时在截面破坏时,FRP被拉断和混凝土被压碎将同时发生。而如果FRP用量过大,则混凝土先被压坏,即脆性破坏发生。在上述分析中,假定了在截面破坏时,原有的钢筋已达到屈服。这是最常见的情况,因为混凝土梁大多是低筋设计。
3 部分长度粘贴时的抗弯性能
部分长度粘贴就是有意识地只粘贴一定长度的FRP,而另一部分则不和混凝土面粘贴。如简支梁,可在跨中一带不粘贴,只在两端支座附近粘贴。粘贴长度应满足FRP的拉力要求。
一种极端情况是完全不粘结,仅在FRP两端用机械的方法进行锚固。
图3显示了全粘贴、部分粘贴和完全不粘贴三种情况下的应力分布和应变图形。图中假定为简支梁,受跨中集中荷载。图3a为钢筋屈服前阶段,在这个阶段,部分粘贴(和完全不粘贴)中的FRP拉应力低于全粘结的FRP应力。图3b为钢筋屈服后阶段,此时钢筋应力已达屈服,应力不再增加。如果继续加载,则FRP的应力会增加,直到与全粘贴时的FRP应力相等。
4 加固构件延性的改善
部分粘贴的加固方式,有一段是和混凝土分离的,与原结构未形成“组合截面”,不存在变形协调条件。为达到变形协调,FRP的未粘贴区段必须先伸长,直止其伸长值等于与它同高度的混凝土伸长值。也就是说,此时FRP的应变值等于同高度的混凝土应变的平均值,这就增加了结构的变形能,改善了结构的延性。
5 结论
(1)结构分析计算表明,部分粘贴法加固的条件,在结构提高承载能力的同时,与全粘贴相比,改善了被加固构件的延性。
(2)试验结果表明,部分粘贴加固梁的挠曲延性有明显改善,但应避免过早开胶的现象出现。
(3)全粘贴加固方法,降低了结构延性,有可能引起结构的脆性破坏。
参考文献
FRP加固 第6篇
混凝土结构加固设计规范(GB 50367-2006)指出碳纤维加固不适宜混凝土强度低于C15的情况,而且对于混凝土强度低于C15的老化梁却没有提出相关加固计算公式,国内外也未见相关报道。对此西南科技大学贾彬等人根据旧梁的特点研发了CFRP+置换混凝土+植筋的复合加固方法对旧梁进行加固修复,并通过实验论证,修复加固后梁的极限抗弯承载能力平均提高了48.1%,经试验验证达到了CFRP修复加固旧梁的有效性。
本文基于FRP加固法的相关计算理论和植筋法对于新旧混凝土剪切面的影响,从理论上分析说明此法对于加固旧梁承载力的提升的原因,可以为今后加固老化梁方面的工程提供一定的借鉴作用。
1CFRP复合加固工艺及相关试验
工艺流程为裂缝灌胶,剔除梁底保护层混凝土厚20 mm～30 mm,每隔150 mm凿出长100 mm,深150 mm的凹槽,坑内植入间距100 mm的双排交错锚固钢筋,用C30细石混凝土浇灌至原状,再粘贴CFRP布。其中修复混凝土采用C30 细石混凝土,石子粒径4 mm～8 mm。锚固钢筋采用L形ϕ12的HPB235螺纹钢筋,加固所用结构胶的主要性能均满足相应规程,如图1,图2所示。
试验表格中L0是对旧梁剩余承载力进行测试,L1和L2是先被采用复合加固方法对旧梁进行加固后进行承载力试验,根据其挠度与荷载图确定其极限承载力,试验结果如表1所示。
2FRP复合加固旧梁抗弯承载力计算
2.1 基本假设
文献[1][2]以及混凝土结构加固设计规范对于碳纤维布加固钢筋混凝土进行承载力的计算必须同时满足平截面假定,钢筋应力等于钢筋应变与其弹性模量的乘积,截面受拉区混凝土的抗拉强度不予考虑,受压区混凝土的应力图形可简化为矩形。同时碳纤维布的应力应变关系满足σf=Ef×εf。
此外针对于复合加固旧梁的承载力计算还需满足以下两个条件:
1)在达到抗弯承载力极限状态前,碳纤维与混凝土之间必须粘结可靠,不发生粘结剥离破坏。2)对于置换混凝土法加固修复的受弯构件在荷载作用下新老混凝土之间不发生明显错动,开裂现象。由于加固构件是混凝土强度低于C15的旧梁,直接粘贴碳纤维布在受到荷载作用下势必不能满足假设1)的要求,但是复合加固方法置换了保护层的老化混凝土,且新旧强度比达到2.0,同时采用合理的结构胶,完全能够满足此项假定。对于假定2),文献[4][5]均指出规范的植筋法在试件发生明显的延性破坏,即试件在有较大裂缝的情况下仍具有较大的剪切强度,表明了植筋法新老混凝土的粘结加固在理论上是具有良好效果的,所以我们在理论计算时可以假定假设2)是成立的。
2.2 抗弯承载力理论计算
试验中旧梁长4 000 mm,截面高350 mm,宽200 mm,底部受拉钢筋4Φ16;顶部纵向钢筋为2Φ18。受压钢筋为HPB235级(fy=210 MPa,As=509 mm2),受拉纵筋为HRB335级(fy=300 MPa,As=804 mm2)。旧梁是在加载至开裂后进行复合加固修复,其中碳纤维粘贴两层,旧梁现场实测混凝土强度平均值为13 MPa,标准设计值取9 MPa;钢筋面积按70%折减;采用碳纤维具体参数如表2所示。
旧梁极限抗弯承载力计算:
1)加固前旧梁抗弯承载力计算:
因为x<2as′,所以取x=2as′=80 mm。
2)加固后旧梁抗弯承载力计算:已知规范给出的纤维加固计算公式如下所示:
其中,εu为混凝土极限应变,取0.003 3,其余数据见表2。
已知实验中碳纤维布粘贴两层,则:
Afe=km·Af=0.9×2×0.111×200=40 mm2。
由式(2)和式(3)计算可得混凝土的受压区高度为:
x=105 mm。
代入式(1)计算:
旧梁加固前的极限承载力计算值为59 kN·m,实测值为55.3 kN·m,加固后极限承载力计算值为79.7 kN·m,试验平均值为82 kN·m,计算值和试验结果基本符合,这说明规范给定的公式同样适用于FRP复合加固旧梁的承载力计算,同时由试件破坏结果我们可以看出在荷载作用下新旧混凝土表面没有出现水平裂缝,说明植筋法对于提高界面的抗剪强度效果显著。
3结语
1)实验中采用复合加固梁的平均极限抗弯承载能力及开裂荷载比直接粘贴CFRP布数值提高显著,延性也大为改善。2)对低强度旧钢筋混凝土梁,采用简单置换保护层混凝土的办法可保证CFRP布不与新做混凝土脱离。3)混凝土结构设计规范给定的受弯构件正截面承载力计算公式适用于FRP复合加固修复技术。4)混凝土的换浇、碳纤维布的粘贴、旧梁凹槽的设置以及植筋对提高旧梁(特别是开裂后)的抗弯刚度有直接贡献。
参考文献
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FRP加固 第7篇
FRP是一种在树脂母体中用纤维加筋并添加某些材料制成的复合材料。它的制作是将碳纤维、聚酰胺纤维或玻璃纤维等以某种方法做成束状, 边浸渍于耐碱性的树脂中, 边使其硬化, 最后形成由纤维与环氧树脂组成的复合材料。通常情况下都是使用纤维布类及棒状的FRP筋, 也有的加工成平面板状、片状或立体网状等纤维增强塑料。我国学界对FRP的翻译也不尽相同, 被大多数人所接受的译法是纤维增强复合材料。人们根据所加纤维的种类不同把它分为C F R P (碳纤维增强复合材料) 、GFRP (玻璃纤维增强复合材料) 和AFRP (芳香烃聚酰胺纤维增强复合材料) 。FRP具有强度高、重量轻、抗腐蚀、低怯弛、易加工等诸多优点, 另外, 与钢材相比, 它还是非导磁体和绝缘体, 是钢材的良好替代物, 在混凝土桥墩、梁和柱的加固以及防腐蚀方面具有广泛的应用前景, 尤其作为预应力筋其优势更加明显。
2. FRP国内外的研究状况和基本理论
在过去的30年内, 欧洲、北美和日本对于FRP在建筑结构加固方面的应用进行了广泛的研究, 并制定了一些行业标准。在美国, Ritchie、Saadatmanesh和Ehsani等人研究了CFRP或GFRP复合材料加固钢筋混凝土梁的静态力学性能。此后, Berset等人曾研究用FRP来进行钢筋混凝土梁的剪切加固。在沙特阿拉伯, Sharif等人也做了这方面的类似研究。
在国内, 这方面的研究在近十几年也正在积极开展, 国内的清华大学、天津大学、同济大学和东南大学等也都致力于这方面的研究, 并进行了多项成功的应用。从这些研究可以看出, FRP在建筑结构方面的应用主要集中在以下三个方面:
(1) 把FRP复合材料粘在钢筋混凝土梁的拉应力表面, 以提高混凝土梁的弯曲刚度和强度。
(2) 把FRP作为钢筋混凝土柱子的外套, 以提高柱子的抗弯和抗剪性能, 增强混凝土的抗震能力。
(3) 将FRP包裹在混凝土柱子的外面, 以增加混凝土柱的轴向承载能力。
混凝土在受压时, 内部将产生大量的微裂纹, 这些微裂纹的产生将促使混凝土产生较大的侧向膨胀, 用FRP包裹在混凝土的外表进行侧向约束, 可以使内部的混凝土处于三向受力状态, 其承载能力将大大提高。这个原理被广泛地应用于桥墩的加固, 以提高其抗震性能。对于圆柱体的混凝土构件而言, 其加固效果是非常显著的, 但是对于方形截面的混凝土柱的加固效果却不甚理想。所以东北大学唐春安教授建立混凝土数值模型MFPA时, 用FRP进行混凝土椭圆柱加固的一些试验研究, 以证明对椭圆柱试样进行改形然后再进行用CFRP约束的加固方案具有实用性。
混凝土的强度、柱的截面形状、FRP复合材料的种类和厚度等都会对约束的效果产生不同程度的影响。在过去的十几年, 国外在这方面进行了广泛的试验研究, 并且都根据各自的试验结果建立了相应的分析模型。可以预测FRP约束混凝土柱的强度, 这些公式一般具有如下形式:
式中:和分别为未约束混凝土的单轴抗压强度和极限压缩应变;
和为在约束载荷的作用下混凝土的强度和极限应变;
k1和k2为由实验确定的系数。
早在1928年Richart等人就取k1=4.1并且k2=5k1来预测混凝土在围压作用下的强度。此后, 文献[13]、[15]等都考虑了围压是被动约束产生的, 在自己和以往实验结果的基础上提出了相应的回归模型。
1997年KirahbraKi等人[14]对公式 (1) 进行了修正, 又提出如下的表达:
式中:和t分别为约束材料的抗拉强度和厚度;
d为混凝土柱的直径。
以上的研究只是给出了混凝土受FRP约束后强度和极限压缩应变的提高, 却未能给出FRP约束混凝土的应力-应变曲线。
FRP约束混凝土在轴向载荷作用的初始阶段, 应力-应变关系基本上是线性的, 由于FRP的泊松比与混凝土的接近, 其受力很小。当载荷增加到一定值时, 混凝土内部开始损伤, 混凝土的侧向变形开始增加, 而F R P要限制混凝土的侧向膨胀, 于是FRP的约束作用开始表现出来, 在应力-应变曲线上也发生变化。当FRP的环向拉伸应变达到其极限应变时, FRP被拉断, 整个混凝土柱的强度也迅速丧失, 其内部积聚的能力瞬时释放, 整个结构表现为突出的脆性破坏。
针对FRP约束混凝土的应力-应变曲线, 人们又提出了许多的分析模型。根据混凝土柱与F R P约束的相互作用和受力平衡。Toutanji也用类似的方法得到了FRP约束混凝土应力-应变曲线的分析模型。由于每个模型往往是针对有限的几个实验结果建立起来的, 比较片面, 各个模型之间的差异就比较大, 再加上混凝土实验本身的离散性, 目前很难有一个公认的模型。因此, 这个方面的研究还有待于进一步深入。
3. 前景展望与问题建议
作为近些年新兴的研究科学, 随着FRP成本的不断降低, 其应用在不久的将来必将更加广泛。因此用其约束混凝土在土木工程领域中有着广阔的应用前景。归纳总结以下几点:
1) 在有些条件下, 传统建筑材料很难满足这种发展要求, 而FRP复合材料具有其他材料所不具备的优点使得工程中难以解决的一些问题迎刃而解。
2) 尽管FRP材料不能大面积代替传统钢筋和混凝土材料, 但其作为一种高性能材料在改善混凝土梁柱方面, 如超大跨、超高层、地下结构、高耐久性梁柱中的应用, 以及特殊环境、永久性、结构加固修复、大型工程结构的在役监测等方面的应用, 都表现出了巨大的优越性。
3) 不少研究人员认为, 以便宜的沥青为原材料的碳纤维有可能解决今后碳纤维在工程中推广应用成本高的难题。只要原材料成本降下来, 推广应用的前景是乐观的。
4) 补强加固材料FRP目前在沿海及海洋钢筋混凝土构筑物、高架桥、烟囱、土锚杆等领域应用实例甚多, 主要是利用了其耐腐蚀的特点, 这是它的一大优势。
5) FRP等作为替代钢筋的材料而构筑的建构筑物在国外已在一些特定的环境中取代了钢筋, 这种使用新材料的复合结构是对钢筋混凝土结构的一场革命, 因此这种结构的寿命周期需要重新评价。
参考文献
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