预应力FRP加固混凝土受弯构件研究进展

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2008年第7期(总第225期) Number 7 in 2008(Total No.225) 混 凝 土 

Concrete 理论研究 THE0RETICAL RESEARCH 

预应力FRP加固混凝土受弯构件研究进展 

. 王兴国’,郭锐 ,王文华’,周朝阳。 

(1.河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;2.中房集团濮阳市城市综合开发公司,河南濮阳457000; 3.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075) 

摘要: 由于普通黏结FRP加固混凝土受弯构件存在一些不足,预应力FRP加固法研究已成为工程结构领域的一个热点。对预应力 FRP片材加固的研究现状进行了分类,指出了现有研究尚未开展的方向,可供加固研究参考。 

关键词:混凝土受弯构件;FRP;预应力;加固 

中图分类号:TU528.571 文献标志码:A 文章编号: 1002—3550(2008)07-0019—04 

Progress in studying concrete flexural members strengthened with prestressed FRP laminates 

WANGXing-guo .GUORu .WANGWen-hua],ZHOUChao-yan ̄ (1.School ofCivil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 

2.PuyangUrbanConstruction SyntheticalDevelopmentCompanyofChineseRealEst ̄eGroup,Puyang457000,China 3.School ofCivil Engineering and Architecture,Central South University,Changsha 410075 China) 

Abstract:According to the weakness of reinforced concr ̄e structure strengthened with FRP sheets,research of RC flexural members stren— thened with prestressed FRP is becoming a hot spot.The sort of strengthening methods of extemally prestressed FRP based on the pretressing mea— 

sure is presentee1.And the undone field ofthis method is pointed out,which may be the reference of strengthening research. Key words:RC flexural member;FRP;prestress;strengthening 

0 引言 

FRP材料由于轻质、高强、耐腐蚀、操作方便等特点,近几 

年在工程结构加固中得到广泛应用。外贴FRP加固混凝土结构 

虽然对结构正常使用影响较小、施工速度快、附加荷载轻、对控 

制裂缝和增大刚度有一定作用,但是,该加固法也有下列一些 

不足 ]:①正常使用阶段,高强材料FRP的强度利用率较低,一 

般不超过30%;@FPa'一混凝土界面有限的应力传递能力可能会 

大大降低预期的加固效果,导致脆性破坏,如FRP端部的早期 

破坏,由剪切或弯曲裂缝引起的剥离破坏等;③对于已有一定 

损伤的既有结构而言,外贴FRP加固不能解决已有损伤的恢复 

问题;④普通外贴FRP加固法对改善使用阶段性能作用有限。 

于是,一种集合了预应力加固技术和外贴加固技术优点的新方 

法(预应力FRP加固法)得以开展研究,下面对该方法近年的研 

究工作做一综述。 

1预应力片材抗弯加固研究 

目前对FRP片材施加预应力的方法基本有3种,下面分别 

展开叙述。 

1.1反拱法 

粘贴非预应力纤维片材之前先使受弯构件反拱,再在其使 

用阶段受拉面粘贴纤维片材,胶黏剂固化后,卸去外载释放反 

拱,从而使得纤维片材产生预应力,见图1。 预应力FRP材料 

何藏 

预应力FRP; ̄料 (b) 图1反拱法 

Saadatmanesh和Ehsani 用千斤顶在跨中将混凝土梁顶起, 

将GFRP板粘贴在梁的受拉区域并保证其位置固定不动,当胶 

黏剂固化完全后,再放松千斤顶,于是GFRP板中便有了预应 

力,如图1(a)所示。试验梁为4 570 mmx200 mmx460 ITInl的双 筋矩形截面梁,采用图1(a)方式粘贴6ITInl厚的GFRP板,4点 

弯曲试验结果表明,与对比梁相比,粘贴预应力GFRP板补强的 

收稿日期:2008-01—12 

基金项目:河南理工大学博士基金;河南省科技攻关项目;教育部博士点基金项目(20050533042) 

・19・

 维普资讯 http://www.cqvip.com 混凝土梁开裂荷载提高100%以上,破坏荷载提高400%以上。 

Yu、Silver和NarⅡli闭也通过反拱法获得预应力,步骤为:① 

混凝土板受拉面作用预应力钢索;②将CFRP布粘贴在混凝土 

板的受拉面上,并用GFRP锚钉锚固;③胶粘剂固化后,将钢索 

慢慢放张,CFRP一混凝土板即成为预应力构件。混凝土板尺寸 

为:6 300 mmxl 000 mmx220 mm,外贴两片CFRP条带,试验 

结果表明,GFRP锚钉性能较好,加固板发生CFRP断裂破坏, 承载力比对比板提高了80%。 

赵启林等同分析了利用反拱对钢结构进行预应力加固的可能 

性和基本思路,给出了正截面应力解析表达式,并与ANSYS计算 

结果进行了对比,理论上说明了该方法的可行性。 

王锋等f 也采用反拱法利用木梁在外载作用下产生弯曲变 

形而带来的梁上下表面的应变差来完成预应力的施加,给出了 

在预应力条件下黏结应力的解析表达式,具体预应力施加过程 

如图1(b)所示。 

1.2先张法 

通过外部反力架预张拉纤维片材,然后粘贴到待加固的构 件上,待养护完毕后,在构件端部剪断纤维片材进行放张,对加 

固构件施加预应力,该法可称为先张后粘法,简称先张法。 

Triantafillou和DeskovicIs1据图2所示方法提出了一个预应 

力FRP片材加固梁分析模型,该模型假定:预应力放张后,破坏 

是由FRP上的梁端部混凝土中高剪应力或胶粘层的屈服引起, 

破坏不发生在锚固区附近。利用弹性理论,推导了易引起胶层 

破坏或加固构件端部混凝土剪切破坏的最大预张应力计算公 

式,并分别就木梁和混凝土梁进行了参数分析。 

F a 、3 

[二二二二] 

b 

一.. =≈======================;====:===========一_一 

d a:张拉;b:黏结并养护;c:预应力释放;d:剪除多余部分 1.混凝土梁;2.环氧胶;3.加固片材 图2先张法的预应力施工过程 Yu、Silva和Nannitg[首先利用钢梁的螺杆顶升使CFRP布获 

得初始预张力(约为CFRP片材拉伸强度的15%),再将预张好 

的片材和张拉体系放在试验梁受拉面上,胶层固化后,在FRP端 

部采用u型CFRP布锚固,卸去张拉体系,即可获得预应力构 

件,见图3。试验梁尺寸为:2440mmx203mmx304.8mm,试验结 果表明,预应力加固梁开裂荷载比普通外贴加固梁提高了67%, 

比基准梁提高了181%;预应力加固梁极限承载力比普通外贴加 

固梁提高了26%,比基准粱提高了65%。 

国内在先张预应力FRP加固混凝土梁方面也有一定的研 

究。江世永 l】]、尚守平[J2】、童谷生等㈣、叶列平[14]、Huangt 51以及 

作者嗍等人所在课题组分别采用该方法对CFRP布或GFRP片 

材施加了一定水平的预应力,然后加固混凝土梁,考察了混凝 

土梁配筋率、加固材料、试验梁加载历史,预应力度等参数变化 

对试验梁弯曲性能的影响。试验表明,预应力加固梁的开裂荷 

载和屈服荷载提高明显;二次受力对预应力碳纤维布加固构件 

・2O・ (a)对CFRP布施加预应力 

(b)将预应力布粘贴在混凝土梁受拉面 图3预应力施加图示 的屈服荷载和极限荷载影响不大,而且与一次受力构件相比, 

刚度变化率相当,只是由于加固前初始荷载下挠度和曲率的影 

响,使得二次受力构件挠度值和曲率值较一次受力构件大;随 

预应力水平的增加,被加固构件的开裂荷载、屈服荷载及抗弯 

刚度相应提高明显。 

岳清瑞、杨勇新等ll7 对他们采用的外贴预应力碳纤维布 

加固混凝土梁的施加工艺、锚固方式以及预应力损失进行了试 

验研究,也对u型箍约束预应力片材的布置原则、有效预应力 

计算以及放张后预应力碳纤维布的传递面积、混凝土梁反拱等 

进行了探讨。 郭馨艳、黄培彦等 推导了预应力FRP片材增强RC梁放 

张后的有效预应力、预应力损失量和容许张拉预应力的计算表 

达式,并与有关试验结果进行了计算,基本吻合。 

1.3后张法 

在加固构件上设置永久性锚具,纤维片材以加固构件本身 

作为反力架进行张拉,张拉完毕后便锚固在构件上,其中片材 

主要采用机械锚固。该方法可称为后张法。 

E1.Hacha等[21]对预应力CFRP布加固预应力混凝土T型梁 

在室温、低温下短期及长期性能进行了试验研究,端部采用了 

机械锚固措施,见图4所示,着重考察了环境温度变化对加固 

梁的行为影响以及预应力损失情况。试验梁均为无黏结后张预 

应力梁开裂后预应力加固,预应力水平约为CFRP布拉伸强度 

的50%(约为650 MPa)。试验结果表明,加固梁在室温和低温 

下短期及长期性能试验时未发生胶层黏结破坏;在不同环境下 

长期性能研究中预应力得以有效保持,室温下1年后预应力损 

失平均约为CFRP布抗拉强度的11%,而低温下预应力损失平 

均约为CFRP布抗拉强度的4.5%。 

Garden、Quantrill和Hollawayt 2 】采用了支座自锚、端部锚 

栓锚固两种情况,

采用预应力CFRP板加固了不同尺寸混凝土 维普资讯 http://www.cqvip.com