预应力CFRP软粘结加固技术及其施工工艺

江苏建筑　２００８年第３期（总第１２０期）　２９　预应力ＣＦＲＰ软粘结加固技术及其施工工艺　李青松　田安国・单建ｚ　（，淮海工学院土木工程学院，江苏连云港２２２００５；　东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６）　『摘　要１　通过普通粘贴碳纤维布（ＣＦＲＰ）在加固混凝土结构中的缺陷与不足，提出通过施加预应力和采用软粘结技术来　克服ＣＦＲＰ现有加固技术的缺陷，使ＣＦＲＰ的强度得到充分利用，改善构件的结构性能，提高结构加固的效率。在此基础上，　开发了一种新型便捷的预应力ＦＲＰ锚固和张拉技术。试验表明，这一技术能方便、可靠地将各类ＦＲＰ布张拉至理想的应力　状态．并提出了完整的预应力ＣＦＲＰ软粘结加固混凝土构件的施工工艺。　『关键词１　预应力ＣＦＲＰ；软粘结；加固；施工工艺　【中图分类号］ＴＵ７５７【文献标识码］Ｂ【文章编号］１００５—６２７０（２００８）０３—００２９一ｏ３　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ＣＦＲＰ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＬＩ　Ｑｉｎｇ－ｓｏｎｇ　ＴＩＡＮ　Ａｎ－ｇｕｏ　ＳＨＡＮ　Ｊｉａｎ　（　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｔｅｇｅ　ｏｆ　Ｈｕａｉｈａｉ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２２００５　Ｃｈｉｎａ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００９６　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｃｏｎｑｕｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｏｆ　ＣＦＲＰ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｆｕｌｌ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＦＲＰ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｂｅｔｔｅｒｓ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｍｅｍｂｅｒｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ　ａｎｃｈｏｒ　ａｎｄ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ＦＲＰ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｓ　ｈａｖｅ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｓｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｃａｎ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ＦＲＰ　ｆａｂｒｉｃｓ　ｔｏ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｓｔｒｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｂｒｉｎｇ　ｆｏｒｔｈ　ａｎ　ｅｎｔｉｒｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｌｆｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ＣＦＲＰ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ　ＣＦＲＰ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ；ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　０引言　相关研究资料表明，ＣＦＲＰ加固受弯构件有以下６种破　ＣＦＲＰ加固补强混凝土结构技术是一种性能好、应用普　坏形态：　遍的混凝土结构外部加固修复新技术。碳纤维材料具有高　①超筋破坏，即受拉钢筋屈服前受压区混凝土压坏。　强高效，良好的耐腐蚀及耐久性．不增加构件自重及体积，　②部分超筋破坏，即钢筋屈服后受压区混凝土压坏．　适用面广，便于施工等优点。但采用无预应力直接粘贴方式　ＣＦＲＰ未达到极限拉应变。　加固时，由于纤维布的应力滞后造成ＣＦＲＰ的强度利用率　③适筋破坏，即钢筋屈服后ＣＦＲＰ达到极限拉应变．而　很低。试验表明，构件达到正常使用极限状态时．ＣＦＲＰ的　受压区混凝土尚未压坏。　应力只有约３００ＭＰａ。实际加固工程中，因构件为二次受力，　④表层混凝土剪切受拉剥离破坏。　其实际的应力水平将更低。同时在使用ＣＦＲＰ加固混凝土　￣ＣＦＲＰ与混凝土间粘结基层剥离破坏。　梁时，有一种特有的破坏形态，即ＣＦＲＰ片材与混凝土构件　⑥在预应力ＣＦＲＰ加固中，钢筋未屈服而纤维布拉断。　的粘结层破坏，ＣＦＲＰ被整体剥离。这种破坏形态带有明显　对于①，ＣＦＲＰ的强度远未充分发挥．破坏时的脆性性　的脆性特点，是～种非常危险的破坏形式。剥离破坏过早发　质显著，可通过限制ＣＦＲＰ的加固量来控制；④⑤两种破坏　生使ＣＦＲＰ的高强特性无从发挥，构件实际承载力较低。　形态是由于混凝土强度较低、粘结材料强度较低或锚固长　ｌ　ＣＦＲ］？加固受弯构件　【收稿日￣］２ｏｏ８．０３．２０　１．１破坏形式　【作者简介】李青橙，￣（１９７４－），江苏连云港人，毕业于东南大学结构　基金项目：江苏省高校自然科学研究计划项目（０４ＫＪＤ５６００１１）　工程专业，工学硕士，淮海工学院讲师，一级注册结构工程师。　维普资讯 http://www.cqvip.com ３０　度不足引起的。这两种剥离破坏都有明显的突然性，可通过　采用相应的构造措施、规定最小混凝土强度和保证施工粘　结质量来控制．同时采用性能优良的粘结材料也是至关重　要的；对于⑥，可通过控制预应力度来调整；②③两种破坏　形式，相比较而言，构件有较大的变形，ＣＦＲＰ的强度也得　到了较为充分的利用，是较为理想的破坏形式。　如何避免④⑤两种破坏形式，首先要分析ＣＦＲＰ加固　混凝土构件时粘结层变形与剥离破坏的机理。　１．２剥离应力的产生　弯剪构件中纤维布与混凝土之间有两类剥离应力：一　是剥离剪应力Ｔ，主要由两个因素引起；①构件沿纵向弯曲　变形的差异，引起纤维布自身的应变梯度而产生的；②裂缝　处由于纤维布存在局部峰值应变所引起的。二是剥离正应　力　，①由裂缝处截面在剪力作用下所产生竖向的相互错　动所引起；②未施加预应力的纤维布，由于构件表面不平整，　受荷后在ＣＦＲＰ被拉直的过程中引起的。当粘结界面在这　两类剥离应力的综合作用下达到粘结层的拉剪强度或是混　凝土的抗拉强度时．就会引起纤维布与混凝土构件的粘结　层破坏或表层混凝土被撕裂，从而使纤维布被整体的剥离。　如何避免构件因粘结界面过早发生剥离而破坏，使纤维　布达到极限强度，变形得以充分发展，提高构件的极限承载力　和延性，是解决ＣＦＲＰ加固技术在工程应用中的关键问题。　２预应力ＣＦＲＰ软粘结加固技术　２．１预应力的作用　试验表明，预应力有４个方面的作用；①提高开裂荷　载，提高纤维布应力水平，解决ＣＦＲＰ加固构件的应力滞后　问题，大幅提高构件的实用承载力；②提高构件刚度，早期　纤维布应变增加较慢，纤维布的应变梯度小，减小剥离剪应　力，降低纤维布对粘结层的依赖；③增大截面受压区，提高　构件抗剪承载力，抑制裂缝发展和裂缝截面竖向错动，降低　裂缝处剥离剪应力和正应力；④预拉力使纤维布从开始就　处于平直状态，减小剥离正应力。②③④同时作用使被加固　构件的极限承载力有明显提高，纤维布的高强度也得到较　为充分的利用。但是必须注意的是选择合适的预应力度．在　刚度和延性之间取得平衡。　２．２软粘结的作用　粘结层的主要作用是将纤维布与混凝土粘结成为一个　整体，传递应力共同工作。通常加固用粘结材料，粘结强度较　高，但变形能力差，很容易发生剥离破坏。试验表明，在混凝　土强度不变的前提下，过高的粘结强度对于防止剥离破坏并　无明显的作用。所谓软粘结就是在粘结强度降低不明显的基　础上提高粘结层的变形能力，使纤维布与混凝土之间发生相　对变形（如图１所示）。通过粘结层的变形可以重新调整纤维　布的应变，降低粘结层的剥离应力，防止剥离破坏发生，使纤　维布整体的应变得以充分地发展，提高构件变形，改善构件　延性。软粘结层良好的变形能力和浸渍性可以使各纤维束协　同工作，延缓纤维布破坏过程。但必须指出的是，粘结层太软　江苏建筑　２００８年第３期（总第１１９期）　图１软粘结构件裂缝处变形示意图　将不利于抑制裂缝的发展，不利于正常使用。　经大量试验．对通常使用的环氧树脂类结构胶进行改　良．加人塑化剂和稀释剂ｆ配比环氧树脂：固化剂：塑化剂：　稀释剂＝１００：２５：１５：（５－１０））。此配比与普通的环氧树脂胶　相比强度下降不多，约１０％，变形能力可提高２～３倍；加人　稀释剂可增加结构胶的流动性和渗透性，提高结构胶对纤　维束的浸渍能力，增强各纤维束间的共同工作性能。同时适　量的稀释剂可适当推迟硬化时间，便于施工操作。　２＿３锚固的作用　由于锚固的存在，荷载较大时，力的传递不再仅依靠纤　维布与混凝土的粘结力。由于软粘结层的粘滞滑移现象，纤　维布端头处的应力将会增加，减小纤维布的应力梯度。同　时，由于锚固的存在，即使纤维布剥离后也不会脱落，不致　使构件整体失效，提高了构件的安全度。当采用多层纤维布　加固时，可靠的锚固使纤维布能更好地发挥作用。　预应力ＣＦＲＰ软粘结加固技术通过预应力、软粘结和　锚固的综合作用．可有效解决粘结层过早发生剥离破坏的　现象．使构件的承载力有了明显提高，延性也有一定改善，　在承载能力、刚度及构件延性方面取得了良好的综合效果。　３嵌入式预应力张拉技术　预应力施加方式是预应力施工技术的重要环节。传统　预应力施加方式往往是先张拉后锚固，需要相对复杂的张　拉机具，以及相应的反力装置。并且，在锚固的时候，预应力　损失也比较大。嵌人式预应力张拉技术，其特点是先锚固后　张拉，以构件本身和先前的锚固作为张拉受力装置，无需复　杂的张拉机具。同时，因采用先锚固后张拉技术，预应力损　失小，方法简便有效。通过测纤维布的应变，可以直接掌握　有效预应力。锚固张拉装置见图２。　基本原理及操作方法：如图２（ａ）所示，首先在纤维布　（ａ）安装前　（ｂ）安装后　图２锚夹具安装示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com 江苏建筑　２００８年第３期（总第１２０期）　３ｌ　和锚固钢板处抹胶，将纤维布拉直就位，盖上锚固钢板，安　表１　试验结果　装紧固螺帽．将钢筋连同纤维布向外拉，同时收紧锚固钢　板，利用钢筋与锚固钢板一端的弧面作用，通过挤压将钢筋　和纤维布向外推动，保证纤维布中各纤维束均匀受力，初步　将纤维布张紧。待胶硬结后，收紧夹具，通过夹具的相互挤　压，使纤维布收紧，从而建立预应力。如施工操作良好，一个　夹具，在４　ｍ以内跨度的构件中，可建立约４　０００　ｐ，ｅ的有　效预应力；当构件跨度较大或要求预应力度较高时，可增加　夹具的数量。　４施工：【艺　纤维布加固施工中，施工工艺和质量将直接关系到加　固的效果。先进合理的施工工艺和可靠的施工质量是取得　良好加固效果的前提。嵌入式预应力张拉技术经大量的试　验．并结合现场实际施工条件，其施工工艺及注意点如下：　④按设计要求将梁粘贴面，墙、板或柱等相关范围的抹　灰层清除，留有足够的安装位置。　起润滑作用．否则会将纤维束挤断。　②在设计要求的位置打孔，用于预埋螺栓。　②安装纤维布时注意均匀收紧，两端同时进行，圆钢不　③将表面松动的混凝土打磨找平，露出密实层，清理后　宜太细，保持纤维布受力均匀，否则会引起纤维布皱起，无　再用粘胶刮平。　法粘贴。　④清孔后将螺栓带硬胶植入孔内，蒙锚固钢板固定位置。　③锚固钢板与纤维布接触处做圆倒角，否则构件受荷　⑤螺栓处胶硬结后，采用挤推法带硬胶按图２所示方　时纤维束会提前断裂。　法安装ＣＦＲＰ，将纤维布初步张紧。　④采取两次预应力法，提高粘贴质量。　⑥锚固处胶硬结后第一次施加预应力，将纤维布完全　参考文献　拉直，纤维布与混凝土表面留有一定的空隙。　【１】　吴刚，安琳，吕志涛．ＣＦＲＰ用于钢筋混凝土梁抗弯加固　⑦在纤维布表面抹软胶，封闭纤维束间的空隙，稍干硬　的试验研究［Ｊ］，建筑结构，２０００￣）．　后进行灌胶。　【２】　Ａ＿Ｉ＿Ｋａｒａｂｉｎｉｓ　，Ｔ．Ｃ．Ｒｏｕｓａｋｉｓ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｂｙ　⑧胶稍干后第二次施加预应力至设计的控制应力（利　ＦＲＰ　ｍａｔｅｒｉａｌ：ａ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ａｐｐｒｏａｃｈ￣］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　用挤压效应可明显提高粘结质量），用胶将纤维束充分浸　２４（２００２）９２３—９３２　透，待胶初步硬结后，表面撤中砂，便于抹砂浆。　【３】　Ｚｈｉｓｈｅｎ　Ｗｕ　，Ｊｕｎ　Ｙｉｎ．Ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ＦＲＰ－　（　８　ｈ后，待胶充分硬结后，割除多余的螺杆；抹１：２水　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｆｒａｃｔｕｒｅ　Ｍｅ—　泥砂浆２０　ｍｍ厚覆盖纤维布和锚具；夹具进行防锈处理　ｃｈａｎｉｃｓ　７０（２００３）１３３９－１３５５．　后，可采用装饰手段处理。　ｆ４】Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ　ｂｏｎｄ—　５加固效果及工程应用　ｅｄ　ＦＲＰ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｒｅｐｏ￣一　我们对预应力ＣＦＲＰ软粘结加固的混凝土梁与其他加　ｅｄ　ｂｙ　ＡＣＩ　Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ　４４０．Ｍａｙ　２０００　固方式梁的性能特点作对比分析。共完成６根梁的试验；其　【５】叶列平，崔卫，等．ＣＦＲＰ加固混凝土构件正截面受弯承　中①未加固梁，②无锚固无预应力强粘结加固梁，③低预应　载力分析ｆＪ］．建筑结构，２００１（３）、　力强粘结加固梁，④预应力强粘结加固梁（预应力度为　【６】ＣＥＣＳ１４６：２００３，碳纤维片材加固修复混凝土结构技术　４　０００　．Ｂ），（妄）⑥预应力软粘结加固，其中⑤粘结层较软。梁　规程【Ｓ】．中国工程建设标准化协会，２００３．　截面为１５０　ｍｍｘ３００　ｍｉｌｌ，跨度为２　６００　ｍｉｌｌ，纤维布一层，　【７】昊刚，郭正兴，张继文．碳纤维复合材料加固混凝土结　宽１５０　ｈｉｍ．厚０．１６７　ｍｍ￣　构技术及施工要点ｆＪ］．建筑技术，２０００（６）．　在某加固改造工程中，由于使用用途变化，一根截面为　【８】昊淑梅．结构碳纤维加固技术施工工法【Ｊ】．建筑技术，　２５０　ｍｍ，＇＜３００　ｍｍ的圈梁兼过梁，跨度由１．５　ｍ变为２．９　ｍ。　２０００（６）．　经验算其抗弯承载力不足，采用预应力ＣＦＲＰ软粘结技术　ｆ９】杨宗放，方先和．现代预应力混凝土施工【Ｍ】．北京：中国　加固。用１层１５０　ｍｍ宽碳纤维布在梁底通长粘贴进行加　建筑工业出版社　固。有效预应力取４　０００　８，约为９２０　ＭＰａ。墙体拆除后，　【１　０］杨勇新，岳清瑞，叶列平．ＣＦＲＰ与混凝土的粘结强度　梁基本无附加变形，加固效果良好。　指标ｆＪ】．工业建筑，２００３（２）．　６应注意的问题　【ｌ１１飞渭，江世永，等．预应力ＣＦＲＰ加固混凝土受弯构件　①锚夹具弧面处要有较高的加工精度，安装时要带胶　正截面承载力分析【Ｊ】．四川建筑科学研究，２００３（３）．