炭素纤维贴片加固桥梁设计与应用文档格式.docx
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≥2.1×
105
1.5
1.8
优
良好
日本常用CFRP性能指标
纤维品种
T700SC
(UT70-20)
(BT70-30)
(UT70-30)
FTS-C1-30
FTS-C7-30
纤维方向
单方向
双方向
单位面积重量(g/m2)
200
300
设计厚度(mm)
0.111
0.167
经向:
0.083
纬向:
0.143
3500
3000
3550
2500
2.35×
5.0×
1.2粘结剂
仅仅依靠碳素纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能,只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作,才能达到补强的目的。
因此,碳素纤维加固粘结剂是以改性环氧树脂为基材,掺加各种填料、助剂配制而成。
不同类型的树脂还可以保证其对混凝土具有良好的渗透作用,例如底涂树脂;
以及对碳素纤维片与混凝土结构的粘接作用,例如环氧粘结树脂等。
粘贴(CFRP)用树脂主要技术性能指标
抗剪强度(MPa)
粘贴强度(MPa)
适用温度(℃)
可使用时间(min)
30
10
2.0
5~35
20~120
目前,桥梁加固用粘结剂分为底层树脂、找平层材料及浸渍树脂三种,主要性能指标如下:
(1)底层树脂性能指标
检查项目
单位
标准指标
检验值
底层树脂正拉粘结强度
MPa
2.5
2.7,混凝土破坏
(2)找平层树脂性能指标
找平层树脂正拉粘结强度
(3)浸渍树脂性能指标
浸渍树脂正拉粘结强度
浸渍树脂拉伸强度
68
浸渍树脂拉伸剪切强度
13
浸渍树脂弯曲强度
40
47
2.炭素纤维贴片加固桥梁设计
2.1设计步骤
2.1.1构件未加固前安全度验算
弯矩:
M(γs,qr+Δqr,gm)≤MRO/γR(γR=1.0,γs=1.0)
剪力:
Vd≤VR/γR(γR=1.2)
满足要求。
2.1.2选择碳素纤维的面积、品种
2.1.3验算加固构件安全度极限状态
Md≤MR/γR(γR=1.2)
层间:
Vd≤VA/γR(γR=1.7)
锚固:
P,LV
满足应力σs≤fsy(钢材设计强度),变形、裂缝、振动、疲劳要求。
如果不能满足以上要求,可采用加大截面积或其他方案加固。
2.2设计未加固状态下的构件受力情况
2.2.1验算弯矩
MRO=(d-k2x)zs
MRO=未加荷载时的弯矩,k2=混凝土抗压系数,zs=钢筋拉力
如果计算不能满足上式条件,可考虑加大结面积或其他方案加固。
2.2.2验算剪力
如果抗剪能力不足时,可考虑体外预应力法加固抗剪构件。
2.3碳素纤维片加固设计
2.3.1选择碳素纤维片设计参数
FLU=设计抗拉强度
EL=弹性模量
KL=粘接系数
2.3.2计算碳素纤维片面积
AL≈{[(γRMd)/0.8d]-Asfsy}/fLU
2.3.3选择布置方案
2.4验算加固设计
2.4.1验算最小设置时弯矩
计算MR值:
(1)假设破坏方式;
(2)受力平衡ZS+ZL-DC=0;
(3)计算出中和轴X;
(4)检查假设;
(5)验算弯矩MR=(d-k2x)zs+(h-k2x)zL
当弯矩Md≤MR/γR(γR=1.2)时,满足假定条件,否则采取其他加固方案。
2.4.2选用材料特性
(1)钢材和碳素纤维片在理想状态下的张、压力关系:
钢材:
σs=εsEsεs<
εsy
σs=fsyεs≥εsy
碳素纤维片:
σL=εsEs
(2)混凝土应力-应变关系
σc=-1000εc(250εc+1)fc0≥εc>
-2‰
σc=fc-2‰≥εc≥-3.5‰
2.4.3裂缝梁的应变,粘接系数K,混凝土压缩应变
(1)裂缝梁的应变
①钢材抗拉应变图:
②层压板材(由碳素纤维片粘结后形成)抗拉应变图:
(2)粘接系数K,混凝土压缩应变
粘接系数在受弯分析中影响较小,可不考虑。
平面应变参阅钢材和层压板应变计算,而应力和压力均需按照开裂断面最大应变值计算。
2.4.4混凝土梁的压弯破坏模式
(1)混凝土破坏前板材和钢筋先破坏;
(2)混凝土和钢筋破坏前板材先破坏;
(3)裂缝开始时钢筋和板材破坏;
(4)混凝土先于钢筋和板材破坏;
(5)混凝土和钢筋破坏先于板材破坏;
(6)混凝土先于钢筋破坏后于板材破坏。
对结构加固更有利的模式是第一种,即:
混凝土破坏前板材和钢筋先破坏。
否则,混凝土破坏后会产生一系列的连锁效应,导致加固失效。
2.4.5计算抵抗弯矩Ms
(1)假定破坏模式;
(2)条件方程式;
力的平衡:
∑H=Zs+ZL-Dc=0
快速加压作为应变函数:
H=f(x)
快速应变作为X的函数:
ε=f(x)
(3)解出x值;
(4)验算假设;
(5)计算弯矩:
MR=(d-k2x)Zs+(h-k2x)ZL。
2.5碳素纤维片与构件的层间设计
2.5.1层间剥离的展开形态
(1)因弯矩M导致的垂直裂缝
(2)因剪力V导致的竖向滑移
(3)V>
VA时导致层间剥离
2.5.2层间作用力经验公式
VA=τCAbx+τCAb(h-x)(1-εL/ζ)+x(EsAs+ELAL)
式中,(1-εL/ζ)≥0
受力区域说明:
①剪力向传入受力区延伸;
②剪力传入中部裂缝区;
③剪力传入钢筋和层压板。
该公式在有限的实验中验证过,只适用于均布荷载条件下。
混凝土抗压强度fc=16N/mm2,层压板取FLU=2000N/mm2,EL=150000N/mm2,tL=1mm。
适用条件:
结构在均布荷载条件下;
当结构的同一位置出现最大弯矩和剪力时不适宜本公式。
2.6碳素纤维片锚固区的设计
2.6.1锚固区受力分析
以上只是受力假设,该假设经实际应用很安全。
2.6.2锚固区破坏分析
2.6.3锚固点位置P的确定
MRO=(d-k2x)Asfsy
2.6.4锚固力ZL'd计算
(1)锚固力ZL′d是在最大弯矩位置的设计平面的碳素纤维片层压板拉力。
(2)锚固力ZL′d采用平衡力原理和弯矩平衡公式得出。
2.6.5锚固长度计算
锚固长度经验公式:
lv=(γRZL′d)2/(bL2kteτk)≥500mm
γRZL′d≤ALfLU
γR=1.2(安全系数)
ZL′d=锚固力=最大弯矩位置碳素纤维片层压板的拉力
bL=碳素纤维片层压板厚度(mm)
k=抗压强度=30N/mm2
te=代换成粘钢时钢板的厚度(mm)≈(fLU/fsy)tL=(2000/235)tL
τk=最大粘结强度(N/mm2)
fLU=表面混凝土抗拉强度(N/mm2)
3.施工工艺及方法
3.1施工工艺
3.2施工方法
3.2.1基层处理
清除被加固结构表面不坚实的混凝土,将粘贴面打磨平整,转角部位打磨成圆弧状,圆弧半径不小于20mm。
3.2.2基层树脂
将配置好的底层树脂均匀涂刷在混凝土表面,待树脂表面指触表干时即可进入下道工序施工。
3.2.3找平处理
混凝土表面凹陷部位用找平层材料填补平整。
3.2.4碳素纤维布下料
将碳素纤维布按照设计要求的尺寸裁剪备用。
3.2.5碳素纤维布粘贴
按产品说明书配置浸渍树脂并均匀涂抹于待粘贴碳素纤维布的部位。
用特制的滚筒沿纤维方向多次滚压,挤出气泡,并使浸渍树脂充分浸透碳素纤维布。
滚压实不得损伤碳素纤维布。
多层粘贴重复上述步骤,待碳素纤维表面指触表干时即可进行下一层的粘贴。
四、工程应用
(一)山东省某铁路专用线白洋河大桥加固
白洋河大桥为16孔-20m单线铁路专用线桥,上部结构为低高度T形钢筋混凝土梁,工程建于1992年。
2002年初由济南铁路局工务段反映,部分梁体混凝土出现剥蚀、道碴槽局部露筋锈蚀、桥梁腹板及翼板混凝土出现裂纹,影响行车安全和大桥寿命。
经过受力检测和分析在该桥采用碳素纤维贴片对梁体进行抗拉、抗剪补强和局部封闭最为经济。
本工程采用日本产UT70—30碳素纤维布,将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强片材(单向连续纤维片);
用环氧树脂粘结剂粘贴在要补强的结构上,形成一个新的复合体,使增强贴片与原有钢筋混凝土共同受力,增大结构的抗拉或抗剪能力,提高强度、刚度、抗裂性和结构的延性。
混凝土局部剥蚀或裂纹采用注入环氧树脂封闭。
(二)河北省某高速公路大桥加固
本大桥为30m后张预应力混凝土T型梁,该桥在梁体预制阶段由于赶工期,部分梁体移梁过早导致梁体底部混凝土出现不均均裂纹。
本工程加固材料采用日本进口的FTS-C1-30型碳素纤维布及配套胶种,包括底层胶、不平整修补材料及粘贴树脂。
(三)河北省某矿洗煤车间行吊梁加固
该车间长期受洗煤环境浸蚀,部分行吊梁混凝土脱皮、开裂,局部已出现露筋,严重影响正常使用。
本车间行吊梁分为6m和9m两种跨度,梁体截面为b×
h=300mm×
950mm。
经检测有7根梁跨中抗弯强度不足,其中3根梁抗剪强度略有不足。
根据力学计算分析,加固方案分为两类:
(1)LG-1(6m梁),梁受弯承载力需提高5%,沿梁底面通长粘贴一层宽250mm的碳纤维布;
(2)LG-2(9m梁),梁受弯承载力需提高23%,沿梁底通长粘贴两层宽300mm的碳纤维布,梁端1500mm区域两侧粘贴U形碳纤维布箍进行抗剪加固,U形箍两端外贴200mm宽压条进行锚固。
本工程采用Hex-103C、Hex-230C碳素纤维及CS-1003碳素纤维加固专用粘结剂。
提供试验资料及工艺成果单位:
1、哈尔滨工业大学建科集团长生公司;
2、成都哈工大科技有限公司;
3、中铁二十三局集团有限公司。
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