预应力CFRP加固钢结构技术的初探

工程中的钢结构不可避免地存在各种缺陷和损伤。在荷载和环境等因素的作用下,材料发生变化,引起宏观力学性能的劣化,导致钢结构工程事故。为确保结构安全工作,延长使用寿命就必须对损伤构件进行更换或加固,更换这些构件将造成极大的浪费,而且会影响结构的正常使用。同时,结构损伤具有局部性和多发性特点,这些结构不可能在出现损伤时就立即退役。因此,寻求经济高效的钢结构加固技术既是土木工程领域亟待解决的技术问题,又是一个关系到社会可持续发展的问题。

1、钢结构损害的主要因素及加固技术措施

钢结构损害的主要因素有:1)由荷载变化,超期服役,规范和规程改变导致结构承载力不足;2)构件由于各种意外产生变形、扭曲、伤残、凹陷等,致使构件截面削弱,杆件翘曲,连接开裂等;3)温差作用下引起构件或连接变形、开裂和翘曲;4)由于化学物质的侵蚀而产生腐蚀以及电化学腐蚀致使钢结构构件截面削弱;5)其它包括设计、生产、施工中的失误及服役期中的违规使用和操作等。

钢结构的加固技术措施主要有三种:1)截面补强法:在局部或沿构件全长以钢材补强,连成整体使之共同受力;2)改变计算简图:增设附加支承,调整荷载分布情况,降低内力水平,对超静定结构支座进行强迫位移,降低应力峰值;3)预应力拉索法:利用高强拉索加固结构薄弱环节或提高结构整体承载力、刚度和稳度。

2、预应力CFRP加固钢结构技术

目前,国内外对预应力CFRP加固钢结构技术的研究、试验和应用涉足甚少。因此,如何将高性能预应力CFRP加固技术引入到钢结构工程的加固中,以提高钢结构的承载能力和可靠性,将是钢结构工程加固领域中的一次技术革命。

2.1传统的钢结构加固存在的问题焊接加固时,高温作用使焊接部位的组织及性能劣化;而且焊缝必然存在缺陷,会产生新的裂纹;焊接结构内部存在残余应力,与其他作用结合可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体,裂缝一旦失稳扩展,就有可能一断到底,引发重大事故。

采用螺栓连接需要在损伤部位附近的母材上开孔,削弱了截面,形成新的应力集中区;普通螺栓在动载作用下易松动,高强螺栓易发生应力松弛现象,降低了结构的修补效果。

粘钢加固技术是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板,依靠结构胶使之粘结成整体共同工作,以提高结构承载力。

这些加固方法共同的缺点是使结构重量增加很多,钢板不易制作成各种复杂形状,运输和安装也不方便,且钢板易锈蚀,影响粘结强度,维护费用高。

2.2CFRP粘贴加固钢结构的特点CFRP粘贴加固钢结构是利用粘结剂将CFRP粘贴到钢结构损伤部位的表面,使一部分荷载通过粘结层传递到CFRP上,降低了结构损伤部位的应力。粘贴CFRP加固技术具有明显的优势:

1)CFRP的比强度和比刚度高,加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸;2)复合材料具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能;3)柔性的复合材料对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面具有特别的优势。密封性好,减少了渗漏甚至腐蚀的隐患;4)简便易行、成本低、效率高,在狭小空间亦可施工,特别适合现场修复;5)施工过程中无明火,适用于各种特殊环境。

2.3预应力加固的优点

1)加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行;2)施加预应力可直接减小变形,迅速消除超逾应力和内力峰值;3)与非预应力方式相比,可消除应力滞后现象,充分利用CFRP的高强特性,提高加固效率。4)结合可靠锚固,可降低粘结界面的剥离应力,避免CFRP整体剥落,提高加固的可靠性;5)降低加固费用和使用成本。

预应力CFRP加固钢结构方案可分为两种,一是直接粘贴法,将CFRP两端锚固并施加预应力后,通过胶粘剂粘贴在钢结构的表面;一般适用于构件表面较平整的拉杆,对构件或其局部进行加固;二是将CFRP束作为预应力拉索调整应力,一般适用于对整个结构进行整体加固。

1、选材用于结构加固用碳纤维主要选用PAN基碳纤维,极限强度可达3500Mpa,弹性模量约为2.35×109Mpa.树脂体系采用环氧类材料。

2、设计根据待修补结构的受力特点、传力路径和应力-应变场,确定CFRP布的用量、尺寸和铺设方向等。纤维方向应尽量与损伤构件中最大受力方向保持一致。如果损伤部位处于复杂应力状态,则纤维取向和铺层顺序应尽量与控制主应力方向一致。

3、嵌入式预应力张拉技术钢结构加固的特殊性,需要一种简便的预应力施加方式,传统的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。在锚固的时候,预应力损失也比较大。嵌入式预应力张拉技术,其特点就是先锚固后张拉,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。嵌入式预应力张拉技术可分次施加预应力,可对粘结层产生挤压效应,提高粘贴的可靠性。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。锚固及张拉装置见图1:

4、纤维布安装工艺

1)表面处理:先用粗砂纸打磨构件的粘结区域,清理构件表层,用丙酮或酒精溶液擦洗表面,去除污染物,晾置干燥,用粘结剂浸润表面。(a)安装前(b)安装后

图1.锚夹具安装示意图

2)在设计要求的位置打孔,应远离待加固部位以免造成二次损伤;3)采用挤推法带胶按图1所示方法安装纤维布,将纤维布初步张紧;待锚固处胶硬结后第一次施加预应力,将纤维布完全拉直,此时纤维布与钢结构构件表面留有一定的空隙;4)在纤维布表面抹胶,将纤维束间的空隙初步封闭,稍干硬后进行灌胶;5)胶稍干后第二次施加预应力至设计的控制应力(利用挤压效应,提高粘贴质量),用胶将纤维束充分浸透,提高共同工作性能。6)常温下48小时后(气温较低时应适当延长时间),胶充分硬结后,割除多余的螺杆,根据结构的实际要求进行表面防护处理。

4.预应力CFRP加固的设计与计算原则

预应力CFRP加固钢结构除遵守一般钢结构加固的准则与规定外,还具有以下的特点:

1)进行静力计算时必须首先确定一些与调整应力有关的参数,例如辅助平衡力大小、预应力力度、预应力卸载弯矩值、支座标高的位移值等;2)要确定调整应力时的合理荷载值或应力水平,换言之,要分析判断加固结构时是否需要全部卸载,或卸载至某一水平。

在加固结构的设计计算中应遵守下列原则:

1)加固件与被加固件皆在材料弹性范围内受力,两者在荷载下同时达到材料的强度设计值;2)充分发挥材料强度潜力,加固件的预应力度可使被加固件的应力卸载至其反向应力的极值;3)预应力加固设计中同样应当考虑预应力加载系数、预应力损失系数、工作条件系数、荷载系数等。

5.结语

预应力CFRP加固钢结构与加固砼结构在机理方面明显不同,因此,为了使这一先进的结构加固方法更广泛地应用于工程实践,还存在以下问题有待于进一步研究:

1)钢结构经CFRP加固后,可视为广义的复合材料结构。不同材料间的粘结界面是加固后体系的薄弱环节,破坏往往产生于此。因此,界面粘结机理及界面粘结破坏将成为CFRP加固钢结构技术的研究重点。试验表明,施加预应力和降低粘结层刚度,加大粘结层厚度可缓解界面的粘结破坏,但其函数关系尚需进一步研究。

2)复合结构界面力学性能参数(如界面剥离破坏强度、剪切破坏强度)有待于通过试验来测定,但目前的试验方法尚不成熟。

3)钢材与碳纤维均为导电材料,且碳纤维比钢材具有较高的电位。用粘结剂粘贴时胶层很薄,且容易存在空隙。当钢结构表面与碳纤维直接接触并处于腐蚀性环境中时,就会发生电偶腐蚀。按本文所述的预应力施加方法,可适当加大粘结层的厚度,提高胶层的饱满度,应当可以避免发生电偶腐蚀,但其可靠性尚有待验证。