基于预加荷载的frp加固结构延性增强方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是在待加固结构上施加外部荷载，使待加固结构在待加固区域产生预加拉应力；保持施加在待加固结构上的外部荷载，将FRP条利用粘贴剂在待加固区域沿横向粘贴在待加固结构的表面，在FRP条与待加固结构之间沿纵向间隔形成有至少两道呈横向的拱状剥离带；在粘贴剂完成固结时，卸去外部荷载，实现FRP加固结构延性增强。本发明能有效地使FRP加固结构的延性增强，其模拟拱状剥离区域与加固结构物界面的协同工作充分发挥了FRP的性能，较大的增强了FRP加固结构的延性。
【专利说明】
基于预加荷载的FRP加固结构延性増强方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种应用在工程实际中的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法。
【背景技术】
[0002]随着使用年限的增加，混凝土结构物会出现失效的迹象或进入功能退化期，对于出现这一情况的混凝土结构必须加以维护和加固。关于混凝土结构加固的传统方法有:置换混凝土加固法、外加预应力加固法、外粘型钢加固法、增大截面加固法、粘贴钢板加固法、增设支点加固法等，但这些传统的方法不同程度地存在着施工过程复杂、施工场地受限、增加结构自重、影响建筑物使用空间以及影响建筑物外形等弊端。
[0003]纤维增强复合材料FRP是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合，经过模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料，已有玻璃纤维增强复合材料GFRP、纤维增强复合材料CFRP、芳纶纤维增强复合材料AFRP和玄武岩纤维增强材料BFRP等。FRP轻质高强、耐腐烛性能好、抗疲劳性能优良、电磁绝缘性好、易于施工、几乎不增加结构自重、不影响建筑物的使用空间、可设计性强、能够适应结构形状的变化。基于这些优势，FRP在工程实际中有许多应用，比如:FRP筋用于混凝土桥梁大梁和板中的配筋和外部加固筋，用作斜拉桥的拉索，用做水泥路面的传力杆。FRP被用于修补德国卡特布西桥，瑞士采用粘贴CFRP板用于伊巴赫桥的加固，美日合作建成了美国第一座采用CFRP筋桥-布里奇街桥;在我国的应用有:云南海孟公路巍山河桥，上海宝山飞云桥以及南京长江大桥引桥等。
[0004]但是，FRP加固结构存在有脆性强和延性低的缺陷。工程实际中FRP-混凝土界面更是常常发生剥离破坏。比如，利用外部粘贴FRP技术(EB-FRP)来加固RC结构时，通常会发生两类FRP与混凝土的界面破坏:第一类是受到中部弯曲或弯剪裂缝的影响，在裂缝位置的FRP片材中产生较大的拉应力，这个拉应力通过界面向混凝土中传递。当裂缝附近的界面剪应力达到临界值时，在邻近混凝土FRP界面的混凝土中出现水平裂缝，并向FRP端部扩展，最后FRP发生完全剥离。这种类型是中部裂缝引发的界面剥离。第二类是始于FRP端部的剥离破坏，这是由于FRP截断造成的FRP端部的高应力状态造成的ARP剥离降低了FRP材料的抗拉强度利用率，同时使结构发生脆性破坏。
【发明内容】
[0005]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种成本低廉、施工简便、使用寿命长、可靠性高的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法。
[0006]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:在待加固结构上施加外部荷载，使所述待加固结构在待加固区域产生预加拉应力;保持施加在待加固结构上的外部荷载，将FRP条利用粘贴剂在待加固区域沿横向粘贴在待加固结构的表面，在所述FRP条与待加固结构之间沿纵向间隔形成有至少两道呈横向的拱状剥离带，所述拱状剥离带是指FRP条在沿横向的带状区域中与待加固结构形成剥离，并且呈拱状隆起;在粘贴剂完成固结时，卸去外部荷载，实现FRP加固结构延性增强。
[0008]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述拱状剥离带的形成方式为:在利用粘贴剂将FRP条沿横向粘贴在待加固结构的表面时，在拱状剥离带所在位置处，置入一段棒材于FRP条与待加固结构之间；使FRP条形成呈拱状隆起，在所述粘贴剂呈半干且失去流动性时，取出所述棒材;所述FRP条在拱状剥离带所在位置处保持呈拱状隆起。
[0009]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述施加的外部荷载的上限为使加固结构百分之百屈服。
[0010]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述粘贴剂为环氧树脂。
[0011]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:在施加外部荷载之前，对于所述待加固结构在待加固区域的表面进行预处理，以增强粘贴强度和耐久性，所述预处理包括去除表面铁锈或其它杂质，预处理完成后12小时内进行FRP条的粘贴。
[0012]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述的FRP条为具有有效抗拉强度的FRP条，是由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维以及其它纤维材料中任选一种或多种经编织而成的单向、双向、或具有多角度方向的FRP条。
[0013]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述待加固结构为具有可靠抗拉强度和变形能力的弹性、塑性、弹塑性构件。
[0014]本发明基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述待加固结构为钢结构、钢筋混凝土结构或合金材料结构。
[0015]本发明于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述棒材为塑料棒或木棒。
[0016]与现有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0017]1、本发明通过对加固结构在施加外部荷载的情况下粘贴FRP条，该结构受力时需要先平衡FRP条上相反的拉应力，之后FRP条才开始起作用，从而提高了FRP条的延性。
[0018]2、本发明模拟拱状剥离区域与加固结构物界面的协同工作，在拱状玻璃带拉直后该处的FRP条继续受力，效果显著，充分发挥了FRP条的性能，较大的增强了FRP加固结构的延性。
[0019]3、本发明施工简便、可靠性高。
【附图说明】
:
[0020]图1为未进行FRP加固的钢试件；
[0021]图2为没有进行预加荷载的FRP加固钢试件；
[0022]图3为预加荷载作用下带拱状剥离带的FRP加固钢试件；
[0023]图4为实验所得应变-时间曲线图；
[0024]图中标号:I钢试件，2应变片，3为FRP条，4棒材。
【具体实施方式】
[0025]本实施例中基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法是:在待加固结构上施加外部荷载，使所述待加固结构在待加固区域产生预加拉应力;保持施加在待加固结构上的夕卜部荷载，利用粘贴剂将FRP条在待加固区域沿横向粘贴在待加固结构的表面，基于待加固结构的不同，FRP条粘贴在待加固结构单面或正反两面，比如，待加固结构为钢结构件或合金构件，FRP条粘贴在待加固结构的正反两面，若待加固结构为钢筋混凝土结构件，则FRP条粘贴其受拉面;在FRP条与待加固结构之间沿纵向间隔形成有至少两道呈横向的拱状剥离带，所述拱状剥离带是指FRP条在沿横向的带状区域中与待加固结构形成剥离，并且呈拱状隆起;在粘贴剂完成固结时，卸去外部荷载，实现FRP加固结构延性增强。
[0026]具体实施中，拱状剥离带的形成方式为:在利用粘贴剂将FRP条沿横向粘贴在待加固结构的表面时，在拱状剥离带所在位置处，置入一段棒材4于FRP条3与待加固结构之间；使FRP条形成呈拱状隆起，在所述粘贴剂呈半干且失去流动性时，取出所述棒材;所述FRP条在拱状剥离带所在位置处保持呈拱状隆起。
[0027]本实施例中施加的外部荷载的上限为使加固结构百分之百屈服;粘贴剂为环氧树月旨;在施加外部荷载之前，对于所述待加固结构在待加固区域的表面进行预处理，以增强粘贴强度和耐久性，所述预处理包括去除表面铁锈或其它杂质，预处理完成后12小时内进行FRP条的粘贴;FRP条为具有有效抗拉强度的FRP条，是由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维以及其它纤维材料中任选一种或多种经编织而成的单向、双向、或具有多角度方向的FRP条;待加固结构为具有可靠抗拉强度和变形能力的弹性、塑性、弹塑性构件;待加固结构为钢结构、钢筋混凝土结构或合金材料结构;棒材为塑料棒或木棒。
[0028]作用机理:
[0029]待加固结构在预加外部荷载作用下在待加固区域产生预加拉应力，再将FRP条粘贴在待加固结构表面，最后卸去外部荷载之后，待加固结构变形回缩，在重新承受荷载作用时，当承受的荷载小于或等于加固时的预加外部荷载，FRP条将不承受拉应力;直至承受的荷载大于加固时的预加外部荷载后，FRP条才开始起作用；且当FRP加固结构承受的荷载逐渐增大时，拱状剥离带逐渐受力被慢慢拉直，直至该处的FRP条继续承受拉应力。此过程中，通过预加荷载和拱状剥离带的设计，使得FRP条在不同的荷载级别下逐渐发挥作用，从而增强FRP加固结构的延性。
[0030]实验验证:
[0031 ]本次实验采用钢试件I，钢试件I长18英寸，宽2英寸，厚0.0598英寸;为了控制破坏点的位置，在钢试件I与FRP条的组合件上以FRP条的竖向中轴线为中心，切出直径为I英寸的对称的两个半圆弧。
[0032]在钢试件I的正反两面分别粘贴应变片2，具体包括如图1所示的在钢试件一侧的中心点位置粘贴一个应变片2，如图2和图3所示的在另一侧以中轴线为中心对称粘贴两个应变片2，对称的两个应变片之间的间隔为I英寸。
[0033]按如下形式制备四组钢试件:
[0034]第一组钢试件，在其两侧不粘贴FRP条，如图1所示，用作空白对照组；
[0035]第二组钢试件，在未施加预加荷载作用的情况下，在其正反两面分别粘贴一条FRP条，如图2所示，并保证FRP条与钢试件充分固结。
[0036]第三组钢试件，按本发明方法将钢试件预加荷载至其屈服强度的30%，在其正反两面分别粘贴一条FRP条，并保证FRP条与钢试件充分固结，并以中轴线为中心，对称形成两道拱状剥离带，两道拱状剥离带的间距为4英寸；
[0037]第四组钢试件，按本发明方法将钢试件预加荷载至其屈服强度的60%，在其正反两面分别粘贴一条FRP条，并保证FRP条与钢试件充分固结，并以中轴线为中心，对称形成两道拱状剥离带，两道拱状剥离带的间距为4英寸。
[0038]将四组钢试件在加载仪器上逐步增加荷载等级直至失效，记录相应的应变与时间的数值，并观察相应组合件变形破坏情况。分析数据后，得出钢试件在不同的预加荷载等级下，粘贴FRP条和拱状剥离带的协同作用下对提高FRP延性的效果如图4所示。
[0039]图4中，曲线a为荷载作用在没有贴FRP条，也没有预加荷载的钢试件上的应变与时间的变化曲线；曲线b为荷载作用在贴了FRP条，但没有预加荷载的钢试件上的应变与时间的变化曲线；曲线c为荷载作用在贴了FRP条，预加荷载达到钢试件屈服强度的30%的钢试件上的应变与时间变化曲线；曲线d为荷载作用在贴了FRP条，预加荷载达到钢试件屈服强度的60 %的钢试件上的应变与时间的变化曲线。
[0040]如图4所示，曲线b与曲线a相比，钢试件加载至破坏的时间变长，钢试件屈服时的应变有了稍微提高，这说明粘贴FRP条对加固钢试件其延性有所提高；曲线c与曲线b相比，钢试件屈服时的应变相应提高了23%;曲线d与曲线b相比，钢试件屈服时的应变相应提高了 35%;通过曲线c和曲线d与曲线b的比较，说明按照本发明方法加固钢试件其延性增强明显。通过以上分析，本发明方法能有效的提高FRP加固结构的延性。
[0041]本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:在待加固结构上施加外部荷载，使所述待加固结构在待加固区域产生预加拉应力;保持施加在待加固结构上的外部荷载，将FRP条利用粘贴剂在待加固区域沿横向粘贴在待加固结构的表面，在所述FRP条与待加固结构之间沿纵向间隔形成有至少两道呈横向的拱状剥离带，所述拱状剥离带是指FRP条在沿横向的带状区域中与待加固结构形成剥离，并且呈拱状隆起;在粘贴剂完成固结时，卸去外部荷载，实现FRP加固结构延性增强。2.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述拱状剥离带的形成方式为:在利用粘贴剂将FRP条沿横向粘贴在待加固结构的表面时，在拱状剥离带所在位置处，置入一段棒材于FRP条与待加固结构之间；使FRP条形成呈拱状隆起，在所述粘贴剂呈半干且失去流动性时，取出所述棒材;所述FRP条在拱状剥离带所在位置处保持呈拱状隆起。3.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述施加的外部荷载的上限为使加固结构百分之百屈服。4.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述粘贴剂为环氧树脂。5.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:在施加外部荷载之前，对于所述待加固结构在待加固区域的表面进行预处理，以增强粘贴强度和耐久性，所述预处理包括去除表面铁锈或其它杂质，预处理完成后12小时内进行FRP条的粘贴。6.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述的FRP条为具有有效抗拉强度的FRP条，是由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维以及其它纤维材料中任选一种或多种经编织而成的单向、双向、或具有多角度方向的FRP条。7.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述待加固结构为具有可靠抗拉强度和变形能力的弹性、塑性、弹塑性构件。8.根据权利要求1所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述待加固结构为钢结构、钢筋混凝土结构或合金材料结构。9.根据权利要求2所述的基于预加荷载的FRP加固结构延性增强方法，其特征是:所述棒材为塑料棒或木棒。
【文档编号】E04G23/02GK106088654SQ201610615547
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月29日 公开号201610615547.1, CN 106088654 A, CN 106088654A, CN 201610615547, CN-A-106088654, CN106088654 A, CN106088654A, CN201610615547, CN201610615547.1
【发明人】王佐才, 谢政, 任伟新, 秦韬睿
【申请人】合肥工业大学