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高模量碳纤维在钢结构桥梁加固补强领域的应用

   日期:2020-03-24     来源:复材模压网    浏览:104    
核心提示:目前碳纤维复合材料在桥梁加固和补强领域已经获得了广泛应用,尤其是针对钢-混凝土组合梁结构时,碳纤维复合材料补强取得了不错的效果。
 目前碳纤维复合材料在桥梁加固和补强领域已经获得了广泛应用,尤其是针对钢-混凝土组合梁结构时,碳纤维复合材料补强取得了不错的效果。

但在对钢梁加固时,若采用普通模量碳纤维,会导致钢表面和碳纤维复合材料之间存在剪力滞效应,其原因在于普通模量碳纤维与钢之间弹性模量差距较大。

为此,国外开发了一种高模量碳纤维复合材料对钢梁结构件进行结构补强的系统,通过设计、加工和最终测试获得的有益效果,并提出了基于高模量碳纤维复合材料对钢梁结构进行加固补强的设计准则。

 
 1、背景介绍

目前纤维增强聚合物(FRP)材料在混凝土修复和加固领域应用已经日益广泛。随着该项技术的成功,目前也出现了通过使用外部粘结碳纤维增强塑料(CFRP)材料来对钢梁进行加固。

国外针对CFRP加固钢桥一些基础科学问题也进行了深入研究,重点采用有效方法来评估各种碳纤维材料对不同钢梁结构(如超载梁、自然退化梁、未受损梁和模拟腐蚀损伤梁)加固和修复的有效性。



以往的研究表明,常规模量碳纤维增强复合材料可有效地提高钢-混凝土组合梁的屈服强度和极限承载力。然而在钢梁结构中,常规模量碳纤维与钢相比弹性模量仍然相对较低,易导致钢表面和CFRP之间存在剪力滞效应,这样就必须要采用大量CFRP材料来满足弹性刚度要求。

2、HM-CFRP在钢梁补强中的应用

对此,国外开展了一项为期4年的科研项目,旨在开发一种用于钢桥和钢结构加固和维修的高模量碳纤维(HM-CFRP)系统。系统开发包括四个阶段,第一阶段主要工作包括选择合适的树脂基体来对干态纤维进行湿法铺设,以及为预固化HM-CFRP层压板选择适当的粘合剂用于外粘合。

在研究的第二阶段,使用高模量碳纤维对三根大型钢-混凝土组合梁进行了加固试验,研究了不同配置的HM-CFRP材料对提高典型公路桥梁梁的强度和刚度的效果;试验第三和第四阶段则主要检查了加固梁在超载和疲劳荷载条件下的性能。研究还探讨了钢表面与HM-CFRP材料之间可能存在的剪力滞效应。

高模量碳纤维(HM-CF)材料采用湿法铺丝技术并利用树脂基体浸渍形成的板材,非常适合于弯曲或高度不规则的表面结构;而对于需要更高强度的应用,HM-CF也可以采用拉挤成型工艺加工成预固化层压板,然后用结构粘合剂粘合到结构表面。

在HM-CF的选择中,项目采用了拉伸强度2600MPa、拉伸模量640GPa的超高模量碳纤维,其复合材料层合板的拉伸强度为1540MPa、拉伸模量为460GPa。为了对比中模碳纤维和高模碳纤维复合材料的加固效果,使用中模和高模量CFRP材料进行了钢-混凝土组合梁结构加固,并研究了HM-CFRP层板在安装于钢表面前施加预应力的可能性。

三种CFRP补强钢梁特性如下表1所示,其中Reinforcement Ratio为CFRP截面积(占纤维体积分数(FVF))与钢截面总截面积之比。第二和第三根样品主要区别在于后者HM-CF用量减半。

表1 三种不同CFRP补强钢-混凝土组合梁的特性



所有梁均采用四点弯曲结构,总跨度6400 mm、恒弯矩区为1000 mm,单调加载至破坏。典型试验梁的试验装置如下图所示。



研究结果表明,采用三种不同加固系统均有助于提高加固梁的刚度和极限承载力,但是采用HM-CFRP后刚度补强效果更显著,如表2所示。通过对比表3中HM-7.6-AB和HM-3.8-PS梁的结果,可以清楚地看出,使用预应力层合板有助于通过减少所需的加固CFRP量来提高加固系统的利用率,从而获得弹性刚度增加。

表2 三种不同CFRP补强后效果


随后科研人员开展了HM-CFRP加固梁耐疲劳特性研究,并分析了CFRP与CFRP之间粘结性能影响,并最终提出了HM-CFRP对钢梁结构进行补强的设计准则,如下图所示。为了维持HM-CFRP补强构件的疲劳寿命,恒载质量和增加的活载质量的组合效应不应超过强化构件质量和增加的屈服荷载的60%。



用HM-CFRP材料加固钢梁的设计准则

此外,为了满足强度极限状态,在施加适当的恒载和活载后,总的计算荷载在应用适当的强度折减系数后,不应超过加固构件的极限承载力,并建议强度折减系数为0.75。

3、未来展望

中国作为全球领先的基建强国,目前在各类桥梁设计与制造领域取得了瞩目的成就,近年来国外利用CFRP对桥梁补强的研究屡见不鲜,其原因在于国外基础建设已经有数十年的历史,相比之下目前国内基建投入时间较短,因此尚未面临桥梁结构老化等问题。

但是由于受到风吹日晒、自然侵蚀,桥梁损坏是不可避免,尤其是在一些特殊环境中如南海等,鉴于建国至今已经70余年,因此国内有关桥梁加固的议题也应逐渐提上日程。

目前国内桥梁补强也是集中在了钢-混凝土组合梁加固,增强时以低模量碳纤维补强为主,本文则针对钢梁结构解决方案提出了采用高模量碳纤维HM-CF进行补强的发展思路,因此也为未来国内在该领域的研究提供一定指导。
 
标签: 复合材料
 
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