跨中顶升张拉预应力碳纤维复材板加固钢筋混凝土受弯构件研究

China has hugh amount and ever growing of civil infrastructres. The demand for their rehabilitation and strengthening keeps increasing as well. In recent years, pre-stressed carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) strengthening technique becomes more and more popular and has been applied in engineering practise. The strengthening methods as well as the design theory, however, still need improving. In this research, a novel method of mid-span jacking pre-stressing CFRP plate is proposed to strengthen reinforced concrete flexural members. Based on this proposed new method, the present research project will be focused on the long-term mechanical behaviour of CFRP plate, anchorage and tension system, stress loss of strengthened members and their behaviour under ultimate limit state as well as serviceability limit state. Finally, design approach for the novel strengthening method will be proposed. In addition, recommendations will be made for improving the current CFRP strengthening codes.

我国基础设施及工业民用建筑体量庞大且增长迅速，相应的加固改造需求也在持续增加。近年来，预应力碳纤维复材加固方法越来越受到重视，并得到了一定程度的推广应用，但加固方法仍有待改进，设计理论需要不断完善。本项目提出了一种新型的跨中顶升张拉预应力碳纤维复材板加固钢筋混凝土受弯构件的方法，该方法可以简化张拉过程，提高加固效率。基于这种新型加固方法，本项目将针对碳纤维复材板的长期力学性能、新型张拉锚固体系、加固构件的预应力损失、承载力极限状态和正常使用极限状态下的性能开展研究，提出新型加固体系的设计方法，并根据研究中包含的预应力碳纤维复材加固的共性关键问题，对现行加固规范提出改进建议。

本项目提出了一种新型跨中顶撑张预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的体系，通过试验研究、数值分析和理论分析等方法，围绕该方法展开研究。在材料层面，研究了CFRP板长期受力性能以及长期持荷后的残余强度；在部件层面，研究了波形锚具的受力机理并对其进行了优化设计；在结构体系层面，通过试验研究，验证了所提出的新型预应力加固方法的可行性和优越性，并对其力学特性进行了研究；最终，基于研究结果，给出了建议的设计方法。主要结论如下：（1）不同应力水平的CFRP板1000h的徐变系数在6%-10%之间，应变呈两段式增长，初始应变速率较高，应力水平越高，应变快速增长段越短；（2）波形锚具的锚固能力受CFRP板横截面应力分布不均影响较大，采取加厚锚板和涂抹粘接胶的方式可以有效减缓应力分布不均，提高锚固效率；（3）跨中顶撑张拉预应力CFRP板加固后的混凝土梁极限承载力最高提升了43%，CFRP板的最大应变达到1539MPa，单点顶撑装置中的螺杆发生了弯曲，从而导致了CFRP板的应力到达一定程度之后不随着梁挠度的增加而增长，而是维持在了一个稳定的水平，实现了加固梁的伪延性，这一机理对后续利用弹性材料实现延性结构提供了重要启示；（4）加固/修复梁的极限承载力符合叠加原理，可以用CFRP板的极限应力所产生的弯矩贡献直接叠加上混凝土梁的抗弯强度，来预测跨中顶撑张拉预应力CFRP板加固或修复的钢筋混凝土梁的极限强度。