工程中的鋼結(jié)構(gòu)不可避免地存在各種缺陷和損傷。在荷載和環(huán)境等因素的作用下，材料發(fā)生變化，引起宏觀力學(xué)性能的劣化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程事故。為確保結(jié)構(gòu)安全工作，延長使用壽命就必須對損傷構(gòu)件進行更換或加固，更換這些構(gòu)件將造成極大的浪費，而且會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時，結(jié)構(gòu)損傷具有局部性和多發(fā)性特點，這些結(jié)構(gòu)不可能在出現(xiàn)損傷時就立即退役。因此，尋求經(jīng)濟高效的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)既是土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題，又是一個關(guān)系到社會可持續(xù)發(fā)展的問題。
1、鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素及加固技術(shù)措施
鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素有：1）由荷載變化，超期服役，規(guī)范和規(guī)程改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足；2）構(gòu)件由于各種意外產(chǎn)生變形、扭曲、傷殘、凹陷等，致使構(gòu)件截面削弱，桿件翹曲，連接開裂等；3）溫差作用下引起構(gòu)件或連接變形、開裂和翹曲；4）由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱；5）其它包括設(shè)計、生產(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。
鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)措施主要有三種：1） 截面補強法：在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補強，連成整體使之共同受力；2）改變計算簡圖：增設(shè)附加支承，調(diào)整荷載分布情況，降低內(nèi)力水平，對超靜定結(jié)構(gòu)支座進行強迫位移，降低應(yīng)力峰值；3） 預(yù)應(yīng)力拉索法：利用高強拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度和穩(wěn)度。
2、預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)
目前，國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究、試驗和應(yīng)用涉足甚少。因此，如何將高性能預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)工程的加固中，以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性，將是鋼結(jié)構(gòu)工程加固領(lǐng)域中的一次技術(shù)革命。
2.1 傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問題
焊接加固時，高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化；而且焊縫必然存在缺陷，會產(chǎn)生新的裂紋；焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，與其他作用結(jié)合可能導(dǎo)致開裂。焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，裂縫一旦失穩(wěn)擴展，就有可能一斷到底，引發(fā)重大事故。
采用螺栓連接需要在損傷部位附近的母材上開孔，削弱了截面，形成新的應(yīng)力集中區(qū)；普通螺栓在動載作用下易松動，高強螺栓易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，降低了結(jié)構(gòu)的修補效果。
粘鋼加固技術(shù)是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，依靠結(jié)構(gòu)膠使之粘結(jié)成整體共同工作，以提高結(jié)構(gòu)承載力。
這些加固方法共同的缺點是使結(jié)構(gòu)重量增加很多，鋼板不易制作成各種復(fù)雜形狀，運輸和安裝也不方便，且鋼板易銹蝕，影響粘結(jié)強度，維護費用高。
2.2 CFRP粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)的特點
CFRP粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)是利用粘結(jié)劑將CFRP粘貼到鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的表面，使一部分荷載通過粘結(jié)層傳遞到CFRP上，降低了結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力。粘貼CFRP加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：
1） CFRP的比強度和比剛度高，加固后基本不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸；
2）復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能；
3）柔性的復(fù)合材料對于任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面具有特別的優(yōu)勢。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患；
4）簡便易行、成本低、效率高，在狹小空間亦可施工，特別適合現(xiàn)場修復(fù)；
5）施工過程中無明火，適用于各種特殊環(huán)境。
2.3 預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)點
1）加固工作可在不卸載、不停產(chǎn)的條件下進行；
2）施加預(yù)應(yīng)力可直接減小變形，迅速消除超逾應(yīng)力和內(nèi)力峰值；
3）與非預(yù)應(yīng)力方式相比，可消除應(yīng)力滯后現(xiàn)象，充分利用CFRP的高強特性，提高加固效率。
4）結(jié)合可靠錨固，可降低粘結(jié)界面的剝離應(yīng)力，避免CFRP整體剝落，提高加固的可靠性；
5）降低加固費用和使用成本。
3、預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)施工工藝及步驟
預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)方案可分為兩種，一是直接粘貼法，將CFRP兩端錨固并施加預(yù)應(yīng)力后，通過膠粘劑粘貼在鋼結(jié)構(gòu)的表面；一般適用于構(gòu)件表面較平整的拉桿，對構(gòu)件或其局部進行加固；二是將CFRP束作為預(yù)應(yīng)力拉索調(diào)整應(yīng)力，一般適用于對整個結(jié)構(gòu)進行整體加固。
1、 選材
用于結(jié)構(gòu)加固用碳纖維主要選用PAN基碳纖維，極限強度可達3500Mpa，彈性模量約為2.35×109Mpa.樹脂體系采用環(huán)氧類材料。
2、 設(shè)計
根據(jù)待修補結(jié)構(gòu)的受力特點、傳力路徑和應(yīng)力-應(yīng)變場，確定CFRP布的用量、尺寸和鋪設(shè)方向等。纖維方向應(yīng)盡量與損傷構(gòu)件中最大受力方向保持一致。如果損傷部位處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，則纖維取向和鋪層順序應(yīng)盡量與控制主應(yīng)力方向一致。
3、 嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)
鋼結(jié)構(gòu)加固的特殊性，需要一種簡便的預(yù)應(yīng)力施加方式，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力施加方式往往是先張拉后錨固，需要相對復(fù)雜的張拉機具，以及相應(yīng)的反力裝置。在錨固的時候，預(yù)應(yīng)力損失也比較大。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，其特點就是先錨固后張拉，以構(gòu)件本身和先前的錨固作為張拉受力裝置，無需復(fù)雜的張拉機具。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)可分次施加預(yù)應(yīng)力，可對粘結(jié)層產(chǎn)生擠壓效應(yīng)，提高粘貼的可靠性。同時，因采用先錨固后張拉技術(shù)，預(yù)應(yīng)力損失小，方法簡便有效。錨固及張拉裝置見圖1：
4 、纖維布安裝工藝
1）表面處理：先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域，清理構(gòu)件表層，用丙酮或酒精溶液擦洗表面，去除污染物，晾置干燥，用粘結(jié)劑浸潤表面。
（a）安裝前（b）安裝后
圖1.錨夾具安裝示意圖
2）在設(shè)計要求的位置打孔，應(yīng)遠離待加固部位以免造成二次損傷；
3）采用擠推法帶膠按圖1所示方法安裝纖維布，將纖維布初步張緊；待錨固處膠硬結(jié)后第一次施加預(yù)應(yīng)力，將纖維布完全拉直，此時纖維布與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面留有一定的空隙；
4）在纖維布表面抹膠，將纖維束間的空隙初步封閉，稍干硬后進行灌膠；
5）膠稍干后第二次施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計的控制應(yīng)力（利用擠壓效應(yīng)，提高粘貼質(zhì)量），用膠將纖維束充分浸透，提高共同工作性能。
6）常溫下48小時后（氣溫較低時應(yīng)適當(dāng)延長時間），膠充分硬結(jié)后，割除多余的螺桿，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際要求進行表面防護處理。
4、預(yù)應(yīng)力CFRP加固的設(shè)計與計算原則
預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)除遵守一般鋼結(jié)構(gòu)加固的準(zhǔn)則與規(guī)定外，還具有以下的特點：
1）進行靜力計算時必須首先確定一些與調(diào)整應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)，例如輔助平衡力大小、預(yù)應(yīng)力力度、預(yù)應(yīng)力卸載彎矩值、支座標(biāo)高的位移值等；
2）要確定調(diào)整應(yīng)力時的合理荷載值或應(yīng)力水平，換言之，要分析判斷加固結(jié)構(gòu)時是否需要全部卸載，或卸載至某一水平。
在加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算中應(yīng)遵守下列原則：
1）加固件與被加固件皆在材料彈性范圍內(nèi)受力，兩者在荷載下同時達到材料的強度設(shè)計值；
2）充分發(fā)揮材料強度潛力，加固件的預(yù)應(yīng)力度可使被加固件的應(yīng)力卸載至其反向應(yīng)力的極值；
3）預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計中同樣應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)應(yīng)力加載系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。
5、結(jié)語
預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)與加固砼結(jié)構(gòu)在機理方面明顯不同，因此，為了使這一先進的結(jié)構(gòu)加固方法更廣泛地應(yīng)用于工程實踐，還存在以下問題有待于進一步研究：
1）鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)CFRP加固后，可視為廣義的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。不同材料間的粘結(jié)界面是加固后體系的薄弱環(huán)節(jié)，破壞往往產(chǎn)生于此。因此，界面粘結(jié)機理及界面粘結(jié)破壞將成為CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究重點。試驗表明，施加預(yù)應(yīng)力和降低粘結(jié)層剛度，加大粘結(jié)層厚度可緩解界面的粘結(jié)破壞，但其函數(shù)關(guān)系尚需進一步研究。
2）復(fù)合結(jié)構(gòu)界面力學(xué)性能參數(shù)（如界面剝離破壞強度、剪切破壞強度）有待于通過試驗來測定，但目前的試驗方法尚不成熟。
3）鋼材與碳纖維均為導(dǎo)電材料，且碳纖維比鋼材具有較高的電位。用粘結(jié)劑粘貼時膠層很薄，且容易存在空隙。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面與碳纖維直接接觸并處于腐蝕性環(huán)境中時，就會發(fā)生電偶腐蝕。按本文所述的預(yù)應(yīng)力施加方法，可適當(dāng)加大粘結(jié)層的厚度，提高膠層的飽滿度，應(yīng)當(dāng)可以避免發(fā)生電偶腐蝕，但其可靠性尚有待驗證。
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