目前, 現(xiàn)存的許多結(jié)構(gòu)設(shè)施, 從道路、橋梁、隧道、煙囪、房屋建筑到容器、水道和海洋工程結(jié)構(gòu), 由于老化, 不當?shù)脑O(shè)計, 施工管理的不當, 使用目的的改變, 環(huán)境腐蝕、損壞而導致結(jié)構(gòu)缺陷或功能過時, 亟需修復加固或改造。鑒于翻新重建的費用巨大, 所以各國政府和相關(guān)部門都在尋求經(jīng)濟有效的新的結(jié)構(gòu)增強加固改造技術(shù)。傳統(tǒng)的增強方法諸如外包鋼筋混凝土法增厚, 外張拉鋼索法和外粘鋼板法都常遭受施工困難、工期長、耐久性差、增強效果有限并給原結(jié)構(gòu)增加較大負荷。近年材料工業(yè)的迅速發(fā)展使得成功用于宇航飛行領(lǐng)域的具有重量輕、剛度和強度高、抗腐蝕性和疲勞性強的FRP 復合材料(fiber reinforced polymer) 成為土木工程領(lǐng)域中潛在的新型增強加固材料。通過粘結(jié)材料(通常為環(huán)氧樹脂) 將FRP 纖維片材粘貼于需增強加固的結(jié)構(gòu)物表面的方法已經(jīng)作為一種有效的、創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)加固方法而風靡全球。

試驗表明, 通過粘貼FRP 纖維片材能夠增大結(jié)構(gòu)的剛度、裂縫控制、鋼筋屈服荷載和極限承載能力。但是由于FRP 使用量與鋼筋量相比非常小,結(jié)構(gòu)變形、裂縫控制能力以及鋼筋屈服荷載的增強幅度有限。同時, FRP —混凝土界面有限的傳遞能力卻會大大降低預期的加固效果, 導致脆性破壞,例如在FRP 端部的早期破壞, 由剪切或彎曲裂縫引起的剝離破壞等。通常, 在用非預應(yīng)力的FRP纖維片材修補結(jié)構(gòu)物時, 對高強度的FRP 復合材而言, 只有一部分的強度被充分利用, 剩下的部分由于粘結(jié)界面的關(guān)系而未被加以利用。再者, 這種纖維片材外部粘結(jié)方法對處于工作狀態(tài)或具有一定損傷狀態(tài)的既有結(jié)構(gòu)的加固效果會有明顯下降。對于具有一定損傷狀態(tài)的既有結(jié)構(gòu)而言, 外張拉FRP 不能促使這些已有的損傷恢復。為充分發(fā)揮這些材料的優(yōu)勢及解決上述的諸類問題, 采用像傳統(tǒng)的預應(yīng)力結(jié)構(gòu)方法一樣先張拉FRP 纖維片材,然后將其粘貼于結(jié)構(gòu)物表面并養(yǎng)護, 最后釋放張拉端。這樣初始預應(yīng)力可用來平衡結(jié)構(gòu)的自重和一部分荷載, 從而能夠充分發(fā)揮FRP 的增強效果, 諸如大大推遲裂縫的進展和減小裂縫寬度, 有效地增強結(jié)構(gòu)的剛度, 緩解內(nèi)部鋼筋的應(yīng)變, 提高鋼筋的

屈服荷載和結(jié)構(gòu)的極限承載能力[1～3 ] 。雖然預張拉FRP 增強方法有這么多優(yōu)點, 但也會帶來一個問題, 如預應(yīng)力會引起張拉端的剪應(yīng)力集中, 過大的預應(yīng)力可能會導致施加外載前的早期剝離破壞,這已經(jīng)在過去的實驗中得以發(fā)現(xiàn)[1 ,2 , 4 ] 。這同時表明在應(yīng)用預張拉FRP 增強方法時, 預張拉端部的處理措施非常重要。另一方面, FRP 片材張拉及粘結(jié)對纖維材料素材有一定的要求。近年來人們對炭素纖維片材的外張拉粘結(jié)方法進行了不少探討。但存在著后述的種種問題很難將其實用化。為了充分發(fā)揮加固材料的潛在能力和有效地提高加固性能, 筆者旨在系統(tǒng)地解決上述的各種問題, 并建立一套革新的FRP 片材的預應(yīng)力加固方法和體系。其中, 新型的PBO 纖維材料的基本性能和特性被得到了充分的活用。

2 　預應(yīng)力張拉復合材———PBO 纖維材料

　　近來, 一種由日本東洋紡織股份有限公司開發(fā)的新型PBO 纖維材料( PBO 為其學名poly2p2

phenylene benzo2bis2oxazole 首位字母的縮寫, 如圖1 所示) 具有與炭素纖維相同或更高的彈性模量和張拉強度。PBO 纖維與其他各類纖維的力學指標的比較見圖2 。另外, 尤為重要的是它的耐沖擊性能或者說是能量吸收性能要遠高于炭素纖維和芳綸纖維(如圖3 所示) 。

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文章來源： 永年加固公司
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