第八讲 预应力纤维复合材(FRP)加固法
预应力碳纤维布加固
预应力碳纤维布加固在建筑结构加固领域，新技术的不断涌现为提高结构的安全性和耐久性提供了更多可能。
预应力碳纤维布加固技术作为一种创新且高效的方法，正逐渐受到广泛关注和应用。
那么，什么是预应力碳纤维布加固呢？简单来说，就是通过对碳纤维布施加预应力，使其在结构承受荷载之前就处于受力状态，从而更大程度地发挥碳纤维布的高强性能，提高结构的承载能力和抗变形能力。
与传统的加固方法相比，预应力碳纤维布加固具有诸多显著优势。
首先，它能够有效地提高结构的承载能力。
在传统加固中，碳纤维布往往是在结构已经出现变形或裂缝后才发挥作用，而预应力碳纤维布则在结构受荷之前就参与工作，提前承担一部分荷载，从而显著增强了结构的整体承载能力。
其次，这种加固方法可以更好地控制结构的裂缝开展。
由于碳纤维布施加了预应力，能够有效地约束裂缝的扩展，减少裂缝的宽度和数量，提高结构的耐久性。
再者，预应力碳纤维布加固能够减小结构的变形。
通过预先施加的应力，结构在承受荷载时的变形得到有效控制，增加了结构的稳定性和正常使用性能。
预应力碳纤维布加固的施工过程相对复杂，但每一个步骤都至关重要。
在施工前，需要对结构进行全面的检测和评估，确定结构的损伤情况和加固的具体需求。
然后，根据设计要求，对碳纤维布进行裁剪和预张拉。
在粘贴碳纤维布时，要确保粘贴面的清洁和平整，使用专用的胶粘剂将碳纤维布牢固地粘贴在结构表面，并通过锚具或其他固定装置对碳纤维布施加预应力。
施工过程中，还需要对预应力的大小进行严格控制和监测，以保证加固效果符合设计要求。
为了确保预应力碳纤维布加固的效果和质量，施工中需要注意很多细节。
比如，胶粘剂的选择和使用就非常关键。
优质的胶粘剂能够保证碳纤维布与结构之间的良好粘结，确保应力的有效传递。
同时，施工环境的温度和湿度也会对胶粘剂的性能产生影响，因此需要在合适的条件下进行施工。
另外，预应力的施加和控制必须精确无误。
如果预应力过小，无法达到预期的加固效果；如果预应力过大，则可能导致结构的破坏或碳纤维布的断裂。
纤维增强复合材料FRP桥梁结构加固改造可修改全文
量产化工艺
稳定化理论
高性能技术
熔融
浸润
不同矿区
800℃纤维不粘结
•
腐蚀后纤维无坑蚀
不同颗粒度
高强度
3000-3500MPa（稳定生产）
>4024 MPa （实验室*）
•
耐高温：>800℃
•
高耐碱：强度保留率>80%
* Wu and Chen, Fibers and Polymers, 2017, 18(9), 1796–1803
维护管理预算超支量巨
大
兆
元
2037年出现赤字！
新建费用
灾后修复费用
更新费用
维护管理费用
额定费用中维护管理/更新的超出
，需要有效的解决方案，
即缩小庞大的维护成本
年份
美国: 美国的积压桥梁修复需求为1230亿美元！
美国有614,387座桥梁，几乎40%超过50年或更旧
截止2016年9.1%存在结构缺陷
0-10 years
自由端滑移
需要
界面退化后
位移
日本阪神地震重建损伤修复调查
在1995年的阪神大地震中，阪神高速公路遭受到近场强震，导致神户线严重破坏
钢筋混凝土桥墩损伤程度
AS= 倒塌
A= 非常严重
B= 严重
C= 轻微
D= 无
震后重建修复调查过程中，检查了桥墩的倾斜程度（残余变形）
1. 残余变形大在严重损伤的桥墩中普遍存在，不少结构无法修复或很难修复,
以普通型2500MPa
原丝制备为例
纤维离散 树脂离散 纤维弯曲
树脂浸渍度
理论FRP强度1500 MPa
预应力碳纤维复合板加固法
预应力碳纤维复合板加固法
预应力碳纤维复合板加固法是一种常用的结构加固方法，适用于混凝土、钢结构等各种材料的加固。
该方法主要包括以下步骤：
1. 预处理：首先对结构进行清理和修复，修复混凝土表面缺陷，保证基底无起砂、起壳及裂缝。
2. 粘贴碳纤维复合板：将预制好的碳纤维复合板从一个端口搬运至所需加固部位，涂布胶粘剂并将板材粘贴在加固部位上。
3. 压实碳纤维复合板：使用专用的机械设备对粘贴好的碳纤维复合板进行压实，确保其与基底之间良好贴合。
4. 布置预应力锚具：根据结构需要，在碳纤维复合板上布置预应力锚具，用于施加预应力。
5. 施加预应力：通过拉拔预应力锚具，施加适当的预应力，使碳纤维复合板与结构形成有效的预应力作用。
6. 后期处理：完成预应力施加后，进行碳纤维复合板与基底的再次涂刷，确保整个加固体系的一致性和耐久性。
通过预应力碳纤维复合板加固法，可以有效提高结构的承载能力、刚度和抗震性能，同时减少结构的变形和裂缝。
这种加固
方法具有施工速度快、工艺简单、对原结构影响小等优点，被广泛应用于各种结构的加固和修复中。
预应力纤维(PFRP)布加固试验过程研究
预应力纤维(PFRP)布加固试验过程研究欧伟;田安国;姚锦文【摘要】预应力纤维(PFRP)布的研究结果等都存在很大的争议与差异,主要的原因是试验中都未能很好的解决预应力的施加和纤维布的锚固难题.本文根据近期开展的PFRP布受弯构件加固试验和多年的结构试验经验,结合工程结构设计、施工经验,根据现阶段的研究状况,对PFRP布加固试验过程中纤维布粘贴、PFRP布锚固、预应力张拉、预应力损失、试验影响因素、PCFRP布试验进行了初步分析,并针对锚固和张拉关键问题提出了符合工程实际的解决方法,并用于工程实际.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2006(020)006【总页数】6页(P28-33)【关键词】PFRP布;粘结;影响因素;锚固;横向张拉【作者】欧伟;田安国;姚锦文【作者单位】江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏大学,土木工程系,江苏,镇江,212013;淮海工学院,土木工程系,江苏,连云港,222005;淮海工学院,土木工程系,江苏,连云港,222005【正文语种】中文【中图分类】TU3180 引言国内外学者曾先后发表了预应力纤维PFRP(Prestressed Fiber Reinforced Polymer)布的研究成果,但是在计算模型和计算方法、计算结果等都存在很大的争议,其中一个重要的原因是每个试验的条件和测试方法、试验设计等都完全不同,试验中都沿袭非预应力加固试验方法,未能很好的解决预应力的张拉和纤维布的锚固问题而停留在理论分析上[1-3],从某种程度上说都存在不足之处。
目前尚缺乏试验技术与经济效益兼优的方案,加固效率低、成本昂贵,导致实际加固工程中业主并不认可。
目前的PFRP布加固方法的张拉设备、锚固夹具、PFRP布材料用量和人工的总成本远远大于FRP布加固成本。
试验研究一般都有科研经费资助,而工程实际应用中业主却受经济效益的控制,并且施工队伍的素质很难保证施工质量,所以这是PFRP技术尚停留在实验室研究而未能应用于工程实践中的重要原因——目前未能彻底解决PFRP布的张拉和锚固问题。
基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法
基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法一、前言预应力FRP加固装置是一种用预应力碳纤维复合材料（FRP）对混凝土结构进行增强和加固的方法。
其施工工法基于快速安装，具有高效、节省时间和成本等优点。
本文将对该工法的特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施、经济技术分析以及工程实例进行详细探讨。
二、工法特点基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法具有以下特点：1. 施工速度快：采用预制的FRP加固件，减少实地加固工作量，施工效率高。
2. 成本较低：相对于传统的加固方法，预应力FRP加固装置施工工法节省了人力、材料和时间，降低了成本。
3. 施工过程无需停电：预应力FRP加固装置施工工法无需对工程进行停电处理，不会影响使用和运行。
4. 质量可控：预制的FRP加固件具有一致的质量和性能，确保加固效果的稳定和可靠性。
5. 环境友好：预应力FRP加固装置施工工法不产生污染物，对环境影响小。
三、适应范围基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法适用于各种混凝土结构的加固，包括梁、柱、墙和板等。
不同类型的结构可以根据设计要求选择不同规格和数量的加固件。
四、工艺原理基于快速安装的预应力FRP加固装置施工工法的工艺原理是通过预应力FRP加固件对混凝土结构进行加固。
预应力FRP 加固件是由预应力碳纤维带和固化剂组成，它们首先被预制成相应的形状和尺寸，然后通过螺栓等连接件将其牢固地固定在混凝土结构上。
施工工法与实际工程之间的联系通过以下技术措施实现：1. 结构评估和设计：在施工前进行结构评估，确定需要加固的位置和方式。
根据结构评估结果进行设计，确定加固件的规格和数量。
2. 加固件预制：预应力FRP加固件在工厂中预制成相应的形状和尺寸，确保质量和性能的一致性。
3. 施工准备：根据设计要求和加固件的特点，进行施工准备工作，包括清理和打磨混凝土表面、布置预应力带等。
FRP复合材料在结构加固工程中的应用(标准版)
( 安全技术 )单位：_________________________姓名：_________________________日期：_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改FRP复合材料在结构加固工程中的应用(标准版)Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that peoplemake mistakesFRP复合材料在结构加固工程中的应用(标准版)通过介绍FRP复合材料，因其轻质高强、高弹模、耐腐蚀性能好及抗冲击性能好等一系列优点，在桥梁、地铁及一些工业厂房等混凝土结构的加固与修复领域中，应用潜力巨大。
土木工程学科的发展，在很大程度上依赖于性能优异的新材料新技术的应用和发展。
在已有结构的加固改造领域，不仅要求材料经济美观、便于施工，且要求施工后的结构承载力能够明显提高。
而FPR复合材料以其优异的力学性能和广泛的适用性发挥着越来越重要的作用。
FRP（fiberreinforcedplastics）复合材料主要有碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）及玻璃纤维（GFRP）等，其材料形式主要有片材、棒材和型材。
FRP的共同优点是：轻质高强、高弹模、抗疲劳、耐腐蚀耐久性能好、热膨胀系数低等。
另外，FRP复合材料可以节省材料、自由裁剪、施工方便且速度快，虽然其前期投资较大，但维护成本低，经济效益明显。
因此，FRP（片材）复合材料在土木结构加固工程中应用潜力巨大。
1、FRP复合材料的基本特性随着增强纤维材料的发展，碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维已经成为当前结构工程中加固补强的重要材料。
一些典型的FRP（片材）复合材料的基本力学性能见下表。
FRP复合材料的性能各异，在拉伸强度及拉伸模量方面，玻璃纤维和芳纶纤维一般比碳纤维低1/3左右；在断裂延伸率方面，芳纶纤维一般是碳纤维的2倍左右，玻璃纤维一般比碳纤维高70%左右；在韧性、抗冲击性能方面，芳纶纤维和玻璃纤维要比碳纤维好得多；在抗碱腐蚀方面，芳纶纤维和玻璃纤维则不如碳纤维好。
纤维增强复合材料(FRP) 在工程结构加固中的应用
纤维增强复合材料（FRP）在工程结构加固中的应用肖萍（福建信息职业技术学院福州，350019）摘要：介绍FRP这种新型高性能复合材料的种类、性能特点及对钢筋混凝土构件的加固方式，并介绍了FRP复合材料在土木工程不同领域的应用发展，展望了FRP复合材料在今后土木工程领域的广阔发展前景。
关键词：FRP 复合材料；材料性能；钢筋混凝土构；修复加固随着社会科学技术的进步，土木工程结构学科的发展，在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer 简称FRP）以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中，受到结构工程界广泛关注。
1 FRP复合材料的种类FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定地比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。
目前工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维（CGRP）、玻璃纤维（GFRP）、及芳纶纤维（AFRP），这些材料性能如表1所示，其材料形式主要有片材（纤维布和板）、棒材（筋材和索材）及型材（格栅型、工字型、蜂窝型等）。
1.1 在FRP片材中，纤维布是目前应用最为广泛的形式，它由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，使用前布浸润树脂，在采用FRP布加固时布的形状可以根据被加固结构的外形随意调整，加上它本身没有刚度，运输方便，较适用于梁与柱的抗剪、抗弯加固，柱与节点的抗震加固。
但由于FRP布的厚度较薄，需多层粘贴才能满足要求，所以施工工艺较繁杂，操作较为困难。
而FRP板则可以承受纤维方向上的拉和压，所以FRP板较适用于梁板柱的抗弯加固和抗剪加固。
1.2 在FRP棒材中，FRP筋是采用单向成型工艺，将单向长纤维与树脂混合为棒材；而FRP索是将连续的长纤维单向编织，再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的索状FRP制品。
预应力碳纤维板加固施工流程
预应力碳纤维板加固施工是一种常用的结构加固方法，可以有效提高结构的承载能力和抗震性能。
下面将详细介绍预应力碳纤维板加固施工的步骤和流程。
1. 施工前准备在进行预应力碳纤维板加固施工前，需要进行以下准备工作：1.1 结构检测与分析对待加固的结构进行全面检测和分析，确定结构的受力状况、损伤程度和需要加固的部位。
1.2 设计方案制定根据结构检测与分析结果，制定合理的设计方案，包括预应力碳纤维板的布置位置、数量和预紧力等参数。
1.3 材料准备采购符合标准要求的预应力碳纤维板材料，并对材料进行验收，确保质量合格。
1.4 施工人员培训对参与施工的人员进行培训，使其熟悉施工流程、操作规范和安全注意事项。
1.5 施工设备准备配备必要的施工设备，如搅拌机、喷涂机、压力泵等。
2. 施工步骤2.1 表面处理对待加固的结构表面进行清理，去除油污、灰尘和松散的混凝土，保证表面干净、粗糙度适宜。
2.2 粘结层施工在结构表面涂刷粘结剂，确保预应力碳纤维板与结构之间具有良好的粘结性能。
粘结剂的选择应根据具体情况，常用的有环氧树脂胶水和聚合物乳液等。
2.3 预应力碳纤维板铺设将预应力碳纤维板按照设计方案要求进行铺设，注意保持板材之间的间距和重叠长度，并确保板材与结构表面紧密贴合。
2.4 预应力施加使用专用设备对预应力碳纤维板进行预紧，施加预定的拉伸力。
根据设计方案要求，可以采用机械张拉或液压张拉等方法进行。
2.5 粘结层覆盖在预应力碳纤维板上覆盖一层粘结剂，增加与混凝土的粘结强度，提高加固效果。
2.6 压实与养护对加固部位进行压实，确保预应力碳纤维板与结构之间的紧密贴合。
然后进行养护，保持适宜的温度和湿度，使粘结剂充分固化。
2.7 后续处理根据需要，对加固后的结构进行喷涂、抹灰等后续处理工作，使其与原有结构一致。
3. 施工注意事项3.1 安全防护施工过程中要注意安全防护措施，如佩戴安全帽、手套和防滑鞋等，确保人员安全。
3.2 施工环境控制施工环境应具备适宜的温度和湿度条件，避免在极端环境下施工。
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1. 正常使用条件下碳纤维材料的利用率极低，一 般不超过材料设计强度的10%。
2. 不能有效改善加固结构的使用性能，如减小裂 缝宽度、提高结构刚度、降低结构挠度等。
3. 正截面加固时片材端部容易产生界面高剪应力， 导致端部剥离；裂缝两侧界面容易产生高剪应 力导致剥离；简支构件斜裂缝的发展容易诱发 片材剥离；
施加预应力的方法：波形锚法
波形锚法的优点 装置简单，易于张拉，可多层叠放一次 压紧。
缺点 预应力值不易控制；对较大跨度，需要 较多的中间波形板，或许使造价提高； 收紧时纤维存在破损的风险。
注：有工程应用实例
纤维板施加预应力
CFRP预成型板简称CFRP板是将 CFRP丝和树脂胶体拉挤成型的板材， 在CFRP布相同宽度的前提下其有效 横截面积是布材的7~11倍，这样只要 张拉一条CFRP板就相当于张拉7~11 层的CFRP布材，可以看出CFRP板材 在预应力应用中具有与生俱来的优势， 这是布材所不能比拟的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
纤维布施加预应力的方法：反拱法
反拱法产生的预应力度很低，能有效说明对 FRP材料施加预应力带来的明显优势，但该方 法在实际工程中难以采用。
纤维布施加预应力的方法：反拱法
• 国内外较早采用反拱法对GFRP材料建立预应 力。Saadatmanesh和Ehsani[5]（美国Arizona 大学，1991）在实验室内用千斤顶在跨中将混 凝土梁顶起产生反拱，保持荷载使梁维持弯曲 状态，然后在梁底凹面粘贴GFRP板，待胶层 固化获得强度后卸除千斤顶，混凝土梁回弹使 GFRP板受拉，从而建立起预应力。该试验混 凝土梁尺寸为4570mm×200mm×460mm， 四点弯曲试验的开裂荷载提高了100%，承载 力提高400%。
concrete） （限制）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
斜裂缝剪错导致的纤维片材剥离破坏 （限制）
对纤维片材施加预应力的优势
1. 可以大幅度提高CFRP材料强度利用率； 2. 大幅度降低同等拉应力条件下CFRP片材
与基层混凝土之间的剪应力，降低因弯 曲裂缝导致的剥离风险； 3. 经张拉的CFRP片材在端部设置专用锚固 装置后，可以有效防止端部剥离破坏和 因剪切裂缝导致的剥离破坏。
（限制）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
纤维片材自端部而起的剥离破坏 （脱层,delamination of FRP sheet from base
concrete） （限制）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
纤维片材自裂缝截面的剥离破坏 （脱层,delamination of FRP sheet from base
• 赵军[8]（广西工学院，2005）采用反拱法用 CFRP布对尺寸为2000mm×120mm×200mm 的混凝土梁进行了加固试验，表明能有效提高 承载力，并控制裂缝的发展。
纤维布施加预应力的方法：先张法
纤维布施加预应力的方法：先张法
手扳葫芦张拉法：江世永、飞渭等
（1）提升装置 （2） 钢板 （3） 螺栓 （4） 滚轴 （5） CFRP布 （6） 夹具 （7） 手扳葫芦（8） 挂钩 （9） 力传 感器。
纤维布施加预应力的方法：先张法
先张法的优点
无锚具，节约材料，跨内裂缝截面的剥 离问题得以缓解。
先张法的缺点 1. 不能解决端部剥离问题，放张时可
能直接产生剥离现象。 2. 多层张拉时耗时太长。 应用情况
系统尚不完善，实际工程中几乎未见使 用。
纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法
东南大学：吕志涛
纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法
4. 抗剪加固时U形箍自由端容易产生剥离。
受弯构件抗弯加固的破坏形态 钢筋受拉屈服-纤维拉断（不选择）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
钢筋受拉屈服-纤维不断-压区混凝土压碎 （选择）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
受弯能力增强，抗剪能力相对较弱，导致剪切破坏 （限制）
受弯构件抗弯加固的破坏形态
沿钢筋的表层混凝土剥离破坏 （撕裂，debonding of surface concrete from rerar)
纤维布施加预应力的方法：先张法
直接张拉法：杨勇新、岳清瑞、叶烈平
纤维布施加预应力的方法：先张法
直接张拉法：杨勇新、岳清瑞，叶烈平
纤维布施加预应力的方法：先张法
直接张拉法的施工工艺流程 (1) 将待加固RC 梁粘贴面打磨至坚硬层,粘贴面 找平处理并清除粘贴面上的油污、浮浆和粉尘。 (2) 在加固构件粘贴面上用涂胶辊均匀刷涂底胶, 养护至规定时间至手指触摸不粘手。 (3) 安装张拉设备,可以采用植筋方法在被加固梁 端的支墩或柱上固定张拉设备。 (4) 安装CFRP 布,并张拉CFRP 布达到预定的值。 (5) 用粘贴树脂均匀刷涂CFRP 布。 (6) 抬升CFRP 布与构件底面紧密结合,碾压排除 气泡,使粘贴紧密,粘贴树脂养护达到强度。 (7) 释放张拉端。 (8) 采用多层粘贴时重复上述步骤。 (9) 全部粘贴加固完成后进行表面防护处理,必要 时表面需涂防火涂料。
纤维板施加预应力：sika stress head
固定端
纤维板施加预应力：sika stress head
锚固靴
张拉端
纤维板施加预应力：sika stress head
张拉情景
纤维板施加预应力：sika stress head
锚固靴
纤维板施加预应力：sika stress head
纤维布施加预应力的方法：反拱法
• Yu，Silver和Nanni[6]（美国Missouri-Rolla大 学，2003）采用反拱法对尺寸 6300mm×1000mm×220mm的混凝土梁用 CFRP板进行加固，使承载力比对比板提高了 80%。
• 赵启林[7]（解放军理工大学，2002）分析了 反拱法对钢构件采用预应力FRP加固的可能性。
东南大学：吕志涛
纤维布施加预应力的方法：辊轴收紧法
辊轴收紧法的优点 装置简单，易于张拉。
缺点 预应力值不易控制；事先须在构件两端 粘贴固定纤维布，且一旦固定再无更改 可能；收紧时纤维存在破损的风险。
纤维布施加预应力的方法：波形锚法法
重庆l 大学：李唐宁
l
纤维布施加预应力的方法：波形锚法
重庆大学：李唐宁 l