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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì), 施工管理的不當(dāng), 使用目的的改變, 環(huán)境腐蝕、損壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷或功能過(guò)時(shí), 亟需修復(fù)加固或改造。鑒于翻新重建的費(fèi)用巨大, 所以各國(guó)政府和相關(guān)部門(mén)都在尋求經(jīng)濟(jì)有效的新的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)加固改造技術(shù)。傳統(tǒng)的增強(qiáng)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(zhǎng)、耐久性差、增強(qiáng)效果有限并給原結(jié)構(gòu)增加較大負(fù)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(qiáng)度高、抗腐蝕性和疲勞性強(qiáng)的FRP 復(fù)合材料(fiber reinforced polymer) 成為土木工程領(lǐng)域中潛在的新型增強(qiáng)加固材料。通過(guò)粘結(jié)材料(通常為環(huán)氧樹(shù)脂) 將FRP 纖維片材粘貼于需增強(qiáng)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(fēng)靡全球。

試驗(yàn)表明, 通過(guò)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(qiáng)幅度有限。同時(shí), FRP —混凝土界面有限的傳遞能力卻會(huì)大大降低預(yù)期的加固效果, 導(dǎo)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(yù)應(yīng)力的FRP纖維片材修補(bǔ)結(jié)構(gòu)物時(shí), 對(duì)高強(qiáng)度的FRP 復(fù)合材而言, 只有一部分的強(qiáng)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(duì)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(huì)有明顯下降。對(duì)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(fù)。為充分發(fā)揮這些材料的優(yōu)勢(shì)及解決上述的諸類(lèi)問(wèn)題, 采用像傳統(tǒng)的預(yù)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(hù), 最后釋放張拉端。這樣初始預(yù)應(yīng)力可用來(lái)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(qiáng)效果, 諸如大大推遲裂縫的進(jìn)展和減小裂縫寬度, 有效地增強(qiáng)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(yù)張拉FRP 增強(qiáng)方法有這么多優(yōu)點(diǎn), 但也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題, 如預(yù)應(yīng)力會(huì)引起張拉端的剪應(yīng)力集中, 過(guò)大的預(yù)應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致施加外載前的早期剝離破壞,這已經(jīng)在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中得以發(fā)現(xiàn)[1 ,2 , 4 ] 。這同時(shí)表明在應(yīng)用預(yù)張拉FRP 增強(qiáng)方法時(shí), 預(yù)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(duì)纖維材料素材有一定的要求。近年來(lái)人們對(duì)炭素纖維片材的外張拉粘結(jié)方法進(jìn)行了不少探討。但存在著后述的種種問(wèn)題很難將其實(shí)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(wèn)題, 并建立一套革新的FRP 片材的預(yù)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(yù)應(yīng)力張拉復(fù)合材———PBO 纖維材料

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

phenylene benzo2bis2oxazole 首位字母的縮寫(xiě), 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(qiáng)度。PBO 纖維與其他各類(lèi)纖維的力學(xué)指標(biāo)的比較見(jiàn)圖2 。另外, 尤為重要的是它的耐沖擊性能或者說(shuō)是能量吸收性能要遠(yuǎn)高于炭素纖維和芳綸纖維(如圖3 所示) 。

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