利用高性能玄武岩纤维复材提升桥隧结构抗灾韧性及寿命.pdf
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1、利用高性能玄武岩纤维复材提升桥隧结构抗灾韧性及寿命吴智深 东南大学 玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程中心汇报内容一、背景二、玄武岩纤维及复合材料三、加固既有桥隧结构关键技术四、增强新建桥隧结构关键技术五、结论桥墩缆索隧道道路目前,结构耐久性问题已成为各国可持续发展的瓶颈桥隧等重大工程结构面临的瓶颈问题我国的问题日益凸显,加上工程结构体量大,问题更为严重87300重大结构灾后可恢复性(抗灾韧性)急需提高u现行规范现行规范“中震可修中震可修”“”“大震不倒大震不倒”,但无定量设计方法,难以保证震后可修复,但无定量设计方法,难以保证震后可修复日本東名高速日本東名高速京沪高铁京沪高铁东京工业大
2、学著名抗震专家川东京工业大学著名抗震专家川岛教授等岛教授等(2006)(2006)对专家设计对专家设计人员、管理人员和民众等进行人员、管理人员和民众等进行问卷调查:问卷调查:89.3%89.3%受调查者认受调查者认为应该至少为应该至少一周内完成修复一周内完成修复,但现有设计方法没法保证但现有设计方法没法保证合理修复周期:合理修复周期:一天?一周?一月?一年?一天?一周?一月?一年?重大工程结构要求中大地震后需要损伤可控且可快速修复重大工程结构要求中大地震后需要损伤可控且可快速修复u生命线工程关系国计民生,长时间中断会造成生命财产重大损失生命线工程关系国计民生,长时间中断会造成生命财产重大损失结
3、构倒塌结构倒塌结构不可修复结构不可修复日本阪神地震灾日本阪神地震灾后交通要道花费后交通要道花费1 1年时间修复!年时间修复!交通运输部-平安百年品质工程“平安百年品质工程”建设研究推进方案交办安监2018147号材料、设计、工艺工法、装备、监测、养管以及信息技术桥梁(东南大学技术支持单位之一)隧道路基路面及高边坡主要工程目标实现结构长寿命、高耐久手段船闸港口航道强调:推动研发使用长寿命工程材料汇报内容一、背景二、玄武岩纤维及复合材料三、加固既有桥隧结构关键技术四、增强新建桥隧结构关键技术五、结论 连续玄武岩纤维(CBF)是以火山岩为原料经1500高温熔融后快速拉制而成的连续纤维,其外观为金褐色
4、,属于非金属的无机纤维,被称为21 世纪无污染的“绿色工业原材料”。与碳纤维、芳纶纤维、超高分子纤维,并称四大高技术纤维发展玄武岩纤维产业对实施国家安全战略和国民经济相关领域产品的升级换代具有重要的战略意义点石成金玄武岩纤维概述玄武岩纤维概述经过十余年技术攻关,攻克了玄武岩纤维的高性能化、稳定化和量产化系列难题,已成为为稳定、高性能的结构材料大池窑和漏板稳定化理论量产化工艺高强度 3000-3500MPa(稳定生产)4800MPa(实验室)(达到T300碳纤维水平,成果发表于国际顶级期刊Composites Part B)耐高温:800高耐碱:强度保留率80%高性能技术多元混配均配理念及理论(
5、国际首创)矿石数据库和设计软件高强纤维混合理论量产低离散率 CV60%fu以上,满足土建交通工程结构需求界面剥离控制为满足100年以上长寿命结构设计需要,进一步开发了基于1000万次疲劳循环的BFRP疲劳性能预测方法和提升技术疲劳循环p不同FRP的蠕变断裂应力CFRP 0.71fu BFRP 0.55-0.60fuAFRP 0.50fuGFRP 0.29fu Steel strand 0.8fu(tension limit)(具有高蠕变断裂应力特性)蠕变性能控制预应力构件的关键指标p 预张力控制蠕变率及蠕变断裂应力预张力机理蠕变断裂应力控制55%fu60%fuStraighten after
6、pretension0246810121234CFRP GFRP AFRP BFRP Creep rate%2-3%6-9%13%C界面破坏是控制因素粘结强度高的纤维对提升界面性能具有重要作用基体开裂是腐蚀渗入性能退化的关键因素基体增韧阻止裂纹开展是有效方法0501001502000.70.80.91.01.1 Normalized tensile strengthFreeze-thaw cycles BFRP CFRP GFRPBFRPGFRPCFRP冻融循环次数相对拉伸强度宏观力学性能微观观测BFRP是腐蚀环境下耐久长寿命材料较大腐蚀区域界面剥离腐蚀6w退化机理疲劳与盐溶液的耦合作用导致界
7、面连续剥离对照组腐蚀后下降率 100038好较好1-5 mm好玻璃纤维网格2.160030一般差1-5 mm好碳纤维网格1.8140070好好1-5 mm较好钢丝网7.8500-1000200差较好5mm以上较差1 玄武岩纤维网格抗弯/抗剪加固工法 双向约束承载力提升显著适应性强可在低温或潮湿环境下施工防火性好表层砂浆隔离网格与火源施工便捷网格铺设快砂浆机械喷涂耐久性好提高寿命加固材料:薄面粘结材料:砂浆保护层厚度:透明性好不影响结构外观状况检查网格抗弯、抗剪加固效果1.He W,Wang X,Wu Z.Flexural behavior of RC beams strengthened wi
8、th prestressed and non-prestressed BFRP gridsJ.Composite Structures,2020.2.He W,Wang X,Ahmed M,Wu Z.Shear behavior of RC beams strengthened with side-bonded BFRP gridsJ.Journal of Composites for Construction.2020.抗弯加固抗剪加固 对比梁5mmBFRP网格加固抗弯承载力提升39%加固层加固层对比梁抗剪承载力提升37%跨中位移(mm)荷载(kN)5mmBFRP网格加固受剪破坏转变为受弯破
9、坏2 桥墩等水下结构加固工法 耐久性优异桥墩等水下结构加固工期短性能提升显著施工平台小可在24小时内完成加固不影响通航与交通水中服役长期稳定有效提高承载力与延性无围堰工法主要工序加固效果压弯承载力提升1层BFRP网格加固对比试件承载力提升70%95%吴刚,吴智深,罗云标,蒋剑彪.FRP网格约束混凝土圆柱的抗震性能J.建筑科学与工程学报,2007,(4):39-44.魏洋,纪军,张敏.FRP网格拉伸性能及加固水下混凝土试验研究J.玻璃钢/复合材料,2014,000(007):10-15.抗震性能提升加固后侧向承载力更高、延性更大水中加固加固前加固后3 隧道与涵洞承载力加固及抗剥落工法 耐久性优异
10、隧道与涵洞 承载力加固 抗剥落加固施工便捷双向约束适应性强 网格铺设快、粘结材料机械喷涂 可在低温或潮湿环境下施工 加固系统不受隧道腐蚀环境影响 双向约束剥落块利用网格双向约束特点与较高的界面抗剥离性能约束剥落块承载力加固效果极限荷载提高33%-73%(a)混凝土表面处理(b)喷涂界面处理(c)安装纤维网格(d)喷射聚合物砂浆开发适用于开发适用于薄面粘贴薄面粘贴的玄武岩纤维格栅,可有效防止的玄武岩纤维格栅,可有效防止混凝土剥落,混凝土剥落,同时便于观测裂缝开展同时便于观测裂缝开展特点:特点:复合材料耦合性好,阻断复合材料耦合性好,阻断外层水渗透外层水渗透/促进内部水分促进内部水分挥发,防止剥落
11、发生挥发,防止剥落发生 透明涂层便于检查施工效透明涂层便于检查施工效果,满足观测裂缝延伸进果,满足观测裂缝延伸进程的要求程的要求玄武岩纤维格栅玄武岩纤维格栅网格间高分子涂敷层表层透明涂层内部水分挥发防止外部雨水渗透2 玄武岩纤维板预应力加固工法有效改善结构性能抗剥离破坏纤维板预应力加固工法充分发挥材料性能耐疲劳 有效提升承载力、使用性、减小裂缝 材料利用效率高 预应力提升结构的抗疲劳性能 玄武岩纤维布/板条替代碳布、碳板具有更高性价比预应力纤维布、板锚固技术预应力纤维布锚固技术同源变刚度复合材料夹片锚 f1 f2 f3 f 剪应力 关键问题:端部剪应力集中问题实现方法:分层锚、分段锚或分步放张
12、剪应力集中剪应力相对均匀 预应力纤维板锚固技术有效避免刚度突变导致的应力集中增强效果(与高强碳板加固相比)等规格等规格FRP板板(50*2mm)市场价(元市场价(元/m2)CFRP板(高强I级)1000BFRP板(高强I级)360刘长源.预应力BFRP板外贴加固RC梁抗弯性能研究D.东南大学,2019.等规格板条效果对比等刚度等刚度FRP板种类板种类(50*2mm vs 50*5mm)市场价(元市场价(元/m2)CFRP板(高强板(高强I级)级)1000BFRP板(高强板(高强I级)级)600等刚度板条效果对比FRP板部分滑移3 玄武岩纤维筋体外预应力加固工法:简介预应力抵消荷载下的挠度,结构
13、变形小预应力提高开裂荷载BFRP筋预应力50%,利用效率高BFRP筋耐腐蚀,结构高耐久充分发挥材料筋强度体外预应力加固提高结构刚度提升耐久性限制开裂类型密度(g/cm3)抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)延伸率(%)耐腐蚀性造价(等强度)玄武岩筋2.11300-170050-552.5%好5碳纤维筋1.51700-3000120-1601.5%好25高强钢绞线7.851400-1860180-2004%差1FRP体外预应力筋:同源一体化锚具有效、可靠显著提升承载力、刚度BFRP体外预应力加固结构的力学性能优越BFRP(210)未加固梁钢绞线(28)屈服荷载提升1.1倍开裂荷载提升4.5倍极限
14、荷载提升1.4倍钢绞线:破坏时塑性变形,结构残余变形大FRP筋:线弹性,结构残余变形小加固效果新型同源变刚度夹片锚实现与钢绞线加固结构类似的延性FRP筋线弹性,结构残余变形小静力锚固效率90%200万次疲劳应力幅限值0.05fu1000h未发生蠕变断裂夹片夹片夹片4 玄武岩纤维筋预应力嵌入式加固工法 混凝土梁张拉张拉中部注入高刚度树脂FRP筋张拉装置与BFRP索的连接装置保护FRP筋预应力嵌入式加固提高结构刚度提升耐久性限制开裂预应力抵消荷载下的挠度,结构变形小预应力提高开裂荷载内嵌式保护内部BFRP筋防止损伤BFRP筋预应力50%,利用效率高针对对净空和防火特殊要求的结构加固效果聚酯砂浆的表
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