预应力钢丝绳原理资料

,Southeast University,TXD,，,P-,SWR,技术,国家发明专利申请号：,200610012294.5,北京特希达科技集团 地址：北京市朝阳区安外外馆斜街泰利明苑大厦,A,座,7,层（总部）,南京市长江后街,6,号,东南大学科技园,A-107,（研发中心）,东南大学土木工程学院 地址：南京市四牌楼,2,号,预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土结构,一项具有我国自主产权的加固新技术,国家发明专利申请号：,200610012294.5,目 录,现有加固技术,-1,.,预应力钢丝绳加固技术的提出,-5,.,预应力钢丝绳力学性能,-6,.,加固工艺,-8,.,试验研究,-16,.,试点工程施工,-22,.,试点工程动静载测试,-28,.,结语,-36,目 录,现有常用加固技术,混凝土结构,抗弯加固,增大截,面加固,粘钢加固,粘贴纤维,复合材料,（,FRP,）加,固,体外预应,力加固,其它,不锈钢绞线,网,+,聚合物,砂浆加固,现有加固技术,1,现有加固技术的优缺点,加大截面法,可靠性好，承载力、刚度提高幅度大，缺点是施工周期长，增加结构的自重，降低结构有效空间 。,粘钢加固法,对刚度提高明显，但其材料自重大，施工复杂，抗腐蚀能力差，不防火，不适用于混凝土强度低的情况，且极限承载力的提高有限 。,粘贴纤维复合材料（,FRP,）加固法,材料自重小，施工方便，其缺点是对刚度提高不明显，不防火，不适用于混凝土强度低的情况，易发生粘结破坏，承载力计算困难 。,现有加固技术,2,体外预应力加固法,刚度、承载力提高明显，但施工复杂，成本高，锚固区应力复杂，对其处理直接关系到加固效果和结构安全 。,既有的混凝土结构抗弯加固技术都具有或施工复杂、成本高，或承载力和刚度提高不明显、或不防火等局限性，不能满足工程界对加固技术的期望要求。,现有加固技术,3,高强不锈钢绞线网渗透性聚合砂浆加固法,耐久性和耐火性较钢板加固和,CFRP,加固好，但对刚度提高不明显，对承载力的提高也是有限的 。,现有加固技术,钢绞线,+,聚合物加固技术,体外预应力加固技术,4,梁底粘钢加固,加大截面加固,碳纤维加固,能够同时显著提高构件的刚度、承载力,能够避免粘结破坏等脆性破坏的发生，而是发生受压区混凝土压坏，钢筋屈,服，加固材料断裂的延性破坏。,加固后构件承载力易于准确估算。,施工操作方便适用面广泛且成本低。,预应力高强钢丝绳加固新技术的提出,5,怎样才算是一种理想的加固技术？,针对现有加固方法的缺点基于以上的思考，提出了预应力高强钢丝绳加固混凝土结构新技术。,预应力高强钢丝绳力学性能,钢丝绳：,钢丝绳选用高强、低松弛、高延性的钢丝绳，其直径不宜太大，以便于张拉和锚固 。试验用钢丝绳公称直径,，计算面积,2,，其平均断裂强度,，弹性模量,，极限拉应变,。,试件破坏形状,部分试件的应力应变关系曲线,应力应变关系曲线,6,预应力高强钢丝绳松弛性能,松弛曲线,24,小时松弛试验,192,小时松弛试验,首先进行了两个试件,24,小时的松弛试验：试件,1,初始应力，,24,小时后的应力，松弛率；试件,2,初始应力,894MPa,，,24,小时后的应力,857MPa,，松弛率。第,2,批,1,个试件（试件,3,）进行了,192,小时的松弛试验：初始应力，,192,小时后应，松弛率。综上，钢丝绳松弛小，能完全满足工程需要。,7,.,加固工艺,-,流程,锚具制作及其固定,槽口灌注锚固砂浆,反力点设置,钢丝绳下料与挤压,锚头制作,钢丝绳张拉与锚固,受弯构件端部开槽,钢丝绳砂浆防护,预应力高强钢丝绳施工工艺：,8,.,加固工艺,-,流程,加固构件端部开槽,锚具固定（焊接）,槽口灌注锚固砂浆,反力点设置,9,.,加固工艺,-,流程,锚头制作,钢丝绳张拉,钢,丝,绳,砂,浆,防,护,10,穿绳,挤压成型,实图,挤压机械及模具,成形后实图,.,加固工艺,-,挤压锚头,挤压锚头制作过程,11,锚具实物图,锚具,单层锚具装置,双层锚具装置,.,加固工艺,-,锚具实物,12,钢丝绳一层锚固情况,两层叠合锚固情况,钢丝绳张拉成形,.,加固工艺,-,钢丝绳张拉,13,钢丝绳砂浆防护,为保护钢丝绳，可在其外侧采用喷射、涂刷砂浆等方法进行防护，同时，该砂浆也能共同参与锚固钢丝绳，减轻锚具压力，减少预应力钢丝绳的松弛等。,梁底支模,涂抹砂浆,.,加固工艺,-,砂浆防护,14,.,试验研究,-,构件介绍,共制作了,9,根钢筋混凝土梁，梁长,2000mm,，截面尺寸,150300mm,，主筋,314,，屈,服强度，混凝土立方体强度。其中一根梁为未加固的对比试件，其它梁分别用预应力高强钢丝绳、粘贴,CFRP,和钢板加固。梁截面尺寸及加载方式如下图所示。,试件设计,试验梁配筋图,试验梁加载图,16,.,试验研究,-,破坏照片,混凝土压坏,试验装置照片,L1,破坏照片,L2,破坏照片,端部粘结破坏,钢丝绳断裂,L5,破坏照片,17,各加固梁试验结果见下表,.,试验研究,-,试验结果,18,梁号,加固方式,开裂荷载,屈服荷载,极限荷载,极限荷载提高值,破坏特征,（,kN,）,（,kN,）,（,kN,）,（,%,）,L1,基准梁,45,124.7,159.4,-,砼压坏、钢筋屈服,L2,3,层,CFRP,45,152.5,230.2,44,粘结破坏,L3,先裂、后,3,层,CFRP,-,165.4,238.8,50,粘结破坏,L4,钢丝绳、无砂浆,95,190,244.1,53,砼压坏、钢筋屈服、端部钢丝绳拉断,L5,钢丝绳砂浆,90,186.3,243.8,53,砼压坏、钢筋屈服、跨中钢丝绳拉断,L6,钢丝绳剪断,85,159.8,178.9,12,粘结破坏,L7,先裂、钢丝绳砂浆,-,190,248.7,56,砼压坏、钢筋屈服、跨中钢丝绳拉断,L8,6mm,钢板,75,-,165,4,粘结破坏,L9,2,层钢丝绳砂浆,125,275.2,328,106,砼压坏、钢筋屈服、跨中钢丝绳拉断,注：（,1,）,L8,由于试验时失误，只记录了开裂荷载，最大荷载，极限位移等关键数据。,（,2,） 钢板加固的梁,L8,因施工后试验前剪断锚拴，故承载力提高不明显。,(a),梁,L1,、,L2,、,L4,、,L5,、,L9,(b),梁,L1,、,L5,、,L6,L1,L2,L4,L5,L9,L1,L6,L5,部分梁荷载,-,位移曲线,.,试验研究,-,荷载位移曲线,荷载,（,kN,）,位移（,mm,）,位移（,mm,）,荷载,（,kN,）,19,说明：,（,1,）钢丝绳加固在初期对刚度就有明显的提高，而这是,CFRP,加固所不具备的，故预应力钢,丝绳在对已有损伤或无法卸载结构的加固很有优势。,（,2,）一层预应力钢丝绳加固梁承载力提高,53%,左右，两层加固梁承载力提高,106%,，尤其是，,2,层钢丝绳加固的梁仍然发生钢丝绳断裂、钢筋屈服、受压区混凝土压坏的破坏，故延,性好，而且承载力易于估算。,（,3,）钢丝绳在锚具处剪断的,L6,，发生粘结破坏，承载力提高不明显，说明在端部可靠锚固很有,必要。,.,试验研究,-,荷载应变曲线,部分梁荷载,-,应变曲线,(a),梁,L2,(b),梁,L4,R3,S1,S2,荷载,/kN,应变,/10,6,R5,(c),梁,L5,（,1,）,CFRP,加固梁，最后发生粘结剥离破坏，破坏时,CFRP,应变不到极限应变的,2/3,，故,CFRP,没有得到充分利用。,（,2,）钢丝绳加固梁，最后是受压区混凝土压坏，钢丝绳被拉断，钢丝绳应变达到,15000,，超过了应变片量程，钢丝绳强度得到充分利用。,20,.,试验研究,-,裂缝宽度,（,1,）加固后梁,L5,的裂缝限制较强，,L9,最强。,（,2,）最大裂缝宽度为时，梁,L1,、,L2,、,L5,、,L9,的最大荷载分别是,72,、,140,、,156,、,256kN,。,（,3,）最大裂缝宽度为时，梁,L1,、,L2,、,L5,的最大荷载分别是,142,、,188,、,212kN,，,L9,直,至破坏时最大裂缝都未达。,可见，预应力钢丝绳加固对裂缝的限制较,CFRP,加固更为显著，且,2,层钢丝绳加固的限制作用能大比例的提高。,各梁裂缝宽度,梁,L1,、,L2,、,L5,、,L9,裂缝宽度,21,L1,L9,L5,L2,.,试点工程,-,工程概况,工程概况,沪杭甬高速公路,K30+649,空心板桥为沥青混凝土路面，表面坑洼不平，绞缝破坏严重几乎单板受力，板底裂缝开展很严重，论证专家一致认为需要换板，用预应力钢丝绳作临时加固，加固效果的到专家的一致认可。取消原来的换板方案。,专家讨论会上展示预应力钢丝绳加固方案,板底裂缝密集、绞缝破坏严重,22,.,试点工程,-,工程加固设计方案,第一层钢丝绳布置情况,第二层钢丝绳布置情况,工程加固设计方案,注：加固三块破坏最严重的板，每块板均布置两层钢丝绳，每层,50,根。,23,转向轮,张拉装置,对称张拉,一层张拉结束,第二层锚固端,.,试点工程,-,施工过程,24,张拉结束,8,钢筋,反力点图,.,试点工程,-,张拉结束,25,.,试点工程,-,竣工,竣工照片,26,（,1,）施工过程监控,部分预应力钢丝绳在施工张拉完成后的应变值；,钢丝绳在施工张拉完成后的板跨中反拱值；,（,2,）随机汽车荷载下的动载试验及恒定汽车荷载下的静载试验,包括随机汽车荷载下的动载试验及恒定汽车荷载下的静载试验两部分，试验拟定以下观测内容：,跨中,L/2,截面在试验荷载下的挠度；,跨中,L/2,截面板底混凝土在试验荷载下的正应变；,跨中,L/2,截面处部分钢筋在试验荷载下的正应变；,部分预应力钢丝绳在在试验荷载下的应变增加值；,.,试点工程,-,动静载测试,在本试点工程中，做了如下检测：,27,静态应变议,动,态,应,变,仪,动态仪联机测试,.,试点工程,-,动静载测试,28,.,试点工程,-,反拱测试,在施工过程中检测了钢丝绳张拉后，加固板桥的反拱情况，反拱值监测结果如下：,项目,钢丝绳张拉完成后反拱值（,mm,）,6,号板,7,号板,8,号板,测量值,4,34,7,理论值,3.6,3.6,3.6,反拱检测,29,动载测试,.,试点工程,-,动载测试,（,1,）随机汽车荷载,根据甲方要求施工现场不封闭交通，即所有测试数据均在路面通车的动态情况下测定。加固前测试,24,小时以上，与施工准备工作交叉平行进行。加固后同样测试,24,小时以上。测试桥梁动力响应竖向挠度、混凝土、钢筋及加固后钢丝绳应变时间历程曲线。,随即行驶车辆下测试,30,6,号板跨中挠度分布频率加固前后变化情况,（加固前,29841,个数据点，加固后,40433,个数据点）,.,试点工程,-,动载测试结果,31,从各板跨中挠度时程曲线加固前后的直观对比可知，加固后的挠度峰值明显减小。,静载测试,.,试点工程,-,静载测试,（,2,）恒定汽车荷载,在动态测试的同时，半封闭交通，测定恒定荷载下的响应，限于道路封闭情况，恒定荷载采用如下两种布载方式。,32,静载车加载测试,工况,1,试验板跨中挠度加固前后变化对比图,.,试点工程,-,静载测试结果,33,对比加固前后的试验可知，预应力钢丝绳加固对于刚度的提高、挠度的减小是极其显著的。,工况,2,试验板纵筋,L/2,截面应变加固前后变化对比图,34,.,试点工程,-,加固效果测试,对比加固前后的试验可知，纵筋应变通常能够减小至加固前的,50%60%,左右，预应力钢丝绳承担拉应力，对既有纵筋应力的减小是非常显著的。,35,（,1,）,K30+649,空心板预应力高强钢丝绳加固使得空心板得到有效反拱，减小了汽车活载下的实,际挠度。,（,2,）,预应力高强钢丝绳对于增加截面刚度、减小跨中挠度是十分有效的。,（,3,）,由于预应力的作用，各板跨中反拱值,47mm,；由于截面刚度的增加，最大活载冲击作用下,挠度减小,23mm,；在最大活载冲击作用下最终实际挠度减小,610mm,。,（,4,）,预应力高强钢丝绳中预应力的施加，对空心板纵筋既有应力存在减小的作用,（,5,）,预应力高强钢丝绳分担截面拉应力，显著减小纵筋应力在汽车荷载下的增加值，提高空心,板截面承载力，增大其安全系数。,.,试点工程,-,小结,.,结论,（,1,）刚度提高明显,（,2,）最大承载力提高明显,（,3,）延性好,（,4,）不会发生粘结破坏,（,5,）加固材料强度得到充分发挥,（,6,）承载力易于估算,（,7,）工艺简单,（,8,）对二次受力构件的加固效果明显,（,9,）耐火、耐老化、成本低等优点。,36,综上，预应力高墙钢丝绳抗剪加固可以较好解决现有加固技术的瓶颈问题，其有效性已经得到试验及试点工程的验证，具有的优点包括：,