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预应力碳纤板板加固梁的方法

申报人：周鸣杰 申报日期：2024-06-02

基本情况

2024年批次
预应力碳纤板板加固梁的方法 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
预应力碳纤维板加固梁方法项目，通过采用预应力碳纤维板对梁体进行加固，显著提升梁的承载力和抗弯能力。此技术特别适用于截面偏小或配筋不足的钢筋混凝土梁。例如，在某桥梁加固项目中，使用3mm厚、50mm宽的碳板，总长达1010延米，成功加固了65根梁。项目凸显了预应力碳纤维板加固法的高效性和实用性，为桥梁等结构的加固提供了有效解决方案。
参与大学生创新创业项目参与大创项目基于点云数据的螺栓连接大型钢构件虚拟装配
主持完成一项广西区中青年教师基础能力提升项目：高强钢筋活性粉末混凝土界面微动损伤机理研究；负责在研一项广西区建筑节能重点实验室项目：基于机器学习的可再生骨料混凝土梁抗剪承载力计算研究。参与两项国家自然科学基金：钢-碳纤维复合筋珊瑚混凝土梁受弯性能及界面应力传递机制研究、应力-化学-温度耦合作用下岩溶区红粘土的崩解机制；参与三项广西科技计划项目：基于材料界面有效应力传递的钢-碳纤维复合筋混凝土梁受弯性能研究、桥头搭板处沥青路面结构刚度协调优化研究，以及FRP/SMA复合材料主动约束RC墩柱的预应力激活及约束机理。获得发明专利及实用新型两项，软件著作权登记7项。参编《ANSYS有限元分析与工程应用》，一作或者通讯发表SCI或SSCI论文4篇，指导获得华为杯研究生数学建模、美国大学生数学建模竞赛以及力学竞赛等获得一等奖和二等奖多项。
在数学建模竞赛方面，担任队长一职，获得过五一数学建模竞赛二等奖、全国大学生数学建模竞赛三等奖、美国大学生数学建模竞赛国际一等奖；
在“互联网+”创业大赛方面，作为项目负责人，获得过广西区赛银奖；
在大学生创新创业大赛方面，作为主要负责人参与了国家级项目两项、自治区级项目一项。
项目立意很有特色，研究方向也很明确，而且符合新时代的绿色发展主题。项目团队首先从绿色低碳环保出发，以建筑材料循环利用为切入点，然后提出了建筑再生骨料的实施方案，为企业实现建筑材料的回收再利用提供了可靠的理论依据，最后可以通过自身的技术优势形成行业竞争力和社会影响力，逐步实现建筑材料的绿色化、再利用化和可持续发展化。此外，项目团队的成员配置合理，有良好的团队基础，能够为项目的进行提供有力的保障，相信在团队成员的努力下一定可以取得优秀的成绩！
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
周鸣杰 土木工程学院 智能建造 2022 统筹安排
张雯雯 土木工程学院 智能建造 2022 实践调研
罗淇文 土木工程学院 智能建造 2022 数据分析
黄丽婷 商学院 人力资源管理 2022 模型建立

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
蒋春松 土木工程学院 否

立项依据

1.提高桥梁等结构的承载力和抗弯能力：通过应用预应力碳纤维板加固技术，能够有效增加结构的强度和刚度，显著提高其承载力和抗弯能力，从而延长结构的使用寿命。
2.解决截面偏小或配筋不足的问题：针对一些老旧桥梁或结构，由于设计或施工原因，截面偏小或配筋不足，导致其承载能力下降。预应力碳纤维板加固技术能够很好地解决这一问题，提高结构的整体性能。
验证预应力碳纤维板加固技术的可行性和效果：通过实际工程项目的研究和应用，验证预应力碳纤维板加固技术的可行性和效果，为类似结构的加固提供借鉴和参考。
3.降低成本和维护费用：预应力碳纤维板加固技术具有自重轻、易施工等优点，能够降低加固成本和维护费用，提高经济效益。
1.预应力碳纤维板加固技术的工艺流程：
a.施工准备：包括材料准备、设备调试等。
b.混凝土表面处理：确保表面平整、无油污、无松散层等。
c.配制找平材料并修复不平整处：通过专业材料修复混凝土表面的不平整部分。
d.安装碳纤维板张拉机具及锚具：确保张拉系统安装稳固、准确。
e.施加预应力：通过张拉设备对碳纤维板施加预应力，以充分利用其材料性能。
f.粘结、锚固碳纤维片材：使用结构胶等粘结剂将碳纤维板与混凝土梁牢固粘结。
g.表面防护：对加固后的结构进行必要的防护处理，如涂刷防护漆等。
2.预应力施加方法的研究：
研究不同的预应力施加方法，如反拱法、利用独立于加固梁的张拉设备张拉法、温度变化法等，并分析各方法的优缺点和适用性。探究各方法在实际工程应用中的可行性和效果，以及施工中可能遇到的问题和解决方案。
3.加固效果的分析：
通过试验研究和有限元分析等方法，研究预应力碳纤维板加固技术对梁桥结构承载能力、抗裂能力和抗弯刚度等性能的影响。分析预应力大小、碳纤维板层数等参数对加固效果的影响，并优化加固设计方案。
4.长期徐变性能的研究：
在室内标准条件下进行预应力碳纤维板加固梁的长期徐变性能研究，考察碳纤维板张拉锚固系统的长期稳定性及对预应力损失的影响。通过粘贴于碳板表面的光纤光栅传感器对碳纤维板长期预应力作用下的应变进行长期观测，分析加固结构的长期性能。
5.可靠度分析：
对预应力碳纤维加固混凝土梁的承载能力极限状态进行可靠度分析，确定各变量的统计参数和概率分布函数。对影响预应力碳纤维布加固混凝土梁抗力的主要影响因素进行可靠度分析，确定可靠度指标和敏感性分析结果。
1.技术起步与规范制定：2005~2006年，国内首次开展了预应力碳纤维加固桥梁的工程应用，成功用于浏阳市金刚桥的加固。2014年实施的《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）中对预应力碳纤维板的设计方法、材料要求作出了相应规定。
2.技术应用与效果：经过近几年的发展，预应力碳纤维板加固系统已在全国进行了数十个桥梁加固项目应用，加固效果得到了较为广泛的认可。例如，某高速桥梁预应力碳纤维板工程创下多项国内第一，包括单条碳纤维板长度35m（国内最长记录）和单条最大拉应力1200MPa（24t）。
3.研究重点：国内高校及科研院所相继开展了预应力碳纤维加固混凝土结构技术的不同方面的研究，主要集中在加固后承载能力的提高效果、预应力损失、锚固效果等。尚守平、彭晖等人通过加载受弯对比试验，发现加固后的试件屈服变形明显降低，强度得到极大的提高 。
4.生产与技术掌握：目前国内只有少量厂家拥有相关材料的全套生产、施工技术，这表明预应力碳纤维板加固技术在国内的发展还有一定的上升空间。
5.材料应用与标准规范：碳纤维增强塑料（CFRP）在土木工程结构加固领域的应用研究始于近十几年，美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了标准规范。
在长纤维的CFRP中，用于结构加固修复最多的材料形式是片材，其次是棒材。
6.技术发展：碳纤维加固技术的特点是加固效率高、效果好、施工机具少、操作简单、施工周期短，有着十分广阔的应用前景。
7.国际合作与交流：随着国际交流的增多，国内外在预应力碳纤维板加固技术方面的合作与交流也日益频繁，共同推动该技术的发展和应用。
1.创新点
a.预应力技术的引入：相较于传统的非预应力碳纤维板粘贴工艺，预应力技术的引入使得碳纤维板在加固前就处于较高的应力水平，有效提升了加固效果。预应力碳纤维板加固系统能消除或减缓后加构件的应力滞后现象，使其与原构件一起工作，大幅度提高梁板的承载能力。
b.张拉与锚固技术的优化：通过两端锚具的夹片夹持向预应力碳板施加预应力，实现碳板的永久锚固在混凝土上，确保了加固效果的持久性和稳定性。这种张拉与锚固技术的优化使得预应力碳纤维板加固系统更加高效、可靠。
c.材料性能的提升：预应力碳纤维板采用优质碳纤维原料与良好基本树脂制成，具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能。特有的配方和高温固化树脂使得树脂与碳纤维丝束复合更加充分，强度更稳定，直线度更好，表面更平整。
2.项目特色
a.高强高效：预应力加固碳纤维板加固技术有效提升结构承载力和抗弯刚度，节约碳纤维用量，降低工程总造价。在实际应用中，预应力碳纤维板加固系统已在全国进行了数十个桥梁加固项目应用，加固效果得到了广泛认可。
b.施工便捷：预应力碳纤维加固板质量仅为钢的1/5，不增加原结构自重，能以较大长度供应而无须搭接。施工过程无需大型施工机具，占用场地少，施工效率高，施工质量易保证。
c.良好的耐久性和耐腐蚀性：预应力加固碳纤维板耐酸、耐碱、耐盐和大气环境的腐蚀，无需定期维护，具有较长的使用寿命。
d.经济效益显著：预应力碳纤维板加固技术相比传统加固方法具有更高的性价比，能够降低加固成本和维护费用，提高经济效益。
1.技术路线
a.前期调研与方案设计：对需要加固的梁结构进行详细的现场勘查和数据分析。
根据梁的损伤程度、结构形式和使用要求，设计预应力碳纤维板加固方案。
b.混凝土表面处理：清除梁表面的脆化疏松层，露出新面。对混凝土高凸面进行打磨，低凹面进行修补，确保表面平整。如果混凝土湿度较大，进行人工干燥处理。
c.钻植胶锚螺栓：使用钢筋探测仪标定螺栓钻孔位置，避开钢筋。使用电锤垂直钻孔，确保钻孔中心位置偏差不超过3mm。植入化学胶管或植筋胶，确保孔内胶液饱满且螺栓垂直于梁面。
d.预应力碳纤维板张拉与粘贴：在碳纤维板两端使用锚具进行预应力张拉。
将张拉后的碳纤维板粘贴在梁的表面，并使用锚栓进行固定。
e.质量检测与验收：对加固后的梁进行质量检测，包括静载试验、疲劳试验等。
根据检测结果进行验收，确保加固效果符合设计要求。
2.拟解决的问题
a.新老构件共同受力问题：通过预应力碳纤维板加固，实现新老构件共同受力，提高梁的承载能力。
b.应力滞后现象：新增的预应力可消除或减缓后加构件的应力滞后现象，使后加构件有效地参与原构件一起工作。
c.裂缝修补问题：预应力碳纤维板加固可以有效减小或消除原构件的结构裂缝，提高梁的耐久性和安全性。
3.预期成果
a.加固效果显著：预应力碳纤维板加固后，梁的承载能力显著提高，结构裂缝得到有效修补。
b.施工周期短：相比传统加固方法，预应力碳纤维板加固施工周期更短，能够快速恢复梁的使用功能。
c.经济效益显著：预应力碳纤维板加固成本相对较低，能够降低加固工程的总造价，提高经济效益。
d.耐久性好：预应力碳纤维板具有良好的耐久性和耐腐蚀性，能够长期保持加固效果，降低后期维护成本。
1.前期准备阶段（预计时间：1个月）
a.项目启动与团队组建：确定项目负责人，组建研究团队，明确团队成员职责。
召开项目启动会，明确项目目标、研究内容、技术路线和预期成果。
b.文献调研与资料收集：调研国内外关于预应力碳纤维板加固技术的文献和资料，了解技术发展动态和前沿。收集需要加固的梁结构的详细信息，包括设计图纸、施工资料、使用情况等。
c.现场勘查与初步评估：对需要加固的梁结构进行现场勘查，了解结构损伤情况、裂缝分布等。对结构进行初步评估，确定加固的必要性和可行性。
2.方案设计阶段（预计时间：2个月）
a.加固方案设计：根据现场勘查和初步评估结果，设计预应力碳纤维板加固方案。方案应包括加固范围、加固方式、材料选用、施工工艺等。
b.方案论证与优化：对设计的加固方案进行论证，分析方案的可行性、经济性和安全性。根据论证结果对方案进行优化，确保加固效果最佳。
3.施工准备阶段（预计时间：1个月）
a.材料采购与准备：根据加固方案采购所需的预应力碳纤维板、锚具、胶粘剂等材料。对材料进行检验和验收，确保材料质量符合要求。
b.施工设备与工具准备：准备施工所需的设备和工具，包括电锤、金刚石磨轮、环氧修补胶等。对设备和工具进行检查和调试，确保施工过程顺利进行。
c.施工人员培训与交底：对施工人员进行培训，熟悉施工工艺和技术要求。进行施工交底，明确施工任务和要求。
4.施工阶段（预计时间：3个月）
a.混凝土表面处理：对梁表面进行清洁和打磨处理，确保表面平整、无油污和疏松层。
b.钻植胶锚螺栓：按照设计要求在梁上钻孔并植入胶锚螺栓。确保螺栓位置准确、垂直度符合要求。
c.预应力碳纤维板张拉与粘贴：在碳纤维板两端进行预应力张拉并粘贴在梁上。确保碳纤维板与梁表面紧密贴合、无气泡和空鼓。
d.质量检测与验收：对加固后的梁进行质量检测，包括静载试验、疲劳试验等。
根据检测结果进行验收，确保加固效果符合设计要求。
5.后期总结与报告阶段（预计时间：1个月）
a.数据整理与分析：对施工过程中收集的数据进行整理和分析，评估加固效果。
b.撰写研究报告：撰写项目研究报告，总结研究成果和经验教训。
c.项目验收与总结会：召开项目验收会，展示研究成果和加固效果。召开项目总结会，总结项目经验和不足，提出改进建议。
预应力碳纤维板加固桥梁关键技术研究，研发了一种包括两个夹紧装置和两个张拉装置的新型预应力碳纤维板张拉锚具，提出了适用于各种主梁截面形式的预应力碳纤维板张拉及锚固技术。
一、已具备的条件：
1. 混凝土梁：待加固的混凝土梁需满足一定的强度和刚度要求，表面无严重缺陷。
2. 预应力碳纤维板：具有高强度、高弹性模量的碳纤维板，通常采用玄武岩纤维制造。
3. 粘结材料：性能可靠的粘结剂，能将碳纤维板与混凝土梁牢固地粘结在一起。
4. 锚固装置：用于固定碳纤维板的锚固件，如螺栓、锚栓等。
5. 施工设备及工具：专用的碳纤维板张拉设备、切割工具、涂胶工具等。
6. 设计计算：合理的加固设计，包括碳纤维板的尺寸、位置、张拉力等参数的确定。
二、尚缺少的条件及解决方法：
1. 混凝土梁表面处理：对于混凝土梁表面有缺陷的区域，需要进行修补和打磨，以保证粘结质量。解决方法：采用专用的混凝土修补材料进行修补，并用砂纸打磨平整。
2. 锚固装置的选择与安装：选择合适的锚固装置并正确安装，以保证碳纤维板的锚固可靠性。解决方法：根据设计要求选择合适的锚固装置，并按照厂家提供的安装规程进行安装。
3. 施工工艺控制：确保施工质量的关键因素，包括碳纤维板的粘贴、张拉、锚固等环节。解决方法：严格按照施工工艺流程进行操作，并做好质量检查与验收。
4. 长期使用性能：考虑碳纤维板在长期使用过程中的性能退化问题。解决方法：选择质量可靠的碳纤维板和粘结材料，并定期对加固构件进行检测和维护。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5400.00 无 3800.00 1600.00
1. 业务费 3800.00 无 2500.00 1300.00
（1）计算、分析、测试费 200.00 功能测试 100.00 100.00
（2）能源动力费 1000.00 电力及燃料使用 700.00 300.00
（3）会议、差旅费 2000.00 调研 1500.00 500.00
（4）文献检索费 300.00 查找资料 200.00 100.00
（5）论文出版费 300.00 出版论文 0.00 300.00
2. 仪器设备购置费 700.00 购买仪器 700.00 0.00
3. 实验装置试制费 400.00 装置试制 300.00 100.00
4. 材料费 500.00 购买材料 300.00 200.00
结束

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