CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的發(fā)展及現(xiàn)狀

張　毅

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的發(fā)展及現(xiàn)狀

張毅

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是由碳纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定的工藝復(fù)合形成的高性能新型材料，因其具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕以及施工方便快捷等優(yōu)點，被廣泛用于結(jié)構(gòu)加強及加固領(lǐng)域，國內(nèi)外利用CFRP片材加固混凝土梁經(jīng)歷了一個漫長的過程。該文通過對CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁發(fā)展歷程的總結(jié)，闡述各種CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁方法及其優(yōu)缺點，為需要利用CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的設(shè)計者提供參考。

預(yù)應(yīng)力；CFRP片材；加固；波形齒錨具

1　CFRP簡介

19世紀中葉，一位叫約瑟夫·莫尼哀的法國人發(fā)明了鋼筋混凝土，并成功將其運用到建筑工程中，從此鋼筋混凝土作為一種新興的復(fù)合材料踏上歷史的舞臺，然后逐漸改變著我們周圍的世界。近年來，隨著人們對建筑物要求的不斷提高，不少新建建筑或者構(gòu)筑物類型變得多樣化，既有高度上的挑戰(zhàn)，也有跨度上的挑戰(zhàn)，此時光依靠鋼筋混凝土材料已不能完全滿足建筑物或者構(gòu)筑物使用功能上的需求。

世界上經(jīng)濟發(fā)達國家的城市建設(shè)大體上都經(jīng)歷了大規(guī)模新建、新建與維修改造并舉和以改造為主的三個階段，我國現(xiàn)在正處于第二階段。為了使一些出了問題的老舊建筑仍能繼續(xù)服務(wù)于社會或者改變已建建筑的使用功能，均需要對結(jié)構(gòu)進行加固、改造、修復(fù)等處理，處理時若使用傳統(tǒng)的加固材料往往效率較低，機械化程度要求較高，而且通常會出現(xiàn)耐久性問題。

為了滿足新建建筑使用功能上的需求和解決傳統(tǒng)材料在已建建筑加固改造中存在的問題，不少新型建筑材料應(yīng)運而生，碳纖維材料便是其中之一。

CFRP是由碳纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定的工藝復(fù)合形成的高性能新型材料。這種材料于上世紀60年代在日本問世，其具有高強、輕質(zhì)、耐腐蝕以及施工方便快捷等優(yōu)點。根據(jù)形狀的不同，CFRP可分為片材、型材、棒材和短切纖維等，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中，CFRP片材應(yīng)用較為廣泛。CFRP片材又分為兩種，一種是通過CFFR布由濕粘法加工而成的片材，另一種是通過碳纖維絲直接壓縮成型的板材。

2　CFRP加固技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

最先將CFRP應(yīng)用到土木工程界混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的是瑞士學(xué)者Meier，他于1982年將CFRP片材代替鋼板并采用樹脂黏結(jié)成功加固了Ebach橋。隨后日本、美國、歐洲等開始了關(guān)于CFRP復(fù)合材料大量的實驗研究和工程應(yīng)用。

1997年國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心在我國率先開始對碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究開發(fā)。隨后國內(nèi)其他科研院所及高校相繼對其實驗技術(shù)、各種加固方式的受力性能以及相應(yīng)計算方法進行了大量的研究。

CFRP復(fù)合材料對鋼筋混凝土加固經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了豐富的科研成果。關(guān)于預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的研究主要還是集中在預(yù)應(yīng)力的施加方法和端部錨固的措施上。目前預(yù)應(yīng)力的施加方法主要有：反拱法[1]、外部輔助框架張拉法[2]、直接張拉法[3]、先錨后張法[4]和溫度變化法[4]等，端部錨固措施主要有：U型箍錨固[5]、鋼板-螺栓錨固[6]、波形齒錨具錨固[7]等。按照建立預(yù)應(yīng)力情況和錨固方式進行歸納，CFRP片材加固鋼筋混凝土梁發(fā)展大致可以分為以下幾個階段。

2.1普通粘貼

在CFRP復(fù)合材料對鋼筋混凝土加固技術(shù)研究的初期，直接將未經(jīng)過任何張拉的CFRP片材用樹脂粘貼在梁底是最為普遍的做法，如圖1所示。

圖1　非預(yù)應(yīng)力普通粘貼示意圖

國外關(guān)于這方面的試驗與研究成果非常的多，如Saadatmanesh[8]、Quantrill、Chajes等分別采用不同的操作工藝（粘貼預(yù)制FRP板、纖維布濕粘法和樹脂灌注法）對非預(yù)應(yīng)力普通粘貼鋼筋混凝土加固技術(shù)進行了研究。大量的試驗與工程應(yīng)用證明，非預(yù)應(yīng)力普通粘貼加固鋼筋混凝土構(gòu)件即使在加載破壞時，F(xiàn)RP片材中的應(yīng)力仍然不到其極限強度的5%，因此FRP材料的強度并沒有得到很好的發(fā)揮。

為了充分發(fā)揮FRP片材高強度的優(yōu)勢，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了對FRP片材先施加預(yù)應(yīng)力，再粘貼到構(gòu)件的表面形成加固效果的預(yù)應(yīng)力普通粘貼FRP片材加固技術(shù)。該加固技術(shù)依靠混凝土與碳纖維片材之間的粘結(jié)共同工作，由于FRP片材上的拉應(yīng)力需要向混凝土傳遞，因此會在樹脂層中形成剪切應(yīng)力和垂直于片材板面的剝離應(yīng)力，這些應(yīng)力在FRP片材端部尤為突出，當突破粘結(jié)層材料的強度極限時，加固梁就會出現(xiàn)剝離破壞，這種破壞有可能會在FRP片材的中部，也有可能會在端部。

大量試驗和應(yīng)用證明這種加固技術(shù)依然存在以下問題：（1）FRP片材的只在受拉鋼筋屈服后才能發(fā)揮作用，而此時結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的撓度變形一般已經(jīng)很大，因此當FRP片材用于受彎加固中時，通常只能看作是一種安全儲備，并不能在實際意義上提高構(gòu)件的承載力；（2）利用該技術(shù)加固后受彎承載力與加固前構(gòu)件的原有配筋量有很大關(guān)系，且FRP的強度一般不能得到充分利用。

2.2預(yù)應(yīng)力U型箍錨固

為了延遲加固梁的剝離破壞，提高FRP的利用率，有研究者提出了預(yù)應(yīng)力U型箍錨固方法：即在加固梁縱向一定寬度內(nèi)，沿兩側(cè)梁腹表面和梁底表面連續(xù)加貼一層或者多層FRP布，將已張拉并粘貼于構(gòu)件上的FRP片材壓住，達到錨固的目的，如圖2所示。

圖2　預(yù)應(yīng)力U型箍錨固示意圖

U型箍加固是目前比較廣泛的一種加固措施，關(guān)于U型箍加固的試驗研究國內(nèi)外也比較多，有代表性的如Swamy[9]、葉烈平[10]、楊勇新[11]、尚守平[12]、飛渭[13]等。

試驗研究表明，U型箍對FRP端部剝離破壞起到了明顯的抑制作用，但同時也存在著不足，比如荷載達到一定水平之后，U型箍有可能被剪斷，同時U型箍的內(nèi)測也會與混凝土剝離開來，因此縱向的FRP片材不能有效的發(fā)揮其強度優(yōu)勢。

2.3預(yù)應(yīng)力鋼板-螺栓錨固

為了能改善加固梁端部粘結(jié)處混凝土局部拉剪破壞以及端部CFRP片材剝離的情況，廣州大學(xué)梅力彪、張俊平[6]等人開發(fā)出了一種鋼板-螺栓錨固體系，如圖3所示。

圖3　預(yù)應(yīng)力鋼板-螺栓錨固體系示意圖

該錨固體系首先將CFRP布進行外部張拉，然后粘貼在混凝土梁上，等膠結(jié)材料固化后，再在端部安裝好鋼板錨固CFRP布。試驗表明，這種錨固方式可以有效的避免混凝土局部拉剪以及端部的剝離破壞，并且能夠有效的提高碳纖維的使用率，但這種錨固方法也存在嚴重的不足，就是該方法建立起的有效預(yù)應(yīng)力比較低，同時當荷載比較大時，永久錨固鋼板并不能很好的錨固碳纖維片材而發(fā)生錨固端的粘結(jié)破壞。

H.N.Garden和L.C.Hollaway[14]也采用這種錨固方式。

2.4預(yù)應(yīng)力波形齒多點錨固橫向張拉體系

重慶大學(xué)李唐寧團隊自行研發(fā)的鋼制波形齒錨具很好的解決了CFRP片材在高應(yīng)力狀態(tài)下的錨固問題。同時利用波形齒兩端錨固，中間橫向施壓使CFRP片材產(chǎn)生縱向變形建立起了一套預(yù)應(yīng)力波形齒多點錨固體系，如圖4所示。其張拉原理如圖5所示。

圖4　預(yù)應(yīng)力波形齒多點錨固體系示意圖

圖5　預(yù)應(yīng)力波形齒多點錨固體系張拉原理

試驗[15-18]還表明，該錨固體系能夠充分的發(fā)揮CFRP片材的抗拉能力，同時對于多層（10層以上）CFRP片材也能很好地錨固，不會出現(xiàn)CFRP片材拉斷前的錨固失效[19]。同時該錨固體系的能夠較大幅度地提高混凝土梁的疲勞性能[21]。

該錨固體系張拉設(shè)備簡單，現(xiàn)場可操作性強[19]，相對于目前加固領(lǐng)域中大多數(shù)加固技術(shù)在錨固效果、施工的方便性和經(jīng)濟方面有不可比擬的優(yōu)勢。

2.5預(yù)應(yīng)力波形齒縱向張拉體系

李唐寧團隊在前期的試驗中利用波形齒錨具進行了一系列的CFRP片材的張拉試驗，如驗證波形齒錨具錨固性能的拉伸試驗、以鋼梁為臺座模擬波形齒夾具橫行張拉CFRP帶的試驗。

陳小英博士在前期試驗的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了利用波形齒在鋼筋混凝土梁側(cè)和梁底橫向張拉CFRP帶的加固技術(shù)[19]，試驗表明，該技術(shù)除了能夠大幅度提高鋼筋混凝土梁的開裂、屈服、極限荷載，還能夠有效地限制混凝土裂縫寬度的發(fā)展。然而該項技術(shù)也存在著一些缺陷，那就是在對CFRP板進行橫向張拉時，施加的預(yù)應(yīng)力大小不易控制，不利于波形齒錨具系統(tǒng)的推廣。

戰(zhàn)衛(wèi)國針對陳小英博士試驗的缺陷，對波形齒錨具、張拉材料和張拉方式進行了優(yōu)化，提出了全新的基于鉸式錨固的梁底縱向張拉CFRP板體系，如圖6所示，并實現(xiàn)了對兩根已開裂鋼筋混凝土梁的加固。

圖6　梁底縱向張拉CFRP板體系示意圖

試驗[20]表明，該體系具有很好的錨固性能，也具有很強的可操作性，能夠在CFRP板上建立起較高的有效預(yù)應(yīng)力。由于該試驗將張拉材料改為了CFRP板，因此施工周期得到進一步縮短，同時試驗將CFRP片材橫向張拉改為千斤頂縱向張拉，也有效的解決了橫向張拉預(yù)應(yīng)力大小不易控制的缺陷。

基于鉸式錨固的梁底縱向張拉體系當時由于試驗條件的限制，只能在梁側(cè)鉆孔安裝螺栓形成如圖1.6所示的錨固端。在實際情況中，對于混凝土梁底鋼筋較為密集而不能進行鉆孔等操作時，可以利用該方法對梁進行加固，然而對于新澆注或者一般的鋼筋混凝土梁來說，該錨固端卻顯得有些復(fù)雜。因此李唐寧團隊對端部錨固措施進行了優(yōu)化處理，如圖7所示。

圖7　端部優(yōu)化后的梁底縱向張拉CFRP板體系示意圖

試驗[22]通過對一根未加固試驗梁TL0和兩根加固試驗梁TL1、TL2的抗彎性能試驗的試驗研究和理論分析，表明優(yōu)化后的梁底錨固裝置是可行的，并且能夠在CFRP板上建立起比優(yōu)化前更高的預(yù)應(yīng)力，對混凝土梁的加固效果也更理想，但在該體系下預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的疲勞性能還有待研究，各種理論還有待完善。

3　總結(jié)

CFRP片材預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土梁的方法經(jīng)過30多年的發(fā)展，從最初的普通粘貼到預(yù)應(yīng)力U型箍錨固，再到預(yù)應(yīng)力鋼板螺栓錨固、波形齒多點錨固橫向張拉體系和波形齒縱向張拉體系，張拉和錨固技術(shù)不斷進步，混凝土梁的加固效果也不斷提高。但各種方法各有優(yōu)缺點，如表1所示，設(shè)計者需要根據(jù)實際情況擇優(yōu)選用。

表1　各種方法的優(yōu)缺點

[1]岳清瑞．我國碳纖維（CFRP）加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].工業(yè)建筑，2000，30（10）：23-27.

[2]趙啟林，王景全，金廣謙，等.碳纖維加固的“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”及其提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力的分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2002，17（3）：51-54.

[3]江見鯨，李杰，金偉良.高等混凝土結(jié)構(gòu)理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：21-22.

[4]楊勇新.碳纖維布與混凝土的粘接及其預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)[R].清華大學(xué)博士后研究報告，2003.

[5]沙吾列提·拜開依，葉列平，楊勇新，等.預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁的施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2004，33（6）：23-24.

[6]梅力彪，張俊平．預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁的粘結(jié)錨固性能試驗研究[J]．工業(yè)建筑，2006，36（4）：15-18.

[7]卓靜，李唐寧，邢世建，等.一種錨固FRP片材的體外預(yù)應(yīng)力新方法[J].土木工程學(xué)報，2007，40（1）:15-20.

[8]Char M S.Saadatmanesh H and Ehsani M R.Concrete girder externally prestressed with composite plate[J].PCI Journal，1994（5-6）.

[9]P Mukhopadhyaya，RN Swamy.Debonding of carbonfiber-reinforced polymer plate from concrete beam[J].Structures &Buildings，1999，134(4):301-317.

[10]葉列平，莊江波，沙吾列提·拜開依，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土T形梁的試驗研究[A].第七屆全國建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)會議論文集[C].2004.

[11]李慶偉，楊勇新，岳清瑞，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁錨固方式試驗研究[J].工業(yè)建筑，2006（4）：9-11.

[12]尚守平，彭暉，童樺，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維布材加固混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003（5）.

[13]飛渭，江世永，彭飛飛等.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件試驗研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2003.

[14]Garden H N，Hollaway L C.An experimental study of the failure modes of reinforced concrete beams strengthened with pre-stressed carbon composite plates[J].Composites Part B Engineering，1998，29（4）.

[15]卓靜，李唐寧.波形齒夾錨在碳纖維片材加固技術(shù)及預(yù)應(yīng)力技術(shù)中應(yīng)用研究[J].公路交通技術(shù)增刊.2005，36（7）: 100-104.

[16]卓靜，李唐寧，章慶學(xué)，等.錨固多層碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（3）:25-27.

[17]卓靜，李唐寧，邢世建，等.一種錨固FRP片材的體外預(yù)應(yīng)力新方法[J].土木工程學(xué)報，2007，40（1）:15-20.

[18]卓靜，李唐寧，章慶學(xué)，周密.波形齒夾具錨錨固碳纖維布加固混凝土梁試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（7）:63-66.

[19]陳小英.波形齒系統(tǒng)及其預(yù)拉CFRP帶體外加固混凝土T形梁抗彎性能試驗研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2010.

[20]戰(zhàn)衛(wèi)國.CFRP板體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁試驗研究分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[21]吳金保.多點錨固預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土梁疲勞性能模擬分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[22]張毅.波形齒錨具梁底預(yù)應(yīng)力張拉CFRP板加固混凝土T形梁抗彎性能試驗研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

責任編輯：孫蘇

信息快讀

福建推進建筑模板腳手架一體化

近日，福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳公布了12家符合建筑模板、腳手架一體化條件的企業(yè)，其中三明市6家、福州市5家、南平市1家，其他設(shè)區(qū)市均未公布符合條件的企業(yè)名單。據(jù)了解，去年該廳下發(fā)了關(guān)于先行先試推進建筑模板、腳手架一體化工作的通知，要求各設(shè)區(qū)市在轄區(qū)范圍內(nèi)開展建筑模板、腳手架作業(yè)分包一體化試點工作，并規(guī)定，從2015年1月1日起，在設(shè)區(qū)市城區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地范圍內(nèi)新建、改建、擴建施工合同造價達1500萬元以上的房屋建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，應(yīng)采用建筑模板、腳手架一體化企業(yè)提供的服務(wù)，并納入施工合同備案管理范疇。（摘自《中國建設(shè)報》）

The Development and Current Status of Strengthened Reinforced Concrete Beam with Pre-stressed CFRP Laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymer（CFRP）,made from mixing carbon fiber material and matrix material with a certain ratio,is proved a high-performance composite material.It is widely adopted in structural strengthening and reinforcement for its advantages of high strength,light weight, good corrosion resistance and fast construction.But the CFRP reinforced concrete beam has gone through a long process at home and abroad.Through summarizing the development of the CFRP pre-stressed reinforced concrete beam,the methods and the advantages and disadvantages of various pre-stressed reinforced concrete beams are elaborated for reference.

pre-stress;CFRP laminate;reinforcement;WSGG anchor

TU378.2

A

1671-9107（2015）12-0071-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.12.071

2015-10-12

張毅（1980-），男，重慶人，研究生，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。