復(fù)合式預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固試驗(yàn)研究

區(qū)錫祥 朱萬旭 龐忠華

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有加固方法中纖維材料的缺點(diǎn)，提出使用高強(qiáng)鋼絲與碳纖維絲制成用于加固混凝土梁的預(yù)應(yīng)力復(fù)合碳纖維板。對(duì)復(fù)合預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，以未加固梁為參考，研究復(fù)合預(yù)應(yīng)力碳纖維板與預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁效果的異同。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固效果達(dá)到極限應(yīng)變并且能較好地提高結(jié)構(gòu)變形能力。該技術(shù)將高強(qiáng)鋼絲與碳纖維絲在加固工程中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一種性能優(yōu)良、成本較低且施工便利的新型復(fù)合加固材料，可在實(shí)際工程中大力推廣使用。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；高強(qiáng)鋼絲；試驗(yàn)研究；加固材料

中圖分類號(hào)：TU378 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0001-04

Abstract： In view of the shortcomings of fiber materials in the existing reinforcement methods， a prestressed composite carbon fiber slab is made of high strength steel wire and carbon fiber wire for strengthening concrete beams. Based on the experimental study of composite prestressed carbon fiber reinforced concrete beam， the effect of composite prestressed carbon fiber slab and prestressed carbon fiber slab on strengthening concrete beam is studied. The experimental results show that the anchoring effect of the composite prestressed carbon fiber slab reaches the limit strain and can improve the deformation ability of the structure. The technology complements the advantages of high strength steel wire and carbon fiber wire in strengthening project， and forms a new composite reinforcement material with good performance， low cost and convenient construction， which can be popularized and used in practical engineering.

Keywords： prestress； high strength steel wire； experimental study； reinforcement material

1 概述

將預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)聚合物（簡(jiǎn)稱CFRP）板用于橋梁加固，是最近十年出現(xiàn)的一項(xiàng)新興加固技術(shù)，因其具有耐腐蝕性強(qiáng)、可施加預(yù)應(yīng)力、輕質(zhì)且易于施工等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的維修加固工程，特別是橋梁的快速搶修加固。對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固技術(shù)各方面性能的理論和試驗(yàn)研究[1～6]逐漸完善，為工程推廣應(yīng)用[7～8]打下了良好基礎(chǔ)。然而隨著預(yù)應(yīng)力CFRP板應(yīng)用加固工程的增多， CFRP材料的抗沖擊性能差，施加預(yù)應(yīng)力時(shí)容易突然脆斷，安全隱患大等問題暴露出來，影響其推廣應(yīng)用。

崔海波[9]、鞠樹生[10]等人對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低能量沖擊后的剩余拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明即使是肉眼無法觀察的沖擊損傷，也會(huì)導(dǎo)致材料剩余拉伸強(qiáng)度明顯降低。高強(qiáng)鋼絲具有韌性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，吳剛[11]等人提出采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩加固混凝土梁的新方法；丁亞紅[12～13]等人提出了采用內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁的新方法；鄧滔[14]在西河大橋應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼絲繩-聚合物砂漿加固技術(shù)，首次將預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿面層加固法應(yīng)用于實(shí)際加固工程中，并使該橋梁的承載能力得到明顯提高。盡管該加固法成本較低，但同樣存在著聚合物養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、不適宜快速加固等缺陷；工程加固時(shí)施工質(zhì)量要求高也使其在應(yīng)用上受到制約。

針對(duì)以上問題，將碳纖維絲包裹著高強(qiáng)鋼絲，由高強(qiáng)鋼絲和碳纖維絲復(fù)合制成加筋碳纖維板，可較好地解決現(xiàn)有加固方法中存在主要缺點(diǎn)。用加筋碳纖維板與普通CFRP板對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固對(duì)比試驗(yàn)，比較兩者在加固混凝土梁時(shí)的屈服荷載、極限承載力及破壞方式等特征因素，從而驗(yàn)證加復(fù)合式纖維板是否滿足加固工程的要求。

2 復(fù)合式碳纖維板

復(fù)合式碳纖維板即在碳纖維板生產(chǎn)線中，使用高強(qiáng)鋼絲替換部分碳纖維絲，要求碳絲完全包裹鋼絲，碳纖維絲與高強(qiáng)鋼絲在外力的牽引下，進(jìn)入模具成型并加熱固化，制成鋼絲與碳纖維復(fù)合板材。鋼絲表面預(yù)處理后，可控制鋼絲與碳纖維絲界面的粘結(jié)力，避免由于CFRP損傷，導(dǎo)致鋼絲在損傷處產(chǎn)生過大壓力集中，提前斷裂而發(fā)揮不出

韌效果。

將參入鋼絲量為7.8%的復(fù)合碳纖維板放置在自然環(huán)境下，至今沒有出現(xiàn)裂紋或裂痕。試制的復(fù)合式碳纖維板如圖1所示，截面白亮的小圓點(diǎn)即為高強(qiáng)鋼絲，其排列有序，碳板表面看不到鋼絲嵌入痕跡。且靜載試驗(yàn)效果較好，靜載性能達(dá)到國標(biāo)GB/T14370對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用錨具的錨固效率系數(shù)要求，碳纖維絲與鋼絲受力均勻，靜載試驗(yàn)破斷后碳絲均勻發(fā)散如圖2所示。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試件情況

采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，共6件250mm×400mm×4200mm的混凝土試件，分別進(jìn)行復(fù)合式碳纖維板與常規(guī)CFRP板進(jìn)行加固對(duì)比試驗(yàn)，其中試件L-1為未加固梁；試件CL-0為采用CFRP板加固，但未施加預(yù)應(yīng)力的梁；試件CL-2為施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板加固梁；試件ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3都是采用復(fù)合式碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力加固的梁；碳纖維板的規(guī)格均為50mm×3mm，采用同一套錨固裝置進(jìn)行張拉，梁凈跨為4000mm，其中剪跨區(qū)段長(zhǎng)為1600mm。試件尺寸如圖3所示，試件明細(xì)詳見表1。所有試件采用相同配筋，底部受拉縱筋配有2Φ20HRB335，箍筋為Φ10@120mm，受壓區(qū)配有2Φ10HPB300的架立筋。

3.2 材料性能

由于受壓鋼筋是架立筋，在計(jì)算彎矩值時(shí)不考慮其受力，只考慮受拉鋼筋，因此試驗(yàn)只對(duì)受拉鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)用混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度見表2，受拉鋼筋φ20HRB335性能見表3，試驗(yàn)用CFRP板50mm×3mm性能參數(shù)表4。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置及加載方案

試驗(yàn)加載如圖4所示，采用兩點(diǎn)純彎加載方式，支點(diǎn)間距為4000mm，加載點(diǎn)間距為800mm，通過分配梁，平均的將荷載施加在試驗(yàn)梁上，在梁的跨中、加載點(diǎn)及支座處安裝布置有千分表，以記錄試驗(yàn)過程中梁的撓度變化。加載方式按照現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在加載過程，畫出梁的裂縫發(fā)展圖，并記錄各裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載值、裂縫數(shù)量、寬度等變化情況，直至試件破壞。

圖4 試驗(yàn)加載示意圖

4 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

主要試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果：

各構(gòu)件在荷載作用下，均達(dá)到了極限荷載，根據(jù)試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的各試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限荷載，計(jì)算得出不同加固方式有效性，詳見表5和表6。

根據(jù)表5，6對(duì)比前三組即L-1、CL-0、CL-1數(shù)據(jù)，可以觀察到，使用普通CFRP板對(duì)混凝土構(gòu)件粘結(jié)加固的L-1試件，能夠明顯提高被加固構(gòu)件的開裂、屈服及極限荷載。對(duì)普通CFRP板施加預(yù)應(yīng)力之后的CL-0和CL-1試件，其加固效果更為明顯。目前對(duì)普通CFRP板預(yù)加預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的研究已相當(dāng)完善，眾多專家學(xué)者已對(duì)其加固效果及影響進(jìn)行研究和驗(yàn)證，表5，6中CL-0和CL-1實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這一結(jié)果，試驗(yàn)梁的主要破壞形態(tài)如圖5、6所示。

通過表5，6可以觀察到，使用加入高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板進(jìn)行加固的ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3三組試件，開裂荷載分別提高了293.3%、291.8%、291.8%，與使用普通預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固的CL-0試件提高率291.8%基本一致，使用加高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板對(duì)混凝土梁構(gòu)件的屈服荷載提高系數(shù)分別為200%、238.5%、226.5%，與普通CFRP板施加預(yù)應(yīng)力后的CL-0試件提高系數(shù)218.2%也非常接近，同時(shí)使用加高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板的三組構(gòu)件的極限荷載的平均值為285kN，與使用普通預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的282.4kN差別很小。

通過對(duì)混凝土梁構(gòu)件加載后的性能數(shù)據(jù)對(duì)比可知，使用加入了7.8%高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板對(duì)混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，其加固效果與普通預(yù)應(yīng)力CFRP板的加固效果基本相同，復(fù)合CFRP板中碳纖維含量的減少及高強(qiáng)鋼絲的加入，并沒有改變或影響其加固功能。

5 結(jié)束語

針對(duì)加入高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板與普通預(yù)應(yīng)力CFRP板的加固效果異同，設(shè)計(jì)了六組試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果。得到以下結(jié)論：

加入高強(qiáng)鋼絲的復(fù)合CFRP板與普通預(yù)應(yīng)力CFRP板在加固工程中，對(duì)被加固構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的提高程度相同，即預(yù)應(yīng)力加筋復(fù)合CFRP板與普通預(yù)應(yīng)力CFRP板具有相同的加固效果。

本文對(duì)加筋碳纖維板加固混凝土梁的加固效果分析目前只獲得初步的進(jìn)步，但仍需不斷探究混雜高強(qiáng)鋼絲的新型預(yù)應(yīng)力CFRP對(duì)梁的加固補(bǔ)強(qiáng)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]ACI440.2R ERTA-2009，Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[S].

[2]EI Hacha R， Wigth R G， Heffernan P J， et al. Prestressed CFRP sheets for strengthening reinforced concrete structures in fatigue. The 6th International Conference on Fiber-reinfoeced Plastics for Reinforced Concrete Streuctures （FRPRCS-6）.Singapo

re：2003.

[3]彭暉，尚守平，金勇俊，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2008，05：142-151.

[4]薛偉辰，曾磊，譚園.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土梁設(shè)計(jì)理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，04：127-133.

[5]尚守平，張寶靜，呂新飛.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁橋長(zhǎng)期徐變性能的試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2015，05：68-74.

[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(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2006，36（4）：15-18.

[7]杜修力，張建偉，鄧宗才.預(yù)應(yīng)力FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].工程力學(xué)，2007（12）：62-74.

[8]竇勇芝，韋福堂，甘科，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固T梁橋施工技術(shù)[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2014（1）：35-38.

[9]崔海坡，溫衛(wèi)東，徐穎.沖擊后復(fù)合材料板剩余抗拉強(qiáng)度影響因素分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（2）：49-53.

[10]鞠樹生，燕瑛，成傳賢.復(fù)合材料低速?zèng)_擊特性分析[A].全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議[C].2000.

[11]吳剛，蔣劍彪，吳智深，等.預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲繩抗彎加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，12：17-27.

[12]丁亞紅，張春生.內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁抗彎試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2010，07：175-180.

[13]丁亞紅，劉麗娜.表層內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁變形性能理論分析[J].工程力學(xué)，2013，04：191-197.

[14]鄧滔.預(yù)應(yīng)力鋼絲繩-聚合物砂漿加固技術(shù)在西河大橋的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2015，01：175-179.

[15]GB50367-2013.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[16]徐福泉，李東彬，趙基達(dá)，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，S2：372-375.