基于新型預(yù)應(yīng)力CFRP技術(shù)梁板柱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究

曹玉祥 安璐 全學(xué)友

摘?要：CFRP（碳纖維復(fù)合材）材料輕質(zhì)高強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)3000MPa及以上，并且具有良好的抗環(huán)境性能，而且施工操作比較簡單，近年來在土木工程梁、板、柱結(jié)構(gòu)的加固中獲得了廣泛應(yīng)用。普通粘貼CFRP片材不能發(fā)揮材料的抗拉強(qiáng)度，這不僅緣于混凝土梁的裂縫限制，也受到撓度的限制，還受到在裂縫兩側(cè)、CFRP片材兩端的高粘結(jié)剪應(yīng)力導(dǎo)致的剝離破壞的限制。由于粘貼操作時(shí)不做卸載處理或難以進(jìn)行卸載，正常使用狀態(tài)下粘貼的CFRP布并不參與受力，因此對改善結(jié)構(gòu)使用性能幾乎不起作用。普通粘貼的CFRP布只有在超載條件下才會(huì)參與受力，但由于應(yīng)變滯后以及彈性模量與鋼筋相當(dāng)或低于鋼筋等原因，裂縫寬度限值條件下CFRP片材能發(fā)揮的應(yīng)力水平一般只有材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的1/20左右或略高。本項(xiàng)目提出的高效后張CFRP板預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)加固系統(tǒng)，以CFRP板為預(yù)應(yīng)力加固材料，通過預(yù)張拉，使CFRP板在正常使用狀態(tài)下即處于較高應(yīng)力狀態(tài)（不低于1000MPa），從而改善橋梁結(jié)構(gòu)正常使用性能水平;通過預(yù)張拉，減小各種載荷條件下的粘結(jié)剪應(yīng)力，降低剝離破壞風(fēng)險(xiǎn)，確保CFRP板與基體混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作;在承載能力極限狀態(tài)下，能夠充分發(fā)揮材料的抗拉強(qiáng)度，提高材料利用率;利用CFRP板端部錨具，徹底解決CFRP材料端部剝離破壞現(xiàn)象，確保CFRP板加固的可靠性;通過完善錨具設(shè)計(jì)和張拉工藝設(shè)計(jì)，使CFRP板預(yù)應(yīng)力加固在房屋、橋梁等梁、板、柱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力發(fā)展。新型預(yù)應(yīng)力CFRP碳纖維板（CFRP）復(fù)合材料，可以使得抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性安全產(chǎn)生科學(xué)有效的保障效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：新型預(yù)應(yīng)力CFRP;碳纖維復(fù)合材料;梁板柱關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究

Abstract：CFRP（carbon fiber composite）material is lightweight，high strength，tensile strength can reach 3000MPa and above，and has good environmental performance，and the construction operation is relatively simple，in recent years in the reinforcement of civil engineering beam，slab，column structure It has been widely used.Ordinary paste CFRP sheet can not exert the tensile strength of the material，which is not only due to the crack limitation of the concrete beam，but also limited by the deflection，but also by the peeling damage caused by the high bonding shear stress on both sides of the crack and the CFRP sheet at both ends limits.Since the unloading process is not performed or it is difficult to uninstall during the pasting operation，the CFRP cloth pasted under normal use does not participate in the force，so it has little effect on improving the structural performance.Normally attached CFRP fabrics will only participate in the stress under overload conditions，but due to strain hysteresis and the elastic modulus is equal to or lower than that of steel bars，the stress level of CFRP sheets under crack width limits is generally only The material strength standard value is about 1/20 or slightly higher.The high-efficiency post-tensioned CFRP board prestressed bridge structure reinforcement system proposed in this project uses CFRP board as the prestressed reinforcement material.Through pre-tensioning，the CFRP board is in a higher stress state（not less than 1000MPa）under normal use.In order to improve the normal use performance level of the bridge structure;through pre-tensioning，reduce the bonding shear stress under various load conditions，reduce the risk of peeling damage，and ensure that the CFRP board and the base concrete structure work together;under the limit of the bearing capacity，Can fully exert the tensile strength of the material and improve the utilization rate of the material;use the end anchor of the CFRP plate to completely solve the peeling and destruction phenomenon of the end of the CFRP material to ensure the reliability of the CFRP plate reinforcement;through the perfect anchor design and tensile process design In order to make CFRP plate prestressed reinforcement widely used in the field of research on the key structures of beams，slabs and columns such as houses and bridges，and promote technological progress and productivity development.The new prestressed CFRP carbon fiber board（CFRP）composite material can make the systematic safety of a large number of important engineering structures such as houses，bridges，slopes，and underground projects in the field of earthquake resistance and disaster prevention and engineering structure safety and reliability have a scientific and effective guarantee effect.

Key words：New type prestressed CFRP;Carbon fiber composite material;Beam-slab-column key structure research

目前，普通粘貼CFRP增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的材料工作應(yīng)力很低，通常只是抗拉強(qiáng)度的1/20。以CFRP（碳纖維復(fù)合材料）板作為預(yù)應(yīng)力施加材料，通過預(yù)張拉，使CFRP板在正常使用狀態(tài)下即處于較高應(yīng)力狀態(tài)（不低于1200MPa），提高材料自身抗拉強(qiáng)度的利用率達(dá)到目前狀況的10倍以上，大大提高了橋梁、框架等工程結(jié)構(gòu)正常使用性能和工程壽命的延長。通過預(yù)張拉，也減小各種載荷條件下的粘結(jié)剪應(yīng)力，降低剝離破壞風(fēng)險(xiǎn)，確保CFRP板與基體混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作;在承載能力極限狀態(tài)下，能夠充分發(fā)揮材料的抗拉強(qiáng)度，提高材料利用率;利用CFRP板端部錨具，徹底解決CFRP材料端部剝離破壞現(xiàn)象，確保CFRP板增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性;通過完善錨具設(shè)計(jì)和張拉工藝設(shè)計(jì)，使預(yù)應(yīng)力CFRP板在橋梁、框架等工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力發(fā)展。新型預(yù)應(yīng)力碳纖維板（CFRP）復(fù)合材料系統(tǒng)技術(shù)大大地促進(jìn)了碳纖維復(fù)合材料在增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的利用領(lǐng)域，因此產(chǎn)生顯著的工程技術(shù)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

一、實(shí)驗(yàn)要求

（一）實(shí)驗(yàn)原理

對普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復(fù)合材料的梁的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對比，分析新型碳纖維復(fù)合材料對鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度提高情況。

（二）材料與試樣及實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

（1）選擇日本東麗公司生產(chǎn)的T300型環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合板，I級板材，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度≥2400MPa。

（2）加載設(shè)備，拉桿、分配梁、反力鋼梁、千斤頂測力計(jì)。

（3）數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（DH3819）。

（4）應(yīng)變釆集儀采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH38I9應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)，其參數(shù)如下所示：

①毎臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制32個(gè)模塊，單模塊可測8測點(diǎn).

②掃描速度：中模塊8測點(diǎn)/秒。

③靈敏度系數(shù)1.0～3.0自動(dòng)修正。

④適用電阻：60Ω～10000Ω。

⑤應(yīng)變量程：±20000με。

CMOS相機(jī)：MER-500-7UM-L型，中國大恒（集團(tuán)）有限公司。

（三）實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

為保證相關(guān)設(shè)計(jì)要求，本試驗(yàn)測試技術(shù)要求如下：

（1）碳纖維板規(guī)格：50mm×1.4mm;

（2）單端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力.張拉力為150kN;

（3）錨下張拉控制應(yīng)力為≥1500MPa。

二、實(shí)驗(yàn)過程

（一）檢測點(diǎn)布置

試件在對于預(yù)應(yīng)力碳纖維板復(fù)合材料拉伸過程中，本試件只進(jìn)行水平向的靜載試驗(yàn)。在挙近張拉端錨具、靠近固定端錨具的碳纖維板上，以及碳纖維板中部對應(yīng)位置粘帖應(yīng)變片，共使用9張應(yīng)變片，應(yīng)變片測點(diǎn)布置如圖3所示。

（二）試驗(yàn)進(jìn)程

張拉靜載試驗(yàn)共分11級進(jìn)行分級加載。

按照《碳纖維片材加固混凝土技術(shù)范程》CECS147：2007要求，碳纖維板材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2400MPa。首先，對預(yù)應(yīng)力碳纖維鈾固系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)張拉，預(yù)張拉取抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的5%（即8.4kN）。然后，采用分級張拉方式，依次為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的20%、40%、60%（上述3級張拉后持力2min，然后開始下—級張拉）。然后，張拉至1700MPa，并持力30min，以驗(yàn)證是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求。此后以100MPa為一級，即1800MPa、1900MPa、2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2400MPa（上述每級張拉后持力2min;然后開始下一級張拉，若某一級發(fā)生破壞或者達(dá)到2400MPa時(shí)，試驗(yàn)終止）。試驗(yàn)工況安排如上表所示。

三、結(jié)果與分析

根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的計(jì)算公式σ=Eε：可以得到理論應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中：σ為理論張拉應(yīng)力，E為試件彈性模量，ε為應(yīng)變理論值，根據(jù)試驗(yàn)測試得到的應(yīng)變值ε，可以擬合一條實(shí)測應(yīng)力應(yīng)變曲線，測試得到的預(yù)應(yīng)力碳纖維板描固系統(tǒng)張拉應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。根據(jù)廠家提供的碳纖維板材料《檢驗(yàn)報(bào)告》，其彈性模量E取值為1.64×105MPa。

測試得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線與理論值之間存在一定比例的偏差，經(jīng)分析，主要山碳纖維板的彈性模星偏差造成。碳纖維板本身屬于不均勻材料，彈性模最離散性較大，隨著張拉應(yīng)力的增加，碳纖維板的彈性模量也不斷變化，存在逐步增大的非線性趨勢。但總體來說，碳纖維板的實(shí)際彈性模量大于《檢驗(yàn)報(bào)告》測定理論值，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)變值相對偏小，采用本產(chǎn)品進(jìn)行橋梁加固是偏于安全的。同時(shí)，碳纖維板張拉力測試值達(dá)到2400MPa時(shí)，雖然存在偏差，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)提出的1700MPa的性能指標(biāo)要求。

四、結(jié)論

從以上圖3的應(yīng)力應(yīng)變曲線中可知，當(dāng)張拉應(yīng)力達(dá)到1500MPa時(shí)，預(yù)應(yīng)力碳纖維板夾持及錨固性能、錨固螺栓抗剪能力滿足《碳纖維片材加固混凝土技術(shù)范程》CECS147：2007要求的技術(shù)要求。CFRP預(yù)應(yīng)力加固方法，施加預(yù)應(yīng)力后CFRP加固效果獲得了顯著的改進(jìn)，證明在實(shí)驗(yàn)室條件下CFRP預(yù)應(yīng)力加固方法的有效性;在實(shí)際土木工程實(shí)例中，工程梁、板、柱結(jié)構(gòu)的加固效果同樣顯著，獲得了廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效果突出，社會(huì)效果顯著。

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科技計(jì)劃項(xiàng)目：貴陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（筑科合同[2011101]1-44號）;貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合GY字[2011]3042號）

作者簡介：曹玉祥（1963—?），男，漢族，貴州貴陽人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楣こ滩牧戏治?、工程結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)。全學(xué)友（1963—?），男，漢族，四川遂寧人，博士，教授，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)研究及設(shè)計(jì)、工程材料研究;安璐（1965—?），男，漢族，貴州遵義人，高級工程師，研究方向?yàn)楣こ滩牧戏治鲅芯俊?/p>