預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼梁抗彎性能的研究進展

王志成，張秀林，劉宛欽，謝文劍

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京210098）

1 引言

碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是一種新型材料，同時擁有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕和耐疲勞的優(yōu)點。鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段工程建設(shè)中經(jīng)常使用的材料，有著強度高、塑性好、制作方便、工期短等特點，由于在使用過程中，鋼結(jié)構(gòu)大多承受彎矩作用，因此，提高抗彎性能對鋼結(jié)構(gòu)來說更加重要，對未受損鋼梁的強化和對損傷鋼梁的修復(fù)，在工程實際中是不可避免的，作為眾多加固鋼梁材料的一種，預(yù)應(yīng)力CFRP板在鋼梁加固中對抗彎性能的增強有一定優(yōu)勢。本文綜合了國內(nèi)在對鋼梁不同預(yù)應(yīng)力CFRP板加固方法下的抗彎性能的研究，總結(jié)比較了不同預(yù)應(yīng)力CFRP板加固方式下的鋼梁抗彎性能的提高程度，為工程中加固鋼梁的方式提供參考。

2 預(yù)應(yīng)力CFRP板常見加固方法

2.1 反拱預(yù)應(yīng)力法

將CFRP板貼在梁底，在黏結(jié)劑未固化之前，使用千斤頂或者其他加載裝置，在梁中部反向加載，使鋼梁中部向上拱起，以抵消鋼梁因自重引起的變形，保持荷載不變，待黏結(jié)劑固化后移去施加的荷載，在鋼梁恢復(fù)變形的過程中，CFRP板被張拉，粘貼的CFRP板就被施加了預(yù)應(yīng)力，同時控制反向施加的荷載大小，可以控制CFRP板施加的預(yù)應(yīng)力水平【1】。

2.2 不設(shè)錨具的外部張拉法

把CFRP板先用預(yù)先準備的張拉裝置進行張拉，然后將張拉后的CFRP板通過黏結(jié)劑將其粘貼于待加固梁的底部，端部同時施加必要的錨固措施，養(yǎng)護一段時間至黏結(jié)劑固化，再把CFRP板剪斷，就可以對鋼梁施加預(yù)應(yīng)力。同時也存在先粘貼CFRP板，在黏結(jié)劑固化之前，再通過張拉裝置進行張拉【2】。

2.3 永久錨具張拉法

首先在待加固鋼梁上預(yù)先放置永久性的錨具，通過鋼梁自身作為反力架對CFRP板進行預(yù)應(yīng)力的施加，當(dāng)施加至所需的預(yù)應(yīng)力水平時，就可以把CFRP板粘貼在鋼梁上，在黏結(jié)劑固化以后，CFRP板就被施加預(yù)應(yīng)力并且黏結(jié)和錨固在鋼梁上，通過自身作為反力架，避免了額外放置外部裝置，在一定程度上改進了外部張拉法【3】。

3 研究進展

3.1 未受損鋼梁的加固

吳濤【4】對共8根工字形鋼梁進行對比試驗，其中4根通過設(shè)置永久錨具法進行預(yù)應(yīng)力施加，通過對預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的正截面承載力的變化進行研究，試驗發(fā)現(xiàn)，在預(yù)應(yīng)力CFRP板加固下的鋼梁的屈服荷載值和極限荷載值都有明顯的提升，并且提高的程度和CFRP板的用量以及預(yù)應(yīng)力水平成正比，根據(jù)加固鋼梁的撓度變化特點分析，提出了預(yù)應(yīng)力CFRP板加固下的撓度計算公式。

盧亦焱等人【5】研制了一套預(yù)應(yīng)力CFRP板的張拉設(shè)備，通過對7根試驗鋼梁進行對比試驗，其中4根鋼梁的CFRP板通過永久錨具法施加了預(yù)應(yīng)力，試驗結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的鋼梁屈服彎矩和極限彎矩有所提升，同時，提高的幅度和施加的預(yù)應(yīng)力水平相呼應(yīng)，在預(yù)應(yīng)力CFRP板的加固下，CFRP板提前參與工作，提高了CFRP板的利用率，在試驗的基礎(chǔ)上，建立了預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁正截面承載力的設(shè)計方法。

朱捷【6】通過研究5根鋼梁的對照加載試驗，其中3根鋼梁用改變CFRP板伸長量來控制預(yù)應(yīng)力水平，在對預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的撓度進行試驗研究后，發(fā)現(xiàn)在加固鋼梁正截面承載力和剛度方面有所改善，分析試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的方式來加固未受損鋼梁，鋼梁的抗彎極限承載力有著相應(yīng)的提升，同時基于鋼梁受彎理論，完成了對預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的撓度計算公式的建立。

王家棟【7】通過4根鋼梁試件進行對比試驗，其中2根是反拱預(yù)應(yīng)力法加固的鋼梁，對反拱法加固鋼梁的抗彎能力進行分析，試驗數(shù)據(jù)說明，通過反拱預(yù)應(yīng)力法能有效地提高鋼梁在達到屈服時的荷載和極限荷載，同時在不同反拱力下的預(yù)應(yīng)力碳纖維增強復(fù)合材料加固的鋼梁，與未施加預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的鋼梁比較，在反拱力分別為100kN、130kN、160kN的預(yù)應(yīng)力加固下，屈服荷載值分別提高了2.84%、3.64%、4.46%，極限荷載分別提高了1.40%、1.58%、1.76%。

3.2 受損鋼梁的修復(fù)加固

陶利【8】制作了5根試驗鋼梁進行加載試驗，其中3根鋼梁進行預(yù)應(yīng)力CFRP板加固，通過控制CFRP板的長度和寬度因素，分析試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)得到結(jié)論，相比于未施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板加固鋼梁的方法，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的方法可以更大程度地提高鋼梁的極限承載力。同時，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)對CFRP板施加的初始應(yīng)變越大時，受損鋼梁的極限承載力增大幅度越大，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固方式還可以改善CFRP板在鋼梁加固中的利用率。

賈永輝【9】主要對9根預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的帶缺陷的鋼梁進行加載試驗，與非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的鋼梁相比較發(fā)現(xiàn)，可以更好地抑制鋼梁裂縫的開展，同時，通過預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的鋼梁，對于提升損傷鋼梁的極限承載力以及延性有一定作用，20%和40%預(yù)應(yīng)力水平下加固鋼梁的極限承載力分別提高27.5%和52.3%，但對剛度的改變并不是很顯著。

吳量【10】通過比較4種常見的CFRP板加固鋼梁的形式，研究不同因素對CFRP板加固損傷鋼梁受力性能的影響，試驗表明，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的方式，可以改善鋼梁的抗彎性能，提高被加固鋼梁的抗彎承載力、剛度以及延性，同時，預(yù)應(yīng)力施加的水平越高，在反拱力的作用下，損傷鋼梁抗彎承載力和剛度的提高越明顯，尤其對有缺口的損傷鋼梁加固效果更好，但當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平過高時，會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力CFRP板在工作中達到它的極限變形，從而不滿足使用的安全性。

彭圣元【11】主要對預(yù)應(yīng)力CFRP板和CFRP板加固的6根銹損鋼梁進行正截面抗彎承載性能試驗，以此來研究預(yù)應(yīng)力對CFRP板加固的影響程度，通過改變預(yù)應(yīng)力施加的水平，對鋼梁進行加載試驗后得出結(jié)論，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固銹損鋼梁的方式，可以提高鋼梁的承載力，其中在12%fu和15%fu預(yù)應(yīng)力CFRP板加固下的銹損鋼梁（fu為CFRP板的極限抗拉強度），極限承載力各自提高了0.53%和5.98%，并且預(yù)應(yīng)力條件下可以提高CFRP板加固受損鋼梁的利用率，在對鋼梁的受力特點的基礎(chǔ)上進行分析，建立了預(yù)應(yīng)力CFRP板加固條件下銹損鋼梁的屈服承載力的計算公式。

4 結(jié)語

本文對目前國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁抗彎性能的研究進展進行了梳理，主要得到以下幾個結(jié)論：

1）與傳統(tǒng)加固鋼結(jié)構(gòu)的方式不同，在國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁方式的研究發(fā)展下，新型加固技術(shù)主要包括反拱預(yù)應(yīng)力法、不設(shè)錨具的外部張拉法以及永久錨具張拉法；

2）同未施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板加固鋼梁的方法相比較，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的方法有著明顯優(yōu)勢，對鋼梁的抗彎性能方面有一定提升，主要表現(xiàn)在屈服承載力和極限承載力的增大，但對于鋼梁的剛度改變并不是很顯著；

3）不同預(yù)應(yīng)力水平下的CFRP板加固的鋼梁，抗彎性能的提升程度不同，一般情況下，施加預(yù)應(yīng)力水平越高，鋼梁的抗彎性能越好。