預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置設(shè)計與性能分析★

董 嘯 蔣 慧 李金虎 楊曉慧 王楊玚

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 研究背景

伴隨時間的推移，大量的工民用建筑、交通橋梁等工程結(jié)構(gòu)的混凝土梁由于材料老化、環(huán)境侵蝕、結(jié)構(gòu)功能發(fā)生改變而使受荷變化，或者戰(zhàn)爭、火災(zāi)、臺風(fēng)、地震、洪水等自然災(zāi)害以及設(shè)計失誤、施工不當(dāng)?shù)热藶橐蛩氐陌l(fā)生而導(dǎo)致構(gòu)件承載力不足或產(chǎn)生開裂等情況時有發(fā)生，因此對其加固修復(fù)十分必要[1]。在混凝土梁加固修復(fù)中，將CFRP帶直接粘結(jié)在梁結(jié)構(gòu)下表面以達(dá)到與梁共同受力[2]從而達(dá)到加固修復(fù)目的的方式極為普遍，但其存在明顯的不足：CFRP帶只有在完全拉緊繃直情況下才能夠發(fā)揮其抗拉的作用，CFRP帶與梁結(jié)構(gòu)表面的直接粘結(jié)并不能讓CFRP帶長期處于繃直狀態(tài)[3]，且兩者不能長時間維持牢固結(jié)合的狀態(tài)，一旦發(fā)生松弛，碳纖維帶兩端更易發(fā)生剝離，其承擔(dān)的拉力將會迅速降低從而不能發(fā)揮出CFRP帶的全部性能，對材料自身造成了浪費。

本結(jié)構(gòu)設(shè)計將CFRP布的兩端牢牢固定于梁底部，并且利用施加預(yù)應(yīng)力的方式來提高其強度的利用率?？紤]到錨具在常規(guī)生產(chǎn)應(yīng)用等受到嚴(yán)重限制問題，結(jié)合加工過程進(jìn)行簡化設(shè)計，降低了加工難度并且較節(jié)省鋼材，現(xiàn)場施工難度較低，可用人工或小型機械進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加，解決了傳統(tǒng)錨具的弊端。

2 預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置由錨固組件和張拉組件構(gòu)成[4,5]。

錨固組件包括插塊和錨固塊。插塊上設(shè)有與碳纖維帶寬度匹配的穿孔，用于固定碳纖維帶。錨固塊上設(shè)有與混凝土梁連接的螺紋孔和與插塊相匹配的通槽，使用時插塊插接于通槽內(nèi)。

張拉組件包括上下兩個可拆卸連接的預(yù)應(yīng)力板。背離錨固組件側(cè)開設(shè)可供活動桿置入的開口，活動桿兩端可滑動連接于開口兩側(cè)的滑槽中?；顒訔U兩端設(shè)有防止活動桿軸向移動的定位凸臺，張拉組件和活動桿對應(yīng)開設(shè)垂直于活動桿軸間方向的螺紋安裝孔。螺紋安裝孔開設(shè)于定位凸臺上，螺桿穿過螺紋旋轉(zhuǎn)孔連接活動桿與預(yù)應(yīng)力板。

2.2 安裝流程

預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置如圖1所示。在安裝時，將一條碳纖維帶從中部對疊，分為碳纖維帶上端和下端。

碳纖維帶下端從張拉組件中的下部預(yù)應(yīng)力板左側(cè)進(jìn)入，由上往下繞過活動桿右側(cè)，由下往上穿過穿孔Ⅲ，接著穿過預(yù)應(yīng)力板和桿之間的孔洞，由下往上繞過活動桿右側(cè)回到頂應(yīng)力板左側(cè)，拉緊疊合，碳纖維帶下端即可越拉越緊，達(dá)到自鎖于裝置內(nèi)的效果，實現(xiàn)良好的固定。

碳纖維帶上端從上部張拉組件的預(yù)應(yīng)力板左側(cè)進(jìn)入，由下往上繞過活動桿右側(cè)，由上往下穿過穿孔Ⅲ，接著穿過預(yù)應(yīng)力板與桿之間的孔洞，由上往下繞過活動桿右側(cè)回到預(yù)應(yīng)力板左側(cè)，拉緊疊合，碳纖維帶上端即可越拉越緊，達(dá)到自鎖于裝置內(nèi)的效果，實現(xiàn)良好的固定。

將碳纖維帶中部對折端從錨固塊的通槽穿過，從插塊的右側(cè)進(jìn)入，由下往上穿過穿孔Ⅰ，由上往下穿過穿孔Ⅱ，繞過插塊右側(cè)后由上往下穿過穿孔Ⅱ，由下往上穿過穿孔Ⅰ，從插塊左側(cè)上方拉到插塊的右側(cè)上方穿出錨固塊的通槽，將插塊插入錨固塊的通槽，拉緊疊合。

2.3 預(yù)應(yīng)力施加

通過螺栓將錨固組件和張拉組件固定于混凝土梁底面，轉(zhuǎn)動活動桿左側(cè)螺母向右運動，活動桿同時向右運動進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加。

3 預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置力學(xué)性能實驗

3.1 拉伸試驗

將預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置豎直放入拉伸試驗機中進(jìn)行拉伸試驗。 試驗結(jié)果如表1所示，預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置中的CFRP布破壞均發(fā)生在沿寬度方向邊緣，在開縫錨板和楔形夾具中的CFRP布均完好，錨固裝置可靠性較高。

表1 裝置拉伸試驗結(jié)果

3.2 受彎力學(xué)性能試驗

將試驗梁放置于靜力試驗臺座上并布置荷載傳感器與位移傳感器[6]，預(yù)應(yīng)力CFRP帶加固混凝土梁裝置錨固在鋼筋混凝土梁下部，使用千斤頂分級加載，直至破壞，記錄傳感器讀數(shù)(見表2)。

表2 裝置受彎試驗結(jié)果

對于試驗②與試驗③，當(dāng)荷載分別增加到13.2 kN和20.5 kN時，開始出現(xiàn)第一條豎向裂縫，初裂荷載與試驗①比較，分別提高了21.1%和88.1%，在荷載繼續(xù)增加過程中，裂縫數(shù)量增加、原裂縫變寬并向上部延伸，當(dāng)荷載達(dá)到21.1 kN和28.7 kN時，發(fā)生剝離和斷裂，對比梁的極限荷載增加了9.9%和36.0%，由此可見，利用碳纖維帶加固梁可提升梁的承載力，也能相應(yīng)增加梁的剛度。

4 結(jié)語

該裝置具有錨固能力強、體積輕巧、預(yù)應(yīng)力施加方便、操作簡單、易于加工等諸多優(yōu)點，能應(yīng)用于多種構(gòu)件的加固[7]，有廣泛的實用性和適用性。錨固組件與張拉組件能夠完全避免CFRP粘貼片材與鋼筋混凝土梁等構(gòu)件發(fā)生脆性剝離，使構(gòu)件破壞形態(tài)由粘結(jié)與混凝土表面的CFRP布剝離，變成CFRP布被拉斷破壞，能充分發(fā)揮CFRP布材料的抗拉性能，保證構(gòu)件持續(xù)有效的處于較高承載力狀態(tài)。