預(yù)應(yīng)力碳纖維布張拉錨固系統(tǒng)加固混凝土梁研究

龍秋穎，王建濱，趙 艷，張瀚天，李廣軍，寧作君

(1.佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007; 2.濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 青州 262500;3.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷 354399; 4.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，新疆 喀什 844006)

0 引 言

碳纖維（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）是一種自重輕、抗拉強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、柔性好、耐腐蝕性強(qiáng)的新型材料，近年來(lái)在建筑加固行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，CFRP加固常常采用直接粘貼的方式，即通過(guò)膠黏劑將CFRP直接粘貼于受力構(gòu)件表面，從而提高結(jié)構(gòu)承載力。研究結(jié)果表明[4]：直接粘貼加固法存在一定局限性，即碳纖維強(qiáng)度的發(fā)揮需要以變形為代價(jià)，當(dāng)構(gòu)件破壞時(shí)，直接粘貼CFRP只能發(fā)揮10%～20%的抗拉強(qiáng)度，材料強(qiáng)度的利用率低；當(dāng)被加固構(gòu)件變形較大時(shí)，加固效果明顯降低。針對(duì)該問(wèn)題，一些學(xué)者[5-12]提出對(duì)碳纖維施加預(yù)應(yīng)力，可以克服碳纖維布強(qiáng)度利用率低的缺陷，其中端部錨固是碳纖維施加預(yù)應(yīng)力亟須解決的問(wèn)題。尚守平等[8]通過(guò)新型加固設(shè)備開(kāi)展了預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土梁試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固比普通粘貼CFRP加固承載力明顯提高。鄧?yán)誓莸萚9]采用一端錨固另一端張拉實(shí)現(xiàn)CFRP加固。全學(xué)友等[10]利用兩端張拉螺桿實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂楔形夾持體夾具的張拉。然而，碳纖維布加固技術(shù)主要以直接粘貼方式進(jìn)行加固，不利于實(shí)際工程應(yīng)用，因此研發(fā)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)勢(shì)在必行?；趪?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文使用新設(shè)計(jì)的碳纖維布錨具錨固張拉裝置對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布錨固技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了新型錨具錨固裝置的適用性。研究結(jié)果可為預(yù)應(yīng)力CFRP布張拉錨固系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 新型張拉錨固系統(tǒng)的研制

本文從實(shí)用、安全、簡(jiǎn)單、方便角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套新型碳纖維布張拉、錨固體系。具體新型張拉錨固系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其施工工藝流程進(jìn)行如下簡(jiǎn)述：

圖1 張拉錨固裝置系統(tǒng)工藝流程圖

1）將混凝土兩端打磨出凹槽，其兩端固定端、張拉端錨固夾具連接板分別用錨栓錨固在梁底兩端；

2）CFRP裁剪好后，兩端利用錨具錨固住；

3）將錨固好CFRP的一端安裝于梁的固定端，蓋上蓋板在錨固端固定；

4）將碳纖維布另一端的兩個(gè)圓環(huán)穿過(guò)滑道移動(dòng)使碳纖維布拉直；

5）安裝加壓助推器和千斤頂開(kāi)始對(duì)張拉端碳纖維布連同錨固機(jī)具進(jìn)行張拉；

6）待達(dá)到張拉力后，將張拉端錨具蓋上蓋板固定?。?/p>

7）對(duì)碳纖維布粘貼面上進(jìn)行刷膠，粘貼，帶固化后完成張拉，最后拆除張拉裝置。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維布錨固夾具的研制

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次利用10對(duì)錨具共10組進(jìn)行張拉錨固試驗(yàn)，其中1組平板錨固為對(duì)比構(gòu)件，每組構(gòu)件為3個(gè)，采用測(cè)量平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果；本次通過(guò)銷釘錨具與相同尺寸的平板錨具的對(duì)比試驗(yàn)，分析新型錨具對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布的錨固效果；本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了銷釘尺寸為4 mm、8 mm、12 mm，銷釘個(gè)數(shù)為1、3、7幾種參數(shù)不同的銷釘錨具。試件參數(shù)如表1所示，分別對(duì)不同直徑相同個(gè)數(shù)、不同個(gè)數(shù)相同直徑的銷釘錨具進(jìn)行張拉試驗(yàn)，分析銷釘個(gè)數(shù)以及銷釘直徑的大小對(duì)銷釘錨具的影響。

表1 試件參數(shù)

碳纖維布的新型錨具錨固裝置由上下兩部分鋼板組成。上部分由平板鋼板、螺栓及銷釘組合而成；下部分由平板鋼板、螺栓孔及銷釘孔組成；上下兩部分由螺栓連接如圖2所示。

圖2 銷釘錨具（單位：mm）

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用碳纖維布SG-300a，該碳纖維布的理論厚度為0.167 mm，設(shè)計(jì)寬度為100 mm。檢測(cè)的拉伸速率為2 mm/min，抗拉強(qiáng)度3 400 MPa；彈性模量240 GPa，伸長(zhǎng)率1.7%。碳纖維加固膠采用MLJ型建筑結(jié)構(gòu)膠甲、乙組合粘結(jié)劑，甲與乙粘結(jié)劑的配合比為3∶1。

2.3 試驗(yàn)儀器和加載

該試驗(yàn)使用的儀器為：水泥混凝土抗壓抗折萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖3），濟(jì)南美特斯測(cè)試技術(shù)有限公司，測(cè)量范圍0～3 000 kN；YB15/25微變形測(cè)量?jī)x，蘇州中路通試驗(yàn)儀器有限公司，位移量程±10 mm。

圖3 抗壓抗折萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

2.4 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

通過(guò)10對(duì)銷釘錨具共10組進(jìn)行張拉試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，碳纖維布的張拉控制應(yīng)力在1 400～1 500 MPa之間，錨具錨固能力能滿足張拉控制應(yīng)力的需求。利用新型錨具對(duì)碳纖維布進(jìn)行張拉錨固，錨固能力同平板錨具相比有一定程度的提高，錨固能力提高幅度達(dá)到30%以上。隨著荷載的繼續(xù)增大，銷釘間碳纖維布會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致銷釘間碳纖維布受力迅速增大，最終破壞為應(yīng)力集中破壞。新型錨具錨固能力與銷釘直徑、銷釘個(gè)數(shù)有關(guān)：當(dāng)銷釘個(gè)數(shù)為3根，直徑為8 mm時(shí)，錨固力達(dá)到最大值，隨著銷釘個(gè)數(shù)、銷釘直徑的增大應(yīng)力集中現(xiàn)象增大，錨固力降低。

首先，基本技能既能增加個(gè)人的選擇能力，也能增加個(gè)人的認(rèn)知能力。受過(guò)基本教育使個(gè)人能夠較容易的實(shí)現(xiàn)自尊和得到社會(huì)認(rèn)同，使個(gè)人易于參加團(tuán)體活動(dòng)或獲得醫(yī)療衛(wèi)生和安全保障等方面重要信息的機(jī)會(huì)。這能增加個(gè)人的選擇能力，也增加個(gè)人對(duì)物質(zhì)和非物質(zhì)資源的控制能力。此外，能夠從方法上處理理論和應(yīng)用學(xué)科的原理，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)，獲得創(chuàng)造性思維和特殊知識(shí)。

2.5 破壞機(jī)理

圖4為構(gòu)件P2-a應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，根據(jù)該圖將新型錨具錨固碳纖維受力分成二階段：線彈性階段、滑移階段。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

Ⅰ線彈性階段：由圖可知，碳纖維張拉前期受粘結(jié)力和壓力的共同作用，應(yīng)力-應(yīng)變基本處于線性關(guān)系，即P2-a構(gòu)件張拉碳纖維布荷載在0～40 kN階段。由于彈性模量Ecf保持不變，新型錨具錨固碳纖維布的受力特性呈線性關(guān)系。

Ⅱ滑移階段：隨著荷載的繼續(xù)增大則進(jìn)入第二階段即受粘結(jié)力、壓力、抗剪切力三者共同作用，該階段碳纖維布承受張力為40～50.21 kN。σ、ε兩者之間呈凹曲線關(guān)系。凹曲線開(kāi)始階段，碳纖維應(yīng)力基本不變，應(yīng)變迅速增大。應(yīng)變的基本公式ε=Δl/l，當(dāng)ε增大，Δl相對(duì)l增長(zhǎng)的速度更快；隨著荷載持續(xù)增大，碳纖維的應(yīng)力應(yīng)變斜率Ecf增大，此時(shí)碳纖維布與錨具之間開(kāi)始出現(xiàn)滑移；隨著力的增大滑移量逐漸增加，應(yīng)力在纖維孔附近集中，增大速度加快。當(dāng)應(yīng)力集中使碳纖維達(dá)到極限強(qiáng)度后，碳纖維破壞。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，可以求得圓孔、裂紋尖端以及集中力附近的應(yīng)力分布情況。本文分析了新型錨具在銷釘?shù)目辜羟辛Α⒄辰Y(jié)劑的粘結(jié)力、鋼板擠壓力共同作用下的錨固破壞機(jī)理，具體如下：

1）擠壓力+粘結(jié)力

受力初期，碳纖維布錨固區(qū)域無(wú)形變，碳纖維布錨固僅受粘結(jié)力和擠壓力兩者共同的作用；隨著張拉力的逐漸增大，碳纖維布所受的粘結(jié)應(yīng)力開(kāi)始從張拉端向錨固端延伸，碳纖維產(chǎn)生應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)變延伸到銷釘錨固部位后，碳纖維的變形受到銷釘阻礙，即銷釘產(chǎn)生阻礙碳纖維布變形的抗剪切力，此時(shí)碳纖維布受到3種錨固力作用，即銷釘抗剪切力、粘結(jié)力及擠壓力。此階段在圖4應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為線彈性階段。

2）擠壓力+粘結(jié)力+抗剪切力

隨著荷載持續(xù)增大，碳纖維布的變形越來(lái)越大，新型錨具產(chǎn)生的抗剪切力則越大。當(dāng)錨具張拉端某一點(diǎn)最先達(dá)到粘結(jié)極限強(qiáng)度而產(chǎn)生剝離破壞后，碳纖維極限粘結(jié)強(qiáng)度由中部向兩端移動(dòng)并逐漸向錨固端部發(fā)生剝離破壞。當(dāng)極限粘結(jié)應(yīng)力傳到銷釘錨固部位時(shí)，靠近張拉端碳纖維布大部分處于剝離受拉狀態(tài)，靠近錨固端碳纖維布處于錨固狀態(tài)。碳纖維孔張拉端受到較大拉力，錨固端受力較小，在碳纖維孔出現(xiàn)較大的拉力差，其相對(duì)差值越來(lái)越大，孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中（見(jiàn)圖5），根據(jù)圓孔附近邊緣應(yīng)力公式得在孔邊緣處應(yīng)力瞬間增大了3倍。隨著荷載的增大，碳纖維孔受到集中應(yīng)力值變化越來(lái)越大，當(dāng)拉力達(dá)到碳纖維束的極限承載力值后，構(gòu)件破壞。

圖5 CFRP破壞圖

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固試驗(yàn)梁的研究

3.1 試件設(shè)計(jì)

采用新型的張拉裝置，銷釘直徑8 mm，采用3根錨固夾具進(jìn)行加固試驗(yàn)，碳纖維布加固層數(shù)為兩層，對(duì)5根混凝土梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，研究其抗彎性能。實(shí)驗(yàn)選用b×h為150 mm×250 mm混凝土簡(jiǎn)支梁，鋼筋采用HRB335，HPB300混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30 MPa，經(jīng)試驗(yàn)得出鋼筋屈服強(qiáng)度為306 MPa，試驗(yàn)梁全長(zhǎng)2 m，支座間凈跨為1.8 m。試驗(yàn)梁的加載及截面圖如圖6所示。5根混凝土梁鋼筋的屈服強(qiáng)度均為360 MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度均為28.1 MPa，F(xiàn)RP筋的彈性模量均為55 GPa，其余試件參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試件參數(shù)及結(jié)果

圖6 試驗(yàn)梁加載及配筋圖（單位：mm）

3.2 試驗(yàn)梁加載與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)梁采用千斤頂配合反力梁進(jìn)行兩點(diǎn)加載。MF梁將碳纖維布直接粘貼于試驗(yàn)梁底。MF-1、2、3試驗(yàn)梁則對(duì)碳纖維布張拉后將其粘貼于試驗(yàn)梁底。為了測(cè)量碳纖維布應(yīng)力變化，在跨中CFRP布表面沿布寬度方向粘貼適量應(yīng)變片。試驗(yàn)梁變形由各支座及跨中控制界面處布置的位移計(jì)確定。

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，WM試驗(yàn)梁初始加載時(shí)，荷載與撓度呈線性關(guān)系，隨著荷載的增加，縱筋首先屈服，經(jīng)過(guò)較大變形后，受壓區(qū)混凝土壓碎，到極限荷載后試件破壞，由上述試驗(yàn)過(guò)程可知，WM試件具備適筋梁破壞特征，為適筋梁破壞。MF試驗(yàn)梁破壞形式為碳纖維布加固梁發(fā)生剝離破壞。梁初始加載時(shí)，荷載-撓度呈線性關(guān)系，當(dāng)荷載加載至42 kN時(shí)，梁底碳纖維布發(fā)生“啪啪”的響聲，隨著荷載的增大啪啪聲越來(lái)越密集，在碳纖維布受彎區(qū)域出現(xiàn)混凝土-預(yù)應(yīng)力碳纖維布剝離破壞，梁發(fā)生較大的變形，當(dāng)荷載持續(xù)加大后混凝土受壓區(qū)被壓碎，梁發(fā)生破壞。

MF-1、2、3預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)梁的破壞形式為部分碳纖維束被拉斷同時(shí)出現(xiàn)與混凝土剝離現(xiàn)象，試驗(yàn)梁隨之破壞。加載初始，荷載-撓度成線性關(guān)系；當(dāng)荷載加載至極限承載力70%時(shí)，碳纖維布發(fā)出啪啪響聲，隨著荷載的持續(xù)增加啪啪聲越來(lái)越密集，梁純彎區(qū)段碳纖維布部分纖維束出現(xiàn)撕裂，伴有剝離現(xiàn)象并向兩端發(fā)展；當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，碳纖維布被拉斷，試驗(yàn)梁隨之破壞。

由表3可知，預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土梁其開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有提高。同WM對(duì)比梁相比，開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限承載力最高可提高61%、53.7%、57.7%；同MF對(duì)比梁相比最高可提高至26.3%、32%、27%；試驗(yàn)梁的正截面承載力提高幅度與CFRP布張拉預(yù)應(yīng)力有關(guān)，MF-1、MF-2、MF-3試驗(yàn)梁隨著碳纖維布張拉預(yù)應(yīng)力的增大，其開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載逐漸增大，但增大幅度逐漸變緩。

圖7給出了簡(jiǎn)支梁的荷載-跨中撓度曲線。由圖可知：預(yù)應(yīng)力CFRP布加固試驗(yàn)梁同未加固試驗(yàn)梁相比，各階段斜率均有所提高，表明利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土梁正截面剛度得到提高。預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁前后荷載均有較大提高，CFRP布在此階段發(fā)揮了很大作用。

圖7 荷載-跨中撓度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究新設(shè)計(jì)的張拉錨固機(jī)具張拉、錨固碳纖維布技術(shù)。通過(guò)該張拉裝置進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁承載力試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

1）利用新型錨具對(duì)碳纖維布進(jìn)行錨固，錨固能力同平板錨具相比有一定程度的提高，錨固能力提高幅度達(dá)到30%以上。新型錨具錨固能力與銷釘直徑、銷釘個(gè)數(shù)有關(guān)：當(dāng)銷釘個(gè)數(shù)為3根，直徑為8 mm時(shí)，錨固力達(dá)到最大值。

2）利用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁明顯提高構(gòu)件的正截面剛度。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁，其開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有明顯提高；提高幅度與預(yù)拉應(yīng)力的大小有關(guān)，預(yù)拉應(yīng)力越大，承載力越大，隨著預(yù)拉應(yīng)力的增大增長(zhǎng)幅度見(jiàn)緩。

3）本次設(shè)計(jì)張拉錨固系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、方便，有效對(duì)受彎梁施加預(yù)應(yīng)力，滿足預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固技術(shù)要求，提高了CFRP布利用率，使碳纖維布高強(qiáng)度特性得到很好的發(fā)揮，可用于實(shí)際中。