CFRP螺紋錨具在吊桿拱橋中應用試驗研究★

王 鵬 陳 強，2 劉靈勇

(1.湖南城市學院土木工程學院，湖南益陽 413000;2.中南林業科技大學，湖南長沙 410004)

0 引言

CFRP是指碳纖維增強復合材料(簡稱CFRP)，其具有質量輕(其密度約為鋼材的1/5)、強度高(抗拉強度高，可達2 000 MPa以上)、低松弛、耐腐蝕、疲勞性能好、易于施工等優點。從結構最關心的力學等綜合性能指標的比較來看，無論是與傳統的鋼材比較，還是與新型的復合材料相比，CFRP材料無疑具有很大優勢(見表1，表2)，而且CFRP熱膨脹系數與混凝土接近，兩者不會產生大的溫度應力;低松弛性使用可減少在預應力混凝土結構中由于預應力筋松弛而引起的頂應力損失。因此，CFRP在橋梁結構中得到了越來越廣泛的應用，成為一種趨勢，例如橋梁加固與超大跨懸索橋和斜拉橋領域。近年來，我國鋼拱橋發展迅速，但也面臨一些問題，比如常用作吊桿的高強鋼絲或鋼絞線容易生銹，且更換麻煩，這些間接導致鋼拱使用壽命的降低。本文對碳纖維(CFRP)新型材料吊桿的全鋼拱橋受力性能進行試驗研究［1］。以期為碳纖維(CFRP)吊桿在鋼箱拱橋中的推廣應用提供試驗依據，進而研究CFRP筋的錨固問題，以本次試驗結果來檢驗螺紋錨具這一新型錨具錨固CFRP筋的可行性。

表1 復合材料與鋼筋力學性能定量比較

表2 幾種復合材料力學性能定性比較

1 試驗模型

1.1 模型概況

CFRP吊系桿鋼箱拱橋模型，橋寬為2 m，計算跨徑為8.8 m，計算矢高2.2 m。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=1.167。模型拱肋高250 mm，寬180 mm，采用矩形鋼梁截面形式，拱肋所用鋼板厚5.0 mm。模型主梁高250 mm，寬200 mm，也采用矩形鋼梁截面形式，主梁所用鋼板厚3.6 mm。在主拱的拱腳和L/8，L/4，3L/8，L/2，5L/8，3L/4和7L/8位置設吊桿，吊桿采用 CFRP筋，間距1.0 m。模型所用材料力學值如表3所示，平面圖如圖1所示，正立面圖如圖2所示、橫斷面圖如圖3所示，模型實圖如圖4所示。模型的CFRP吊系桿采用螺紋錨具進行錨固，實物如圖5所示。CFRP拱橋模型試驗加載裝置如圖6所示。

表3 鋼、CFRP筋的力學值

圖1 試驗模型平面圖（單位：mm）

圖2 試驗模型正立面圖（單位：mm）

圖3 試驗模型橫斷面圖（單位：mm）

圖4 模型實圖

1.2 測點布置與編號

在模型各吊桿端部安裝振弦式力傳感器(見圖5，圖7)，測試CFRP筋拉力值，并對其進行編號:東邊吊桿從北到南依次編號東1號～東8號。西邊吊桿從北到南依次編號西1號～西8號，如圖2所示。

圖5 錨具實物圖

圖6 加載裝置示意圖

圖7 控制截面測點布置圖

2 加載工況

試驗對CFRP吊系桿拱橋模型進行兩個工況的加載，為了達到最大加載效率，按其與工況對應的內力影響線對每個工況進行加載，即在某兩吊桿間內力影響線數值最大，就在此兩吊桿間進行加載。工況Ⅰ為拱頂最大正彎矩中載，從20 kN逐級加載至160 kN再卸載，卸載分三級，第一級卸載至100 kN，第二級卸載至40 kN，第三級卸載至0 kN;工況Ⅱ為拱頂最大正彎矩偏載，從20 kN逐級加載至100 kN再卸載，卸載也分三級，第一級卸載至60 kN，第二級卸載至30 kN，第三級卸載至0 kN。加載每級荷載大小為20 kN，荷載施加完畢15 min或待力傳感器讀數穩定后讀取數據。每卸載完一次，20 min或待力傳感器讀數穩定后讀取數據。偏載加載裝置與正載裝置相同(見圖6，圖8)，只是用一邊的千斤頂加力就好，而另一邊的千斤頂和裝置隔開，不反頂加力橫梁。

圖8 工況加載現場

3 試驗結果與分析

3.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ通過加載裝置在模型4號和5號吊桿間的兩縱梁上逐級加載至160 kN后又卸載到0 kN，試驗測試結果見圖9～圖11，在圖中加入了理論值以便于做出對比。

從圖9～圖11中看出西6號和東4號吊桿拉力在加載至140 kN有突變，這使西6號和東4號吊桿錨具產生一點滑移，導致其拉力突然變小，同時引起西5號、西7號和東3號、東5號拉力值增大。除了西6號和東4號吊桿外，其余吊桿總體上各CFRP吊桿拉力與施加荷載近似呈線性關系發展。在最大荷載作用下，4號、5號吊桿拉力較其余吊桿大，西6號和東4號吊桿因產生過滑移，其值較小。總體上CFRP吊桿在最大荷載作用下的拉力實測值與模型理論計算值接近。

圖9 工況Ⅰ 東邊每根CFRP吊桿受力圖

圖10 工況 西邊每根CFRP吊桿受力圖Ⅰ

3.2 工況Ⅱ

工況Ⅱ通過加載裝置在模型4號和5號吊桿間的兩縱梁上逐級加載至100 kN后又卸載到0 kN，試驗測試結果如圖12～圖14所示，在圖中加入了理論值以便于做出對比。

圖12 工況Ⅱ 東邊每根CFRP吊桿受力圖

圖13 工況 Ⅱ西邊每根CFRP吊桿受力圖

從圖12～圖14中看出西4號吊桿在加載至60 kN，80 kN，100 kN時均有一點滑移，導致其拉力只減無增。因為偏載，東邊吊桿拉力值均較小，隨著荷載的增加，東邊吊桿拉力的增值也較小。除了西4號吊桿外，其余吊桿總體上各CFRP吊桿拉力與施加荷載近似呈線性關系發展。在最大荷載作用下，西3號、西5號、西6號吊桿拉力較其余吊桿大，理論上是西4號、西5號吊桿拉力最大，但因西邊4號吊桿產生過滑移，其值變小。除了西4號吊桿外，總體上CFRP吊桿在最大荷載作用下的拉力實測值與模型理論計算值接近。

圖14 工況Ⅱ 最大荷載作用下吊桿拉力圖

4 結語

1)試驗模型在兩種工況中CFRP吊桿拉力隨荷載的線性變化而基本呈線性變化，除個別錨具滑移的吊桿外，其余與理論計算值基本吻合。說明在系桿拱橋中配置CFRP吊桿是能夠基本滿足實際受力要求的，即在系桿拱橋中配置CFRP吊桿具有實用價值。

2)該螺紋錨具基本滿足了CFRP吊系桿鋼箱拱橋模型試驗的要求，使CFRP吊桿在試驗中實際受力與理論計算相符。這說明了使用該螺紋錨具錨固CFRP筋是可靠的。

3)該錨具在受力過大時，產生一點滑移，原因可能是夾片與CFRP筋摩擦力不夠或錐角錐度問題，有待進一步完善。

［1］周先雁，王蘭彩.碳纖維復合材料(CFRP)在土木工程中的應用綜述［J］.中南林業科技大學學報，2007，27(5):26-32.

［2］侯文葳.我國鋼橋事業新進展［J］.鋼結構，2007(5):1-6.

［3］吳海軍，陸 萍，周志祥.CFRP在新建橋梁中的應用與展望［J］.重慶交通學院學報，2004，23(1):1-5.

［4］方 志，張建東.配置碳纖維(CFRP)吊索和系桿混凝土拱橋的力學性能［J］.中南公路工程，2005，30(3):48-52.

［5］劉靈勇，陳 強.CFRP吊系桿鋼箱拱橋試驗模型的設計［J］.森林工程，2010，26(2):58-61.

［6］詹界東，杜修力，鄧宗才.預應力FRP筋錨具的研究與發展［J］.工業建筑，2006，36(12):65-68.