CFRP片材預應力加固鋼筋混凝土梁的發展及現狀

張　毅

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

CFRP片材預應力加固鋼筋混凝土梁的發展及現狀

張毅

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）是由碳纖維材料與基體材料按一定比例混合并經過一定的工藝復合形成的高性能新型材料，因其具有高強、輕質、耐腐蝕以及施工方便快捷等優點，被廣泛用于結構加強及加固領域，國內外利用CFRP片材加固混凝土梁經歷了一個漫長的過程。該文通過對CFRP片材預應力加固混凝土梁發展歷程的總結，闡述各種CFRP片材預應力加固混凝土梁方法及其優缺點，為需要利用CFRP片材預應力加固混凝土梁的設計者提供參考。

預應力；CFRP片材；加固；波形齒錨具

1　CFRP簡介

19世紀中葉，一位叫約瑟夫·莫尼哀的法國人發明了鋼筋混凝土，并成功將其運用到建筑工程中，從此鋼筋混凝土作為一種新興的復合材料踏上歷史的舞臺，然后逐漸改變著我們周圍的世界。近年來，隨著人們對建筑物要求的不斷提高，不少新建建筑或者構筑物類型變得多樣化，既有高度上的挑戰，也有跨度上的挑戰，此時光依靠鋼筋混凝土材料已不能完全滿足建筑物或者構筑物使用功能上的需求。

世界上經濟發達國家的城市建設大體上都經歷了大規模新建、新建與維修改造并舉和以改造為主的三個階段，我國現在正處于第二階段。為了使一些出了問題的老舊建筑仍能繼續服務于社會或者改變已建建筑的使用功能，均需要對結構進行加固、改造、修復等處理，處理時若使用傳統的加固材料往往效率較低，機械化程度要求較高，而且通常會出現耐久性問題。

為了滿足新建建筑使用功能上的需求和解決傳統材料在已建建筑加固改造中存在的問題，不少新型建筑材料應運而生，碳纖維材料便是其中之一。

CFRP是由碳纖維材料與基體材料按一定比例混合并經過一定的工藝復合形成的高性能新型材料。這種材料于上世紀60年代在日本問世，其具有高強、輕質、耐腐蝕以及施工方便快捷等優點。根據形狀的不同，CFRP可分為片材、型材、棒材和短切纖維等，在結構加固領域中，CFRP片材應用較為廣泛。CFRP片材又分為兩種，一種是通過CFFR布由濕粘法加工而成的片材，另一種是通過碳纖維絲直接壓縮成型的板材。

2　CFRP加固技術的發展及現狀

最先將CFRP應用到土木工程界混凝土結構加固領域的是瑞士學者Meier，他于1982年將CFRP片材代替鋼板并采用樹脂黏結成功加固了Ebach橋。隨后日本、美國、歐洲等開始了關于CFRP復合材料大量的實驗研究和工程應用。

1997年國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心在我國率先開始對碳纖維片材加固混凝土結構技術的研究開發。隨后國內其他科研院所及高校相繼對其實驗技術、各種加固方式的受力性能以及相應計算方法進行了大量的研究。

CFRP復合材料對鋼筋混凝土加固經過30多年的發展，取得了豐富的科研成果。關于預應力加固技術的研究主要還是集中在預應力的施加方法和端部錨固的措施上。目前預應力的施加方法主要有：反拱法[1]、外部輔助框架張拉法[2]、直接張拉法[3]、先錨后張法[4]和溫度變化法[4]等，端部錨固措施主要有：U型箍錨固[5]、鋼板-螺栓錨固[6]、波形齒錨具錨固[7]等。按照建立預應力情況和錨固方式進行歸納，CFRP片材加固鋼筋混凝土梁發展大致可以分為以下幾個階段。

2.1普通粘貼

在CFRP復合材料對鋼筋混凝土加固技術研究的初期，直接將未經過任何張拉的CFRP片材用樹脂粘貼在梁底是最為普遍的做法，如圖1所示。

圖1　非預應力普通粘貼示意圖

國外關于這方面的試驗與研究成果非常的多，如Saadatmanesh[8]、Quantrill、Chajes等分別采用不同的操作工藝（粘貼預制FRP板、纖維布濕粘法和樹脂灌注法）對非預應力普通粘貼鋼筋混凝土加固技術進行了研究。大量的試驗與工程應用證明，非預應力普通粘貼加固鋼筋混凝土構件即使在加載破壞時，FRP片材中的應力仍然不到其極限強度的5%，因此FRP材料的強度并沒有得到很好的發揮。

為了充分發揮FRP片材高強度的優勢，國內外研究學者提出了對FRP片材先施加預應力，再粘貼到構件的表面形成加固效果的預應力普通粘貼FRP片材加固技術。該加固技術依靠混凝土與碳纖維片材之間的粘結共同工作，由于FRP片材上的拉應力需要向混凝土傳遞，因此會在樹脂層中形成剪切應力和垂直于片材板面的剝離應力，這些應力在FRP片材端部尤為突出，當突破粘結層材料的強度極限時，加固梁就會出現剝離破壞，這種破壞有可能會在FRP片材的中部，也有可能會在端部。

大量試驗和應用證明這種加固技術依然存在以下問題：（1）FRP片材的只在受拉鋼筋屈服后才能發揮作用，而此時結構或構件的撓度變形一般已經很大，因此當FRP片材用于受彎加固中時，通常只能看作是一種安全儲備，并不能在實際意義上提高構件的承載力；（2）利用該技術加固后受彎承載力與加固前構件的原有配筋量有很大關系，且FRP的強度一般不能得到充分利用。

2.2預應力U型箍錨固

為了延遲加固梁的剝離破壞，提高FRP的利用率，有研究者提出了預應力U型箍錨固方法：即在加固梁縱向一定寬度內，沿兩側梁腹表面和梁底表面連續加貼一層或者多層FRP布，將已張拉并粘貼于構件上的FRP片材壓住，達到錨固的目的，如圖2所示。

圖2　預應力U型箍錨固示意圖

U型箍加固是目前比較廣泛的一種加固措施，關于U型箍加固的試驗研究國內外也比較多，有代表性的如Swamy[9]、葉烈平[10]、楊勇新[11]、尚守平[12]、飛渭[13]等。

試驗研究表明，U型箍對FRP端部剝離破壞起到了明顯的抑制作用，但同時也存在著不足，比如荷載達到一定水平之后，U型箍有可能被剪斷，同時U型箍的內測也會與混凝土剝離開來，因此縱向的FRP片材不能有效的發揮其強度優勢。

2.3預應力鋼板-螺栓錨固

為了能改善加固梁端部粘結處混凝土局部拉剪破壞以及端部CFRP片材剝離的情況，廣州大學梅力彪、張俊平[6]等人開發出了一種鋼板-螺栓錨固體系，如圖3所示。

圖3　預應力鋼板-螺栓錨固體系示意圖

該錨固體系首先將CFRP布進行外部張拉，然后粘貼在混凝土梁上，等膠結材料固化后，再在端部安裝好鋼板錨固CFRP布。試驗表明，這種錨固方式可以有效的避免混凝土局部拉剪以及端部的剝離破壞，并且能夠有效的提高碳纖維的使用率，但這種錨固方法也存在嚴重的不足，就是該方法建立起的有效預應力比較低，同時當荷載比較大時，永久錨固鋼板并不能很好的錨固碳纖維片材而發生錨固端的粘結破壞。

H.N.Garden和L.C.Hollaway[14]也采用這種錨固方式。

2.4預應力波形齒多點錨固橫向張拉體系

重慶大學李唐寧團隊自行研發的鋼制波形齒錨具很好的解決了CFRP片材在高應力狀態下的錨固問題。同時利用波形齒兩端錨固，中間橫向施壓使CFRP片材產生縱向變形建立起了一套預應力波形齒多點錨固體系，如圖4所示。其張拉原理如圖5所示。

圖4　預應力波形齒多點錨固體系示意圖

圖5　預應力波形齒多點錨固體系張拉原理

試驗[15-18]還表明，該錨固體系能夠充分的發揮CFRP片材的抗拉能力，同時對于多層（10層以上）CFRP片材也能很好地錨固，不會出現CFRP片材拉斷前的錨固失效[19]。同時該錨固體系的能夠較大幅度地提高混凝土梁的疲勞性能[21]。

該錨固體系張拉設備簡單，現場可操作性強[19]，相對于目前加固領域中大多數加固技術在錨固效果、施工的方便性和經濟方面有不可比擬的優勢。

2.5預應力波形齒縱向張拉體系

李唐寧團隊在前期的試驗中利用波形齒錨具進行了一系列的CFRP片材的張拉試驗，如驗證波形齒錨具錨固性能的拉伸試驗、以鋼梁為臺座模擬波形齒夾具橫行張拉CFRP帶的試驗。

陳小英博士在前期試驗的基礎上，實現了利用波形齒在鋼筋混凝土梁側和梁底橫向張拉CFRP帶的加固技術[19]，試驗表明，該技術除了能夠大幅度提高鋼筋混凝土梁的開裂、屈服、極限荷載，還能夠有效地限制混凝土裂縫寬度的發展。然而該項技術也存在著一些缺陷，那就是在對CFRP板進行橫向張拉時，施加的預應力大小不易控制，不利于波形齒錨具系統的推廣。

戰衛國針對陳小英博士試驗的缺陷，對波形齒錨具、張拉材料和張拉方式進行了優化，提出了全新的基于鉸式錨固的梁底縱向張拉CFRP板體系，如圖6所示，并實現了對兩根已開裂鋼筋混凝土梁的加固。

圖6　梁底縱向張拉CFRP板體系示意圖

試驗[20]表明，該體系具有很好的錨固性能，也具有很強的可操作性，能夠在CFRP板上建立起較高的有效預應力。由于該試驗將張拉材料改為了CFRP板，因此施工周期得到進一步縮短，同時試驗將CFRP片材橫向張拉改為千斤頂縱向張拉，也有效的解決了橫向張拉預應力大小不易控制的缺陷。

基于鉸式錨固的梁底縱向張拉體系當時由于試驗條件的限制，只能在梁側鉆孔安裝螺栓形成如圖1.6所示的錨固端。在實際情況中，對于混凝土梁底鋼筋較為密集而不能進行鉆孔等操作時，可以利用該方法對梁進行加固，然而對于新澆注或者一般的鋼筋混凝土梁來說，該錨固端卻顯得有些復雜。因此李唐寧團隊對端部錨固措施進行了優化處理，如圖7所示。

圖7　端部優化后的梁底縱向張拉CFRP板體系示意圖

試驗[22]通過對一根未加固試驗梁TL0和兩根加固試驗梁TL1、TL2的抗彎性能試驗的試驗研究和理論分析，表明優化后的梁底錨固裝置是可行的，并且能夠在CFRP板上建立起比優化前更高的預應力，對混凝土梁的加固效果也更理想，但在該體系下預應力加固混凝土梁的疲勞性能還有待研究，各種理論還有待完善。

3　總結

CFRP片材預應力加固鋼筋混凝土梁的方法經過30多年的發展，從最初的普通粘貼到預應力U型箍錨固，再到預應力鋼板螺栓錨固、波形齒多點錨固橫向張拉體系和波形齒縱向張拉體系，張拉和錨固技術不斷進步，混凝土梁的加固效果也不斷提高。但各種方法各有優缺點，如表1所示，設計者需要根據實際情況擇優選用。

表1　各種方法的優缺點

[1]岳清瑞．我國碳纖維（CFRP）加固修復技術研究應用現狀與展望[J].工業建筑，2000，30（10）：23-27.

[2]趙啟林，王景全，金廣謙，等.碳纖維加固的“反拱預應力技術”及其提高鋼結構承載能力的分析[J].鋼結構，2002，17（3）：51-54.

[3]江見鯨，李杰，金偉良.高等混凝土結構理論[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：21-22.

[4]楊勇新.碳纖維布與混凝土的粘接及其預應力加固技術[R].清華大學博士后研究報告，2003.

[5]沙吾列提·拜開依，葉列平，楊勇新，等.預應力CFRP布加固鋼筋混凝土梁的施工技術[J].施工技術，2004，33（6）：23-24.

[6]梅力彪，張俊平．預應力碳纖維板加固混凝土梁的粘結錨固性能試驗研究[J]．工業建筑，2006，36（4）：15-18.

[7]卓靜，李唐寧，邢世建，等.一種錨固FRP片材的體外預應力新方法[J].土木工程學報，2007，40（1）:15-20.

[8]Char M S.Saadatmanesh H and Ehsani M R.Concrete girder externally prestressed with composite plate[J].PCI Journal，1994（5-6）.

[9]P Mukhopadhyaya，RN Swamy.Debonding of carbonfiber-reinforced polymer plate from concrete beam[J].Structures &Buildings，1999，134(4):301-317.

[10]葉列平，莊江波，沙吾列提·拜開依，等.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土T形梁的試驗研究[A].第七屆全國建筑物鑒定與加固改造學術會議論文集[C].2004.

[11]李慶偉，楊勇新，岳清瑞，等.預應力碳纖維布加固混凝土梁錨固方式試驗研究[J].工業建筑，2006（4）：9-11.

[12]尚守平，彭暉，童樺，等.預應力碳纖維布材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究[J].建筑結構，2003（5）.

[13]飛渭，江世永，彭飛飛等.預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土受彎構件試驗研究[J].四川建筑科學研究，2003.

[14]Garden H N，Hollaway L C.An experimental study of the failure modes of reinforced concrete beams strengthened with pre-stressed carbon composite plates[J].Composites Part B Engineering，1998，29（4）.

[15]卓靜，李唐寧.波形齒夾錨在碳纖維片材加固技術及預應力技術中應用研究[J].公路交通技術增刊.2005，36（7）: 100-104.

[16]卓靜，李唐寧，章慶學，等.錨固多層碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的試驗研究[J].建筑結構，2006，36（3）:25-27.

[17]卓靜，李唐寧，邢世建，等.一種錨固FRP片材的體外預應力新方法[J].土木工程學報，2007，40（1）:15-20.

[18]卓靜，李唐寧，章慶學，周密.波形齒夾具錨錨固碳纖維布加固混凝土梁試驗研究[J].建筑結構，2005，35（7）:63-66.

[19]陳小英.波形齒系統及其預拉CFRP帶體外加固混凝土T形梁抗彎性能試驗研究[D].重慶:重慶大學，2010.

[20]戰衛國.CFRP板體外預應力加固混凝土梁試驗研究分析[D].重慶：重慶大學，2011.

[21]吳金保.多點錨固預應力CFRP加固混凝土梁疲勞性能模擬分析[D].重慶：重慶大學，2014.

[22]張毅.波形齒錨具梁底預應力張拉CFRP板加固混凝土T形梁抗彎性能試驗研究[D].重慶：重慶大學，2014.

責任編輯：孫蘇

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10.3969／j.issn.1671-9107.2015.12.071

2015-10-12

張毅（1980-），男，重慶人，研究生，助理工程師，主要從事建筑結構設計工作。