碳纖維布預應力施加設備研究與應用*

高華國， 趙　暢， 徐　凌， 宇　翔

(遼寧科技大學 土木工程學院， 遼寧 鞍山 114051)

碳纖維布預應力施加設備研究與應用*

高華國， 趙暢， 徐凌， 宇翔

(遼寧科技大學 土木工程學院， 遼寧 鞍山 114051)

為了使碳纖維布的高強性能得以充分發揮，使其更加高效地應用于加固領域中，通過與現有碳纖維布預應力施加方式和張拉設備進行對比，提出了一套新型的適用于試驗室用的碳纖維布預應力施加設備，并利用該設備進行了預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的試驗研究.結果表明，預應力碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁比普通碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁在承載力等方面均有顯著提高，該設備加固效果較好，可進一步深入研究并應用于實際工程中.

碳纖維布； 預應力施加設備； 加固； 承載力； 鋼筋混凝土梁； 粘貼； 屈服荷載； 極限荷載

人們對建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求隨著社會總體的飛速發展而不斷增強[1]，同時，建筑物在使用過程中由于火災、地震等不可抗力對其結構部分的損壞以及承載力方面的影響或設計與施工缺陷造成的質量隱患等，需對建筑物進行加固補強處理[2]，使這些結構在各方面得到保障，繼續發揮其原有作用.

近年來，國內外掀起了纖維類材料的研究潮流[3-5].多種纖維類材料隨著材料技術的發展應運而生.在現有的研究成果中，碳纖維材料是目前應用于土木工程領域時間最久、用量最大、應用范圍最廣的一種高科技材料.相比于原有的加固方法，碳纖維加固技術具有明顯的技術優勢，它具有高強高效、耐腐蝕性及耐久性好、不增加構件的自重及體積、適用面廣和便于施工等諸多優點，因此，對碳纖維布加固技術進行研究具有重要的實際意義和應用價值.但是隨著理論研究的深入和實際工程的應用，碳纖維布存在的問題也逐漸顯現出來.

1) 碳纖維布的高強性能無法充分發揮[6]，結構的變形和裂縫的發展難以得到有效抑制，加固效率不高；

2) 對構件在正常使用階段時的開裂荷載和最大裂縫寬度的改善程度不明顯.

上述問題限制了碳纖維布在加固補強建筑這一方面的進步，經過大量的研究發現，若對碳纖維布施加預應力之后再對結構進行加固[7]，則加固效果可大大改善.預應力碳纖維布的應用，既可以約束混凝土裂縫的過早出現，使構件撓度和裂縫寬度得到限制，結構的開裂荷載和早期剛度得到一定的提高，又可以避免由應力集中引起的碳纖維布與混凝土發生剝離的現象.

1　國內外研究現狀

1.1國內相關領域研究現狀

1) 反拱技術.首先在梁底將纖維布粘貼牢固，然后讓千斤頂作用在梁底部跨中位置，這樣跨中位置就會產生反拱，待粘貼纖維布的建筑用膠達到一定強度后，將千斤頂撤離，此時纖維布在梁底恢復自身重量及彈性的過程中就會被拉伸，因此，整個結構處于預應力狀態，施工工藝圖如圖1所示.

圖1　反拱技術施工工藝圖

2) 利用張拉設備直接張拉.利用張拉設備對碳纖維布進行張拉，將持荷狀態下的碳纖維布粘貼到梁底，待環氧樹脂達到一定強度后，再將預應力釋放，同時做好端部錨固，預應力施工過程如圖2所示.

3) 施加預應力.通過碳纖維布與混凝土梁之間的相互作用對碳纖維布施加預應力，如圖3所示.該裝置的工作原理為，通過滾軸使預施加應力的碳纖維布形成一條回路，使手扳葫蘆和力傳感器分別與碳纖維布的兩個自由端相連，再利用手扳葫蘆將碳纖維布收緊，從而對其施加預應力.

圖2　張拉設備預應力施工圖

圖3　手扳葫蘆施工工藝圖

4) 有關人員設計了一套能夠巧妙利用構件梁和板等支座作為張拉端的反力點[8]，從而實現預應力施加的張拉裝置，如圖4所示.該方法原理是在支座與被粘貼面水平等高處打通孔，將用于連接夾具的鋼筋穿入其中，以支座背面作為反力支座，通過千斤頂對鋼筋進行牽拉，進而通過夾具完成對碳纖維布預應力的施加.該裝置中，錨固部分采用“U型箍”的形式來完成，夾具部分采用簡單易行的鋼板粘貼.該裝置突出特點是首次采用了壓力傳感器，能夠有效地控制力的大小.另外，馬凳的應用使得液壓千斤頂和簡易機械千斤頂等應力設備在張拉完成后不受放張時限的限制，可以連續工作.但是，該裝置的局限性也恰恰表現在對支座的利用上，在支座上打通孔這一點限制了該裝置只適用于支座厚度較小的情況.同時，對支座與粘貼面相對水平的精確性要求，以及夾具的穩定性等方面均表明該裝置需進一步完善.

1.2國外相關領域研究現狀

WooSK[9]等人對不同預應力水平的碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的效果進行了研究對比和分析，試驗過程中未施加預應力的碳纖維布加固后的梁發生破壞時，碳纖維布與試件發生了剝離破壞，而施加了預應力的碳纖維布加固后的梁發生破壞時，碳纖維布被拉斷.結果表明，碳纖維布在施加預應力之后，其高強度能夠得到充分利用.

圖4　張拉裝置示意圖

SakarG[10]等人自制了對碳纖維布施加預應力的簡易試驗設備，并利用施加預應力后的碳纖維布來加固鋼筋混凝土梁，通過彎曲破壞性試驗發現試件的極限強度和抗彎性能都有了顯著提高，說明碳纖維布被施加預應力后其高強性能得到充分發揮.NetoP[11]等人利用數值模擬對預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的試驗結果進行了分析與對比，模擬是采用離散型裂縫的方法進行建模的，同時利用非迭代順序線性方法以避免收斂等問題的產生，最終數值模擬的結果與試驗結果比較吻合.WightRG[12]等人通過試驗發現利用預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在承載力方面有較大幅度的提高，其原因在于碳纖維布施加預應力之后可以有效地抑制裂縫的出現，改變構件內力，對提高鋼筋混凝土梁的耐久性起到了重要作用.

2　預應力施加設備

本文針對目前預應力施加方式存在的不足，經過反復實踐及研究，提出了一種適用于試驗室并針對中、小跨度梁和板加固情況的預應力施加設備.基于碳纖維布預應力施加的方式具有特殊性，因此，施工設備應該具有以下性能：

1) 可以有效地張拉碳纖維布；

2) 為了保證碳纖維布在承受較大外力時不會因應力不均勻而過早被拉斷，錨固裝置以及設備本身應該具有較大的剛度；

3) 足夠輕便以便于運輸和安裝.

經反復研究和試驗，本文所提出的試驗裝置具備以上全部性能，其結構為兩塊截面為600mm×200mm、厚度為10mm的鋼板，A14螺絲桿4根，直徑為14mm的螺母和直徑為15mm的墊片各8個，一塊截面為120mm×80mm、厚度為10mm的墊板，直徑為10mm、截面為280mm×240mm的鐵箍1個，拉力計1個，A20的花籃螺絲1個，長為110mm、截面為A15的圓管2個(套在下部兩根螺絲桿上，以免碳纖維布繞過時被不平整的螺紋損壞)，截面為180mm×120mm、厚度為5mm的加固板2個，其中一塊加固板與花籃螺絲的一端焊接在一起，花籃螺絲的另一端與拉力計連接在一起用來直接讀出所加預應拉力的大小.設備各部分名稱及連接方式如圖5所示.

圖5　預應力施加設備各部分連接圖

3　預應力碳纖維布加固施工方法

1) 施工準備[13].將裁剪好的碳纖維布(在梁底粘貼的碳纖維布和U形箍碳纖維布)、建筑膠、量筒、攪拌筒、丙酮(或酒精)、毛刷、滾筒和預應力施加設備等材料及工具準備好.

2) 表面處理.對被粘貼部位的混凝土表面用角磨機進行打磨，除去表面雜質，直至完全露出新的混凝土界面.

3) 清理表面.在粘貼碳纖維布之前，用丙酮將梁的底部、梁的表面需要粘貼抗剪U形箍的位置和碳纖維布洗刷干凈，以防止兩者被污染，影響粘貼質量.

4) 碳纖維布粘貼.用量筒按一定比例分別量取兩種建筑用膠，并在攪拌筒中攪拌均勻，均勻涂抹于梁表面所要粘貼的位置，并在規定的使用時間內迅速將按梁底部尺寸裁剪好的碳纖維布一端粘貼到梁底部的另一端，將裁剪好的U形箍粘貼在梁的另一側受剪處，粘貼碳纖維布時，用滾筒沿碳纖維布受力方向多次滾壓擠出氣泡，使得碳纖維布與構件表面緊密粘貼，同時使粘接劑充分滲入纖維之間的縫隙內.

5) 連接裝置.將4根A14螺絲桿分別穿入鋼板上相應的螺栓孔中，將兩塊鋼板連接起來并固定在構件的一端，形成一個定滑輪系統，使碳纖維布緊密貼合在構件上，將碳纖維布的另一端穿過未與花籃螺絲焊接在一起的加固板上的橢圓形孔洞，并依次將墊板和與花籃螺絲焊接在一起的另一塊加固板在上面緊密壓實，最后用螺栓固定.花籃螺絲的另一端與拉力計連接在一起，拉力計的另一端固定在預先套在支座上的鐵箍上，通過撬棍對花籃螺絲加力，利用拉力計直接讀出力的大小.

6) 碳纖維布的固定.24h后，將裝置取下，對施加了預應力的碳纖維布按步驟4)所述的方法完全粘貼在試驗梁的底部.各部分構件及組裝工作圖如圖6所示.

圖6　各部分構件及組裝工作圖

4　施加預應力試驗

4.1試驗概況

4.1.1試件

應用該自制設備進行預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗，其方案可描述為：設計制作了4根試件，均為普通鋼筋混凝土梁，梁截面尺寸為120mm×240mm，梁長為2 100mm，架立筋均為2φ8一級圓鋼，縱向受拉鋼筋為4φ12二級螺紋鋼，箍筋為φ6@100，混凝土強度等級設計為C30，保護層厚度為25mm.鋼筋混凝土梁的幾何尺寸及配筋情況如圖7所示(單位：mm).

圖7　梁截面尺寸及配筋圖

4.1.2試件加固情況及材料性能指標

各試件加固情況見表1[14].

表1　加固方案

試驗所用碳纖維布厚度為0.167mm，抗拉強度不小于3 400MPa，延伸率為1.9%，彈性模量為2.4×105MPa；粘貼碳纖維布采用的建筑用膠抗拉強度為40MPa.

4.2試驗結果分析

4.2.1構件正截面承載力結果分析

試驗中，SYL-1梁發生彎曲破壞；SYL-2梁發生碳纖維布剝離破壞；SYL-3梁跨中底部碳纖維布被拉斷，如圖8所示；SYL-4梁受壓區混凝土被壓壞，未發生碳纖維布剝離破壞.

圖8　跨中拉斷的碳纖維布

試驗表明，粘貼普通碳纖維布的構件SYL-2和未粘貼碳纖維布的構件SYL-1相比，屈服荷載提高了33%，極限荷載提高了41%；粘貼預應力碳纖維布的構件SYL-3和粘貼普通碳纖維布的構件SYL-2相比，屈服荷載提高了35%，極限荷載提高了49%；預應力施加值較大的構件SYL-4和預應力施加值較小的構件SYL-3相比，屈服荷載提高了8%，極限荷載提高了8%，具體數據如表2所示.

表2　承載力試驗結果

由圖9可知，在加載初期，4根試驗梁的跨中

撓度相差不大，當荷載逐漸增大時，未粘貼碳纖維布的構件SYL-1跨中撓度增加最快，而粘貼普通碳纖維布的構件SYL-2以及粘貼預應力碳纖維布的構件SYL-3、SYL-4，跨中撓度增加則相對緩慢.試件SYL-1的跨中撓度是SYL-2的1.16倍，試件SYL-2的跨中撓度是SYL-3的1.32倍，試件SYL-3的跨中撓度是SYL-4的1.36倍.可見，預應力碳纖維布對鋼筋混凝土結構的加固效果遠遠好于普通碳纖維布的加固效果，同時可以看出，該碳纖維布預應力施加設備的作用效果十分顯著.

表3　荷載撓度試驗結果

圖9　荷載撓度試驗結果對比曲線

5　結　論

通過對預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力試驗的研究結果進行對比分析，得出以下結論：

1) 在承載力方面，用碳纖維布加固的試驗梁要比未加固的試驗梁的承載力有顯著提高，只是預應力碳纖維布的加固效果更明顯.

2) 鋼筋混凝土梁在經過碳纖維布及預應力碳纖維布加固后，跨中撓度得到了有效控制，結構的延性也有了很大程度的提高.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

ResearchandapplicationofCFRPprestressedequipment

GAOHua-guo,ZHAOChang,XULing,YUXiang

(SchoolofCivilEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,China)

Inordertofullyexplorethehigh-strengthpropertiesofcarbonfiberreinforcedpolymerCFRPandmakeitbeefficientlyappliedinthereinforcementfield,anewCFRPprestressedequipmentsuitableforthelaboratoryusagewasdesignedthroughthecomparisonwiththeexistingCFRPprestressapplyingwaysandtensioningequipment.Inaddition,theexperimentalresearchonthereinforcedconcretebeamsstrengthenedwithprestressedCFRPwasconductedwiththedesignedequipment.TheresultsshowthatthereinforcedconcretebeamstrengthenedwithprestressedCFRPgetssignificantlyimprovedinsuchaspectsasthebearingcapacitycomparedwiththatstrengthenedwithordinaryCFRP.Thedesignedequipmenthasgoodreinforcementeffect,andcanbefurtherstudiedandappliedtothepracticalengineering.

carbonfiberreinforcedpolymer(CFRP);prestressedequipment;reinforcement;bearingcapacity;reinforcedconcretebeam;bonding;yieldload;ultimateload

2015-07-10.

國家科技支撐計劃項目(2012BAJ11B02-11).

高華國(1979-)，男，山東青島人，副教授，主要從事鋼結構設計理論、結構加固與檢測理論等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.19

TU37

A

1000-1646(2016)03-0344-06

*本文已于2015-12-07 16∶16在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1616.008.html