自錨CFRP預應力控制及梁抗剪加固機理試驗研究

劉澍，鄭智卿，李真，周朝陽，賀學軍

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自錨CFRP預應力控制及梁抗剪加固機理試驗研究

劉澍1，鄭智卿1，李真2，周朝陽1，賀學軍1

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075;2. 中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西南寧，530023)

采用自行開發的自鎖錨具，進行17根鋼筋混凝土T梁預應力碳纖維布抗剪加固試驗以及碳纖維布預應力施加試驗，探討本錨固系統預應力損失以及纖維布應變與扭矩的關系以及不同加固方案下試件的抗剪承載力、撓度變化曲線、碳纖維布各條帶的應變分布，分析剪跨比、預載水平、預應力水平、混凝土強度等因素對構件受剪承載力的影響。研究結果表明：此錨固方法能夠有效地為碳纖維布施加預應力，能夠解決碳纖維布剝離破壞問題，大幅度提高加固梁開裂荷載和極限荷載；在一定范圍內，受剪承載力與剪跨比和混凝土強度呈正相關關系；在建議預應力范圍內，受剪承載力隨著預應力水平的提高而提高，預應力的存在克服了預載對非預應力纖維布抗剪加固的不利影響。

自鎖錨固；預應力碳纖維布；抗剪加固；受剪承載力；預應力損失

近年來，由于碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced polymer or plastic, CFRP)具有密度低、強度高、耐腐蝕、占用空間小等優點，其加固技術得到迅猛發展[1]，人們對其抗彎、抗剪、抗震、界面應力、耐久性等進行了研究[2?6]，我國也制定了相關的技術規程[7]。然而，目前的抗剪加固研究多集中在非預應力的黏貼加固方式[8]，存在著應力滯后[9]和剝離破壞[10]的問題，難以充分發揮CFRP高強的特性。封閉式黏貼加固[11?12]可以避免剝離問題，但在實際工程中操作困難，應用性較差，因此，需采取輕巧、方便的預應力張拉裝置和錨固措施。國內外學者這方面進行了一些研究工作[13?14]。本課題組自主研發出纖維布自鎖錨固技術[15]很好地解決了上述問題。其前期研究是通過應變儀控制碳纖維布張拉應力，這種方法不便于實際工程施工。為此，本文作者采用扭矩扳手通過該新型錨具對T形梁施加預應力，探究纖維布應變與扭矩的關系，提出通過扭矩控制碳纖維布張拉應力的方法，解決實際加固工程必須用應變儀控制張拉應力的問題，并進一步分析剪跨比、預載系數、預應力水平等影響因素對受剪承載力的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗主要是研究梁柱節點處梁負彎矩區預應力CFRP抗剪加固及預應力的施加方法。試驗設計17根T形截面鋼筋混凝土梁，加載時翼緣向下處于剪拉區，相當于連續梁支座負彎矩區。試驗梁共分為3組：長度=800 mm，剪跨比=1.1；長度=2 000 mm，剪跨比=2.2；長度=1 800 mm，剪跨比=3.0。試件截面寬×高均為150 mm×300 mm，翼緣寬×高為300 mm×75 mm，混凝土強度等級為C30。為保證受剪破壞先于受彎破壞，截面上部和下部分別配置了縱向鋼筋4C25和2C25，試驗段箍筋配置A6@200，配箍率=0.221%，箍筋加密區配置A8@50，試件截面尺寸及配筋見圖1，材料力學性能見表1。

(a) 橫斷面圖；(b) 剪跨比為1.1的縱斷面；(c) 剪跨比為2.2的縱斷面；(d) 剪跨比為3.0的縱斷面

表1 材料性能

1.2 加固方案

試驗采用課題組研發的自鎖錨固試驗裝置，進行體外無黏結穿翼U形碳纖維條帶預應力抗剪加固，條帶數為2層，條帶寬25 mm，間距為100 mm，具體加固方案見表2。加固步驟為：在碳布上均勻涂抹浸漬膠，以保證碳布的整體性；然后，通過自鎖繞法將碳布穿過錨具后固定在梁上，活節螺母松開，碳纖維布不受力，待浸漬膠干后對梁施加預載；通過調節梁下穿翼活節螺母的松緊程度對碳布施加預應力，試驗梁1~16通過應變采集儀控制預應力，對試驗梁17采用扭矩扳手讀數控制應力的方法。通過應變采集儀驗證數據的有效性。

1.3 加載方案

試驗梁1~16采用500 t試驗機加載。荷載由壓力傳感器控制，分級加載，每級10 kN，達到理論開裂或極限荷載時，每級5 kN進行加載，每級加載持荷5 min。在加載過程中實時觀測碳布應變、裂縫的發展，等百分表穩定后采集數據、讀取跨中撓度和支座位移，進行下一級加載，加載直至試件破壞無法繼續持載為止。其中對于剪跨比為2.2的試件，為了節約材料，采用一梁兩用的方案，通過調整支座位置使2個試驗段共用1個箍筋加密區，加密區抗剪承載力比非加密區加固后試驗段的大。測點布置及加載方案如圖2所示。

表2 試驗梁參數

注：對于T30λ2.2Y0.5Y3，T表示T形截面梁，T下標字母30表示混凝土強度為C30，λ2.2表示剪跨比為2.2，Y0.5表示預載系數為0.5，Y3表示碳纖維布預應變為3 000。其余試樣含義類同。預載系數為試件加固前預加荷載與相同非加固對比試件承載力的比值。

(a) 橫斷面加固圖；(b) 剪跨比1.1；(c) 剪跨比2.2；(d) 剪跨比3.0

1.4 纖維布應變與扭矩的關系方案

為了克服實際采用應變儀控制張拉應力的不便，探究纖維布應變與扭矩的關系，提出更加易于操作的預應力施加方法，采用上海儒法精密機械有限公司生產的津源牌數顯式扭矩扳手MDS?100(精度為1%，見圖3)對試件T30λ2.2Y0Y碳纖維布施加預應力，左右兩邊依次輪流施加預應力，F1扭矩每次增加4 N·m，后面條帶預應變較小，扭矩改為每次增加2 N·m。實驗共6根條帶，碳纖維布應變測點布置如圖4所示，各條帶最終平均預應變如表3所示。

圖3 數顯式扭矩扳手

單位：mm

表3 各條帶最終平均預應變

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

試驗結果如表4所示。從表4可見：進行碳纖維布加固后，試件的極限承載力都有了較大提高。

表4 試驗結果

注：破壞形態“S”代表剪壓破壞；“R”代表碳纖維布拉斷破壞；“X”代表支座破壞。

2.2 纖維布應變與扭矩的關系

將試件T30λ2.2Y0Y兩側應變取平均值后，所得到得纖維布應變與扭矩的關系如圖5所示。從圖5可見：碳纖維布F1應變為10 000即極限拉應變為66.67%時，轉角處有少量混凝土被壓碎的跡象，但碳纖維依舊完好，其他各條碳纖維布工作良好，碳纖維布應變與扭矩基本上呈線性增大關系。將條帶F1~F6上測得的應變與扭矩的關系數據線性擬合后得

式中：為預應變；為施加的扭矩(N·m)。頂部與側部纖維布應變對比如圖6所示。從圖6可見：碳纖維布上應力通過轉角后有明顯損失，損失隨著應力的增大而增大。雖然抗剪承載力的提高主要由側部碳纖維布確定，但是轉角損失不易控制，影響張拉應力的控制。

圖5 纖維布應變與扭矩的關系

Fig. 5 Relationship between strain and torque

1—頂部碳纖維布應變平均值；2—側邊碳纖維布應變平均值。

2.3 撓度變化曲線

試驗梁荷載?跨中撓度曲線如圖7所示。由圖7(a)可知預載水平對梁的剛度影響較小。由圖7(b)可知：裂縫出現后，未加固梁剛度降低，加固梁良好地保持原有剛度，但不同預應力水平的加固梁剛度差別不大。由圖7(c)和圖7(d)可知：剪跨比為1.1的試件剛度很大，試件荷載撓度曲線近似為直線，破壞突然，沒有征兆；對于剪跨比為3.0的試件，未加固對比梁在混凝土開裂后剛度出現明顯退化，隨后不斷降低直至剪壓破壞。從圖7(e)和圖7(f)可知：加固梁剛度的提高幅度隨著混凝土強度的增大而降低，而且混凝土C15加固試件相對于對于混凝土C30和C50試件而言，前期剛度有明顯提高，說明當碳纖維布加固混凝土強度較小的試件時，剛度提高更明顯。

(a) 不同預載水平影響(λ=2.2)；(b) 預載0.25時不同預應力水平影響(λ=2.2)；(c) 剪跨比為1.1的對比試件；(d) 剪跨比為3.0的對比試件；(e) 不同混凝土強度(λ=2.2)；(f) 不同混凝土強度(λ=3.0)

2.4 碳纖維布應變分布

部分試件碳纖維布應變分布如圖8所示，其他試驗梁應變分布規律類似。從圖8可見：碳纖維布應變分布不均勻，主要呈現中部應變大、兩端應變小的規律；對于剪跨比為2.2的試件，應變分布近似于二次拋物線，條帶F3上應變達到最大值，說明該條帶對限制裂縫寬度起到關鍵作用。對于剪跨比為3.0的試件，試件T30λ3.0Y0.50Y3上應變分布呈二次拋物線，但比剪跨比為2.2的試件應變分布更平緩；試件T50λ3.0Y0.50Y3中間條帶F3~ F6上應變都較大，分布無固定規律。說明在剪跨比較大時，中間碳纖維布應變不均勻，差異較大。

(a) 試件T15λ2.2Y0Y3；(b) 試件T30λ2.2Y0.25Y3；(c) 試件T30λ3.0Y0.50Y3；(d) 試件T50λ3.0Y0.50Y3

3 抗剪加固效果影響因素分析

3.1 剪跨比

剪跨比是影響混凝土梁破壞形態的主要因素，與斜裂縫的傾角有直接關系。當預載系數為0.50，預應變為3 000時，3個不同剪跨比加固試件的承載力提高程度如圖9所示。從圖9可見：對于小剪跨比為1.1的試件，試件最后發生斜壓破壞，條帶沒有斷裂且應變較小，裂縫角度較大并超過45°，不利于CFRP條帶發揮材料特性，加固效果不佳；對于剪跨比為2.2和3.0的試件，裂縫傾斜角度變小，CFRP與裂縫之間的夾角變大，該夾角隨著剪跨比的增大而增大，直至接近垂直，CFRP受力更接近于軸心受拉，有利于碳纖維高強性能的發揮。

圖9 剪跨比與承載力提高程度關系

3.2 預載水平

實際工程加固一般無法卸載或者只能部分卸載，結構內部存在初始應力，為了更好地吻合工程實際結果，試驗先對試件施加預載[16?17]。試件T30λ2.2Y0.5Y3，T30λ3.0Y0.50Y3和T50λ3.0Y0.50Y3出現開裂現象。當剪跨比為2.2時，在不同預應變情況下，預載系數和承載力的關系如圖10所示。從圖10可見：對于非預應力加固試件，隨著預載水平增加，試件的抗剪承載力明顯降低；對于預應變為3 000的試件，隨著預載水平提高，承載力略有上升，該試件箍筋應變較大，說明箍筋在屈服后強化階段變形更充分；對于預應變為 5 000的試件，隨著預載提高，承載力略降低，表明預應力的施加有效減小了預載對原梁的損傷，合適的預應力預載組合方式可以使箍筋和碳纖維布都能充分發揮其性能。

預應變：1—0; 2—3 000με; 3—5 000με。

3.3 預應力水平

預應力抗剪加固可以有效克服碳纖維布應力滯后的問題。預應變與開裂荷載、極限荷載的關系如圖11所示(試件T30λ2.2Y0.5Y3在加固前已經開裂，沒有標出其開裂荷載)。從圖11可以看出：相對于非預應力加固試件，預應力加固試件的開裂荷載、極限荷載都有一定提高。據文獻[17]，碳纖維布的建議預應力取值范圍為(0.2~0.3)cfk(其中cfk為碳纖維布的極限拉應力)。

3.4 混凝土強度

研究表明，對于非預應力黏貼加固，黏結膠的剪切強度大于混凝土的抗拉強度，因此，混凝土強度越高，FRP越不易受剪剝落，加固效果越好。進行自鎖預應力抗剪加固時，混凝土強度對抗剪承載力的影響如圖12所示。從圖12可見：加固效果與混凝土強度并不呈正比關系，當混凝土強度為C30時加固效果最佳；試件T15λ2.2Y0Y3開裂荷載和承載力分別提高93%和53%，由于試件支座與翼緣相交處發生應力集中混凝土被壓碎而造成支座破壞，碳纖維布的利用率較低，承載力提高有限；T50λ3.0Y0.50Y3利用率相對于未加固對比梁提高55%，但相對于T30λ3.0Y0.50Y3并沒有明顯提高；C50試件破壞時的裂縫角度比C30試件的大，且碳布應變比C30試件的小。這一方面應該是加固施工過程中C50試件孔位誤差造成CFRP應力集中，致使試件過早被破壞；另一方面也說明加固效果不隨混凝土強度的提高而增強，對高強混凝土梁抗剪承載力的提高幅度有限。

1—λ=2.2未加固梁；2—λ=2.2加固梁；3—λ=3.0未加固梁；4—λ=3.0加固梁。

4 預應力損失分析

本文主要探討通過扭矩扳手控制碳纖維布應力，解決只能通過應變測量系統控制碳纖維布應力的弊端。此張拉設備的短期預應力損失(暫不考慮長期損失)主要包括：錨固變形及碳纖維布回縮引起的損失；摩擦引起的損失；浸漬膠的作用引起的損失。

4.1 錨具變形引起的損失

錨具變形引起的損失，主要依據相應的設計規范，計算式為

由于錨具變形損失與扭矩無關，根據實驗擬合公式碳纖維布應變，195.64為錨具變形引起的損失，代入式(2)得=0.12 mm。以上說明由錨具變形引起的損失很小，可以忽略不計，證明了錨具的有效性。

4.2 摩擦損失

摩擦損失是本錨固系統的一項主要損失。系統摩擦力包括：施加扭矩時螺栓與螺桿的摩擦力1(見式(8))；螺母和與支承面間的端面摩擦2(見式(9))；轉角處摩擦力3；螺栓桿與混凝土摩擦力4。

1和2通過功的互等原理考慮，3和4計算簡圖如圖13所示，可得：

(4)

(5)

式中：z為轉角處摩擦因數；sc為螺桿與碳纖維布的摩擦因數；3為轉角處轉角圓鋼對碳布的支撐力；4為側壁對碳布的支撐力；f為碳纖維布截面面積；為碳纖維布應力。

圖13 摩擦力計算示意圖

Fig. 13 Calculation diagramof frictional force

5 纖維布應變與扭矩的理論關系

根據功的互等原理，扳手對錨具做功等于碳布和錨具抵抗外力做的功，假設不考慮摩擦，由于張拉2層碳纖維布，當螺栓旋進1個螺距時，建立如下方程：

式中：T為扭矩扳手讀數；為螺桿的螺距。進一步考慮螺栓擰緊過程中發生的摩擦作用，在螺栓各擰緊1周時，因摩擦作用額外作功為：

(8)

(10)

(12)

式中：為螺桿的半徑；s為鋼材之間的摩擦因素。

由于4計算值較小，浸漬膠的作用不易計算，故結合其他影響因素提出放大修正系數，有

則碳纖維布應力為

(14)

表5 碳纖維布應變理論值與試驗值對比結果

6 結論

1) 研究了碳纖維布應變和扭矩的關系，提出了應用于此錨固系統的關系式。能夠通過扭矩預測碳纖維布應變，為實際工程必須通過應變儀控制預應力的問題提供了新的更加簡單的解決方案。

2) 分析了本錨固系統的短期預應力損失分析和錨具變形引起的損失和摩擦損失，為試驗結果提供了理論依據，驗證了此錨具系統的有效性。

3) 自錨CFRP預應力抗剪加固在剪跨比大于2時加固效果好于剪跨比小于2時的加固效果，預載加固時，CFRP條帶上的預應力水平對加固效果有影響，合理的預應力范圍為(0.2~0.3)cfk；抗剪加固效果不隨混凝土強度的提高呈線性增加，強度等級試件提高率較小。

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(編輯 陳燦華)

Experimental research on prestress control and reinforcement mechanism of T-beams shear-strengthened with prestressed CFRP laminates

LIU Shu1, ZHENG Zhiqing1, LI Zhen2, ZHOU Chaoyang1, HE Xuejun1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Guangxi Electric Power Design & Research Institute Co. Ltd. of China Energy Engineering Group, Nanning 530023, China)

Using an innovative anchorage system, experiments were carried out on 17 RC T-beams shear-strengthened with self-anchored prestressed CFRP laminates. The prestressing losses and the numerical relationship between the strain of CFRP and torque were studied. The shear capacity, load-displacement curves and strain distribution of FRP traps in different reinforcement schemes were studied. The influence factors, i.e., shear span ratio, prestressing level, preloading level and concrete strength on shear resistance were examined in the experimental investigation. The results show that the use of this anchorage system can avoid debonding failure, and significantly improve the cracking and ultimate load capacity so that the tensile capacity of CFRP can be fully employed. The shear capacity is positively correlated to shear span ratio and concrete strength within a certain range. In the range of recommended prestressing level, shear capacity increases with the improvement of prestressing level. The existence of the prestressed CFRP traps compensates for the negative effect brings by preloading.

self-anchor; prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP); shear-strengthened; shear capacity; prestress loss

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.034

TU375.1；TU746.3

A

1672?7207(2016)11?3873?11

2015?12?10；

2016?02?06

湖南省自然科學基金重點資助項目(13JJ2005)；國家自然科學基金資助項目(51378507)；中南大學教師研究基金資助項目(2013JSJJ019) (Project(13JJ2005) supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51378507) supported by the Natural National Science Foundation of China; Project(2013JSJJ019) supported by the Teacher Research Foundation of Central South University)

劉澍，博士研究生，副教授，從事混凝土結構理論和結構加固研究；E-mail: liushu@mail.csu.edu.cn