復合式預應力碳纖維板的加固試驗研究

區錫祥 朱萬旭 龐忠華

摘 要：針對現有加固方法中纖維材料的缺點，提出使用高強鋼絲與碳纖維絲制成用于加固混凝土梁的預應力復合碳纖維板。對復合預應力碳纖維板加固混凝土梁進行試驗研究，以未加固梁為參考，研究復合預應力碳纖維板與預應力碳纖維板加固混凝土梁效果的異同。試驗結果表明，復合預應力碳纖維板錨固效果達到極限應變并且能較好地提高結構變形能力。該技術將高強鋼絲與碳纖維絲在加固工程中優勢互補，形成一種性能優良、成本較低且施工便利的新型復合加固材料，可在實際工程中大力推廣使用。

關鍵詞：預應力；高強鋼絲；試驗研究；加固材料

中圖分類號：TU378 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0001-04

Abstract： In view of the shortcomings of fiber materials in the existing reinforcement methods， a prestressed composite carbon fiber slab is made of high strength steel wire and carbon fiber wire for strengthening concrete beams. Based on the experimental study of composite prestressed carbon fiber reinforced concrete beam， the effect of composite prestressed carbon fiber slab and prestressed carbon fiber slab on strengthening concrete beam is studied. The experimental results show that the anchoring effect of the composite prestressed carbon fiber slab reaches the limit strain and can improve the deformation ability of the structure. The technology complements the advantages of high strength steel wire and carbon fiber wire in strengthening project， and forms a new composite reinforcement material with good performance， low cost and convenient construction， which can be popularized and used in practical engineering.

Keywords： prestress； high strength steel wire； experimental study； reinforcement material

1 概述

將預應力碳纖維增強聚合物（簡稱CFRP）板用于橋梁加固，是最近十年出現的一項新興加固技術，因其具有耐腐蝕性強、可施加預應力、輕質且易于施工等諸多優點，廣泛應用于各種結構的維修加固工程，特別是橋梁的快速搶修加固。對預應力CFRP板加固技術各方面性能的理論和試驗研究[1～6]逐漸完善，為工程推廣應用[7～8]打下了良好基礎。然而隨著預應力CFRP板應用加固工程的增多， CFRP材料的抗沖擊性能差，施加預應力時容易突然脆斷，安全隱患大等問題暴露出來，影響其推廣應用。

崔海波[9]、鞠樹生[10]等人對碳纖維增強復合材料低能量沖擊后的剩余拉伸強度進行了研究，結果表明即使是肉眼無法觀察的沖擊損傷，也會導致材料剩余拉伸強度明顯降低。高強鋼絲具有韌性好、成本低的優點，吳剛[11]等人提出采用預應力高強鋼絲繩加固混凝土梁的新方法；丁亞紅[12～13]等人提出了采用內嵌預應力螺旋肋鋼絲加固混凝土梁的新方法；鄧滔[14]在西河大橋應用預應力鋼絲繩-聚合物砂漿加固技術，首次將預張緊鋼絲繩網片-聚合物砂漿面層加固法應用于實際加固工程中，并使該橋梁的承載能力得到明顯提高。盡管該加固法成本較低，但同樣存在著聚合物養護時間長、不適宜快速加固等缺陷；工程加固時施工質量要求高也使其在應用上受到制約。

針對以上問題，將碳纖維絲包裹著高強鋼絲，由高強鋼絲和碳纖維絲復合制成加筋碳纖維板，可較好地解決現有加固方法中存在主要缺點。用加筋碳纖維板與普通CFRP板對混凝土梁進行加固對比試驗，比較兩者在加固混凝土梁時的屈服荷載、極限承載力及破壞方式等特征因素，從而驗證加復合式纖維板是否滿足加固工程的要求。

2 復合式碳纖維板

復合式碳纖維板即在碳纖維板生產線中，使用高強鋼絲替換部分碳纖維絲，要求碳絲完全包裹鋼絲，碳纖維絲與高強鋼絲在外力的牽引下，進入模具成型并加熱固化，制成鋼絲與碳纖維復合板材。鋼絲表面預處理后，可控制鋼絲與碳纖維絲界面的粘結力，避免由于CFRP損傷，導致鋼絲在損傷處產生過大壓力集中，提前斷裂而發揮不出

韌效果。

將參入鋼絲量為7.8%的復合碳纖維板放置在自然環境下，至今沒有出現裂紋或裂痕。試制的復合式碳纖維板如圖1所示，截面白亮的小圓點即為高強鋼絲，其排列有序，碳板表面看不到鋼絲嵌入痕跡。且靜載試驗效果較好，靜載性能達到國標GB/T14370對纖維增強復合材料用錨具的錨固效率系數要求，碳纖維絲與鋼絲受力均勻，靜載試驗破斷后碳絲均勻發散如圖2所示。

3 試驗研究

3.1 試件情況

采用混凝土強度等級為C55，共6件250mm×400mm×4200mm的混凝土試件，分別進行復合式碳纖維板與常規CFRP板進行加固對比試驗，其中試件L-1為未加固梁；試件CL-0為采用CFRP板加固，但未施加預應力的梁；試件CL-2為施加預應力的CFRP板加固梁；試件ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3都是采用復合式碳纖維板施加預應力加固的梁；碳纖維板的規格均為50mm×3mm，采用同一套錨固裝置進行張拉，梁凈跨為4000mm，其中剪跨區段長為1600mm。試件尺寸如圖3所示，試件明細詳見表1。所有試件采用相同配筋，底部受拉縱筋配有2Φ20HRB335，箍筋為Φ10@120mm，受壓區配有2Φ10HPB300的架立筋。

3.2 材料性能

由于受壓鋼筋是架立筋，在計算彎矩值時不考慮其受力，只考慮受拉鋼筋，因此試驗只對受拉鋼筋進行拉伸試驗，試驗用混凝土實測強度見表2，受拉鋼筋φ20HRB335性能見表3，試驗用CFRP板50mm×3mm性能參數表4。

3.3 測點布置及加載方案

試驗加載如圖4所示，采用兩點純彎加載方式，支點間距為4000mm，加載點間距為800mm，通過分配梁，平均的將荷載施加在試驗梁上，在梁的跨中、加載點及支座處安裝布置有千分表，以記錄試驗過程中梁的撓度變化。加載方式按照現行混凝土結構試驗方法標準執行，在加載過程，畫出梁的裂縫發展圖，并記錄各裂縫出現時的荷載值、裂縫數量、寬度等變化情況，直至試件破壞。

圖4 試驗加載示意圖

4 試驗現象及結果分析

主要試驗現象與結果：

各構件在荷載作用下，均達到了極限荷載，根據試驗中實測的各試驗梁的開裂荷載和極限荷載，計算得出不同加固方式有效性，詳見表5和表6。

根據表5，6對比前三組即L-1、CL-0、CL-1數據，可以觀察到，使用普通CFRP板對混凝土構件粘結加固的L-1試件，能夠明顯提高被加固構件的開裂、屈服及極限荷載。對普通CFRP板施加預應力之后的CL-0和CL-1試件，其加固效果更為明顯。目前對普通CFRP板預加預應力加固混凝土梁的研究已相當完善，眾多專家學者已對其加固效果及影響進行研究和驗證，表5，6中CL-0和CL-1實測的數據驗證了這一結果，試驗梁的主要破壞形態如圖5、6所示。

通過表5，6可以觀察到，使用加入高強鋼絲的復合CFRP板進行加固的ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3三組試件，開裂荷載分別提高了293.3%、291.8%、291.8%，與使用普通預應力CFRP板進行加固的CL-0試件提高率291.8%基本一致，使用加高強鋼絲的復合CFRP板對混凝土梁構件的屈服荷載提高系數分別為200%、238.5%、226.5%，與普通CFRP板施加預應力后的CL-0試件提高系數218.2%也非常接近，同時使用加高強鋼絲的復合CFRP板的三組構件的極限荷載的平均值為285kN，與使用普通預應力CFRP板加固的282.4kN差別很小。

通過對混凝土梁構件加載后的性能數據對比可知，使用加入了7.8%高強鋼絲的復合CFRP板對混凝土梁構件進行加固時，其加固效果與普通預應力CFRP板的加固效果基本相同，復合CFRP板中碳纖維含量的減少及高強鋼絲的加入，并沒有改變或影響其加固功能。

5 結束語

針對加入高強鋼絲的復合CFRP板與普通預應力CFRP板的加固效果異同，設計了六組試件進行對比試驗。通過觀察試驗現象，對比分析試驗結果。得到以下結論：

加入高強鋼絲的復合CFRP板與普通預應力CFRP板在加固工程中，對被加固構件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的提高程度相同，即預應力加筋復合CFRP板與普通預應力CFRP板具有相同的加固效果。

本文對加筋碳纖維板加固混凝土梁的加固效果分析目前只獲得初步的進步，但仍需不斷探究混雜高強鋼絲的新型預應力CFRP對梁的加固補強性能。

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