有粘結(jié)作用下預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉控制應(yīng)力研究

吳 丹， 晏春雨， 彭 輝， 周 義， 耿汶肼

(重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 重慶 400074)

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)是一種快速、高效的加固新方法，結(jié)合了碳纖維板材輕質(zhì)高強、預(yù)應(yīng)力主動加固的優(yōu)點，在工程加固領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力碳纖維板快速加固法，采用將碳纖維板進行張拉，然后粘結(jié)到結(jié)構(gòu)表面，形成有粘結(jié)作用的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體。有粘結(jié)作用下預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)在工程中得到廣泛應(yīng)用，其中張拉控制應(yīng)力的取值，直接影響預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固效果和安全。如果張拉控制應(yīng)力取值較低，則不能充分發(fā)揮碳纖維板工作性能，材料利用率低，且不能有效地提高被加固構(gòu)件的抗裂度和剛度；如果張拉控制應(yīng)力取值過高，不能保證混凝土構(gòu)件在破壞時具有足夠的延性和變形能力，施工過程中碳纖維板出現(xiàn)破損概率增大，容易出現(xiàn)崩絲等現(xiàn)象，增加了施工安全風(fēng)險。本文結(jié)合其受力特點、材料特性、構(gòu)件延性要求等，對有粘結(jié)作用下預(yù)應(yīng)力碳纖維板的張拉控制應(yīng)力進行了試驗研究。

1 有粘結(jié)作用下預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固原理

工藝流程：組裝碳纖維板、錨具鉆孔、植筋安裝錨固座、碳纖維板涂膠、安裝固定端錨固座、安裝張拉端錨固座、預(yù)應(yīng)力張拉、碳纖維板的頂壓粘貼[1]。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的基本原理即先對碳纖維板施加一定的預(yù)應(yīng)力，再將預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固粘結(jié)于被加固梁的受拉區(qū)。加載時，荷載對梁底產(chǎn)生拉應(yīng)力，對梁頂受壓區(qū)產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，當(dāng)荷載繼續(xù)增加，荷載對梁底產(chǎn)生的拉應(yīng)力剛好抵消預(yù)應(yīng)力碳纖維板對梁底產(chǎn)生的壓應(yīng)力，梁底混凝土應(yīng)力為零，此過程稱為消壓階段。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的承載力比普通碳纖維板加固的承載力提高值等于消壓階段的彎矩值。

2 張拉控制應(yīng)力的初步確定

2.1 上限值的初步確定

碳纖維板屬于線彈性材料，容易發(fā)生脆性破壞，其彈性模量與普通鋼材相近，抗拉強度為鋼材的8～10倍[2]，參考JTGD 62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[3]要求(表1)以及極限狀態(tài)下構(gòu)件的裂縫和撓度限值要求，建議張拉控制應(yīng)力上限值初步可取0.7ftpk。

表1 JTGD 62-2004要求取值

2.2 下限值的初步確定

碳纖維板是由碳素纖維使用樹脂浸潤硬化形成，工作時依靠全部的細小碳纖維絲的協(xié)同受力來提供抗拉力，受力性能優(yōu)于碳纖維布。根據(jù)碳纖維布常用推薦值0.4ftpk以及規(guī)范規(guī)定的預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力不宜小于0.4ftpk，建議張拉控制應(yīng)力下限值初步可取0.4ftpk。

3 試驗研究

為進一步確定預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉控制應(yīng)力取值，對預(yù)應(yīng)力碳纖維板進行張拉實驗。碳纖維材料屬于高強抗拉材料，較小的截面尺寸限制了碳纖維板的加固量與初始張拉力，與實際工程狀況有較大差距。針對現(xiàn)有研究中的不足，為盡量模擬實際加固狀況，減小尺寸效應(yīng)的影響[4]，本次實驗選用大比例混凝土梁進行試驗。

3.1 試件設(shè)計

實驗采用3根截面如圖1所示鋼筋混凝土T梁，全長7.2 m，計算跨徑6.8 m，采用雙層50 mm×2 mm的碳纖維板，其抗拉強度為2 400 MPa，彈性模量為160 GPa，錨具采用鉸式波形錨[5]。所有試件采用相同的配筋、尺寸、碳纖維板規(guī)格以及用量，3個試件張拉控制應(yīng)力分別取1 000 MPa、1 500 MPa、1 700 MPa。

加載方式為跨中兩點加載，兩點間距1.2 m，加載時逐級緩慢加載。

實驗測量方案：在受拉鋼筋跨中、梁底碳纖維板跨中以及加載點處進行應(yīng)力應(yīng)變采集；測量梁底跨中撓度，各階段鋼筋混凝土梁裂縫數(shù)量和寬度，觀察并記錄對裂縫發(fā)展方向等情況。

實驗時，先按照預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固方法，將錨具與碳纖維板進行組裝，安裝錨固座，涂抹碳纖維板膠，進行張拉。

圖1 鋼筋混凝土T梁尺寸(單位：cm)

3.2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

1#試件試驗過程描述：荷載P加到90 kN時，裂縫向上發(fā)展且梁底其他位置有新裂縫產(chǎn)生；荷載加載到320 kN時，鋼筋屈服，裂縫發(fā)展加快；繼續(xù)加載，碳纖維板表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，且裂縫向翼緣發(fā)展，新裂縫產(chǎn)生較少，主要以原有裂縫發(fā)展為主；加載到437 kN時，因?qū)嶒灹寒a(chǎn)生較大變形，裂縫發(fā)展較寬終止實驗。

2#構(gòu)件實驗現(xiàn)象描述：荷載P加載到115 kN時，構(gòu)件純彎區(qū)出現(xiàn)豎向可見裂縫；繼續(xù)加載，裂縫向上發(fā)展且寬度增加，有向加載點傾斜的斜裂縫產(chǎn)生；荷載加載到340 kN時，鋼筋屈服；繼續(xù)加載，構(gòu)件裂縫向翼緣方向發(fā)展且逐漸變寬；加載到457 kN時，碳纖維板拉斷破壞，終止實驗。

3#構(gòu)件實驗現(xiàn)象描述：加載到135 kN時，分配梁下部純彎區(qū)開裂；繼續(xù)加載，分配梁下部以及加載點與支座間的彎剪段有豎向裂縫和斜裂縫產(chǎn)生；加載到355 kN時，受拉鋼筋跨中部位屈服，裂縫和撓度較上一階段發(fā)展加快；繼續(xù)加載，梁底發(fā)出一些響聲，經(jīng)檢查，碳纖維板與裂縫較寬地方發(fā)生輕微剝離；碳纖維板表面出現(xiàn)“起皮”以及發(fā)出“崩絲”的聲音；碳纖維板發(fā)生幾次“崩絲”現(xiàn)象后碳纖維板突然斷裂，傳感器顯示荷載為452 kN。

表2列出了3個試件的破壞模式。

表2 構(gòu)件破壞模式

圖2描述了3個試件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的大小以及與張拉控制應(yīng)力間的規(guī)律：

圖3表示的是3個試件的荷載-撓度關(guān)系：

圖3 荷載—跨中撓度

通過對試驗現(xiàn)象研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)均未發(fā)現(xiàn)錨具與碳板滑移，證明了鉸式波形錨具有良好的夾持和錨固性能；

(2)張拉控制應(yīng)力的大小對構(gòu)件極限承載力影響較小；

(3)張拉控制應(yīng)力的大小對開裂荷載及屈服荷載影響較明顯，且控制應(yīng)力越大開裂荷載與屈服荷載越大；

(4)張拉控制應(yīng)力越大，碳纖維板越容易斷裂，構(gòu)件延性降低，越容易出現(xiàn)脆性破壞。

4 結(jié)論

結(jié)合實驗現(xiàn)象分析，在保證被加固構(gòu)件的抗裂度、剛度以及材料的充分利用，建議有粘結(jié)作用下雙層預(yù)應(yīng)力碳纖維板張拉控制應(yīng)力下限值取為0.4ftpk，同時為了保證結(jié)構(gòu)的延性及變形能力，考慮到加固過程的施工安全問題，碳纖維板的張拉控制應(yīng)力上限值取為0.55ftpk。