基于新型預應力CFRP技術梁板柱關鍵結構研究

曹玉祥 安璐 全學友

摘?要：CFRP（碳纖維復合材）材料輕質高強，抗拉強度可達3000MPa及以上，并且具有良好的抗環境性能，而且施工操作比較簡單，近年來在土木工程梁、板、柱結構的加固中獲得了廣泛應用。普通粘貼CFRP片材不能發揮材料的抗拉強度，這不僅緣于混凝土梁的裂縫限制，也受到撓度的限制，還受到在裂縫兩側、CFRP片材兩端的高粘結剪應力導致的剝離破壞的限制。由于粘貼操作時不做卸載處理或難以進行卸載，正常使用狀態下粘貼的CFRP布并不參與受力，因此對改善結構使用性能幾乎不起作用。普通粘貼的CFRP布只有在超載條件下才會參與受力，但由于應變滯后以及彈性模量與鋼筋相當或低于鋼筋等原因，裂縫寬度限值條件下CFRP片材能發揮的應力水平一般只有材料強度標準值的1/20左右或略高。本項目提出的高效后張CFRP板預應力橋梁結構加固系統，以CFRP板為預應力加固材料，通過預張拉，使CFRP板在正常使用狀態下即處于較高應力狀態（不低于1000MPa），從而改善橋梁結構正常使用性能水平;通過預張拉，減小各種載荷條件下的粘結剪應力，降低剝離破壞風險，確保CFRP板與基體混凝土結構協同工作;在承載能力極限狀態下，能夠充分發揮材料的抗拉強度，提高材料利用率;利用CFRP板端部錨具，徹底解決CFRP材料端部剝離破壞現象，確保CFRP板加固的可靠性;通過完善錨具設計和張拉工藝設計，使CFRP板預應力加固在房屋、橋梁等梁、板、柱關鍵結構研究領域獲得廣泛應用，推動技術進步和生產力發展。新型預應力CFRP碳纖維板（CFRP）復合材料，可以使得抗震防災及工程結構安全可靠度領域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結構的系統性安全產生科學有效的保障效應。

關鍵詞：新型預應力CFRP;碳纖維復合材料;梁板柱關鍵結構研究

Abstract：CFRP（carbon fiber composite）material is lightweight，high strength，tensile strength can reach 3000MPa and above，and has good environmental performance，and the construction operation is relatively simple，in recent years in the reinforcement of civil engineering beam，slab，column structure It has been widely used.Ordinary paste CFRP sheet can not exert the tensile strength of the material，which is not only due to the crack limitation of the concrete beam，but also limited by the deflection，but also by the peeling damage caused by the high bonding shear stress on both sides of the crack and the CFRP sheet at both ends limits.Since the unloading process is not performed or it is difficult to uninstall during the pasting operation，the CFRP cloth pasted under normal use does not participate in the force，so it has little effect on improving the structural performance.Normally attached CFRP fabrics will only participate in the stress under overload conditions，but due to strain hysteresis and the elastic modulus is equal to or lower than that of steel bars，the stress level of CFRP sheets under crack width limits is generally only The material strength standard value is about 1/20 or slightly higher.The high-efficiency post-tensioned CFRP board prestressed bridge structure reinforcement system proposed in this project uses CFRP board as the prestressed reinforcement material.Through pre-tensioning，the CFRP board is in a higher stress state（not less than 1000MPa）under normal use.In order to improve the normal use performance level of the bridge structure;through pre-tensioning，reduce the bonding shear stress under various load conditions，reduce the risk of peeling damage，and ensure that the CFRP board and the base concrete structure work together;under the limit of the bearing capacity，Can fully exert the tensile strength of the material and improve the utilization rate of the material;use the end anchor of the CFRP plate to completely solve the peeling and destruction phenomenon of the end of the CFRP material to ensure the reliability of the CFRP plate reinforcement;through the perfect anchor design and tensile process design In order to make CFRP plate prestressed reinforcement widely used in the field of research on the key structures of beams，slabs and columns such as houses and bridges，and promote technological progress and productivity development.The new prestressed CFRP carbon fiber board（CFRP）composite material can make the systematic safety of a large number of important engineering structures such as houses，bridges，slopes，and underground projects in the field of earthquake resistance and disaster prevention and engineering structure safety and reliability have a scientific and effective guarantee effect.

Key words：New type prestressed CFRP;Carbon fiber composite material;Beam-slab-column key structure research

目前，普通粘貼CFRP增強工程結構強度的材料工作應力很低，通常只是抗拉強度的1/20。以CFRP（碳纖維復合材料）板作為預應力施加材料，通過預張拉，使CFRP板在正常使用狀態下即處于較高應力狀態（不低于1200MPa），提高材料自身抗拉強度的利用率達到目前狀況的10倍以上，大大提高了橋梁、框架等工程結構正常使用性能和工程壽命的延長。通過預張拉，也減小各種載荷條件下的粘結剪應力，降低剝離破壞風險，確保CFRP板與基體混凝土結構協同工作;在承載能力極限狀態下，能夠充分發揮材料的抗拉強度，提高材料利用率;利用CFRP板端部錨具，徹底解決CFRP材料端部剝離破壞現象，確保CFRP板增強工程結構強度的可靠性;通過完善錨具設計和張拉工藝設計，使預應力CFRP板在橋梁、框架等工程結構領域獲得廣泛應用，推動技術進步和生產力發展。新型預應力碳纖維板（CFRP）復合材料系統技術大大地促進了碳纖維復合材料在增強工程結構強度方面的利用領域，因此產生顯著的工程技術效益和社會經濟效益。

一、實驗要求

（一）實驗原理

對普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復合材料的梁的抗彎強度進行對比，分析新型碳纖維復合材料對鋼筋混凝土梁的強度提高情況。

（二）材料與試樣及實驗主要設備

（1）選擇日本東麗公司生產的T300型環氧樹脂基碳纖維復合板，I級板材，標準強度≥2400MPa。

（2）加載設備，拉桿、分配梁、反力鋼梁、千斤頂測力計。

（3）數字靜態電阻應變儀（DH3819）。

（4）應變釆集儀采用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH38I9應力應變測試系統，其參數如下所示：

①毎臺計算機可控制32個模塊，單模塊可測8測點.

②掃描速度：中模塊8測點/秒。

③靈敏度系數1.0～3.0自動修正。

④適用電阻：60Ω～10000Ω。

⑤應變量程：±20000με。

CMOS相機：MER-500-7UM-L型，中國大恒（集團）有限公司。

（三）實驗標準

為保證相關設計要求，本試驗測試技術要求如下：

（1）碳纖維板規格：50mm×1.4mm;

（2）單端張拉，錨下張拉控制應力.張拉力為150kN;

（3）錨下張拉控制應力為≥1500MPa。

二、實驗過程

（一）檢測點布置

試件在對于預應力碳纖維板復合材料拉伸過程中，本試件只進行水平向的靜載試驗。在挙近張拉端錨具、靠近固定端錨具的碳纖維板上，以及碳纖維板中部對應位置粘帖應變片，共使用9張應變片，應變片測點布置如圖3所示。

（二）試驗進程

張拉靜載試驗共分11級進行分級加載。

按照《碳纖維片材加固混凝土技術范程》CECS147：2007要求，碳纖維板材抗拉強度標準值2400MPa。首先，對預應力碳纖維鈾固系統進行預張拉，預張拉取抗拉強度標準值的5%（即8.4kN）。然后，采用分級張拉方式，依次為抗拉強度標準值的20%、40%、60%（上述3級張拉后持力2min，然后開始下—級張拉）。然后，張拉至1700MPa，并持力30min，以驗證是否能夠滿足設計要求。此后以100MPa為一級，即1800MPa、1900MPa、2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2400MPa（上述每級張拉后持力2min;然后開始下一級張拉，若某一級發生破壞或者達到2400MPa時，試驗終止）。試驗工況安排如上表所示。

三、結果與分析

根據應力與應變的計算公式σ=Eε：可以得到理論應力應變曲線，其中：σ為理論張拉應力，E為試件彈性模量，ε為應變理論值，根據試驗測試得到的應變值ε，可以擬合一條實測應力應變曲線，測試得到的預應力碳纖維板描固系統張拉應力應變曲線如圖4所示。根據廠家提供的碳纖維板材料《檢驗報告》，其彈性模量E取值為1.64×105MPa。

測試得到的應力應變曲線與理論值之間存在一定比例的偏差，經分析，主要山碳纖維板的彈性模星偏差造成。碳纖維板本身屬于不均勻材料，彈性模最離散性較大，隨著張拉應力的增加，碳纖維板的彈性模量也不斷變化，存在逐步增大的非線性趨勢。但總體來說，碳纖維板的實際彈性模量大于《檢驗報告》測定理論值，導致實際應變值相對偏小，采用本產品進行橋梁加固是偏于安全的。同時，碳纖維板張拉力測試值達到2400MPa時，雖然存在偏差，但仍然遠遠滿足設計提出的1700MPa的性能指標要求。

四、結論

從以上圖3的應力應變曲線中可知，當張拉應力達到1500MPa時，預應力碳纖維板夾持及錨固性能、錨固螺栓抗剪能力滿足《碳纖維片材加固混凝土技術范程》CECS147：2007要求的技術要求。CFRP預應力加固方法，施加預應力后CFRP加固效果獲得了顯著的改進，證明在實驗室條件下CFRP預應力加固方法的有效性;在實際土木工程實例中，工程梁、板、柱結構的加固效果同樣顯著，獲得了廣泛應用，經濟效果突出，社會效果顯著。

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科技計劃項目：貴陽市科技計劃項目（筑科合同[2011101]1-44號）;貴州省科技計劃項目（黔科合GY字[2011]3042號）

作者簡介：曹玉祥（1963—?），男，漢族，貴州貴陽人，碩士，高級工程師，研究方向為工程材料分析、工程結構研究與設計。全學友（1963—?），男，漢族，四川遂寧人，博士，教授，研究方向為工程結構研究及設計、工程材料研究;安璐（1965—?），男，漢族，貴州遵義人，高級工程師，研究方向為工程材料分析研究。