預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置設計與性能分析★

董 嘯 蔣 慧 李金虎 楊曉慧 王楊玚

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院，廣西 桂林 541004)

1 研究背景

伴隨時間的推移，大量的工民用建筑、交通橋梁等工程結構的混凝土梁由于材料老化、環境侵蝕、結構功能發生改變而使受荷變化，或者戰爭、火災、臺風、地震、洪水等自然災害以及設計失誤、施工不當等人為因素的發生而導致構件承載力不足或產生開裂等情況時有發生，因此對其加固修復十分必要[1]。在混凝土梁加固修復中，將CFRP帶直接粘結在梁結構下表面以達到與梁共同受力[2]從而達到加固修復目的的方式極為普遍，但其存在明顯的不足：CFRP帶只有在完全拉緊繃直情況下才能夠發揮其抗拉的作用，CFRP帶與梁結構表面的直接粘結并不能讓CFRP帶長期處于繃直狀態[3]，且兩者不能長時間維持牢固結合的狀態，一旦發生松弛，碳纖維帶兩端更易發生剝離，其承擔的拉力將會迅速降低從而不能發揮出CFRP帶的全部性能，對材料自身造成了浪費。

本結構設計將CFRP布的兩端牢牢固定于梁底部，并且利用施加預應力的方式來提高其強度的利用率。考慮到錨具在常規生產應用等受到嚴重限制問題，結合加工過程進行簡化設計，降低了加工難度并且較節省鋼材，現場施工難度較低，可用人工或小型機械進行預應力施加，解決了傳統錨具的弊端。

2 預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置

2.1 結構設計

預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置由錨固組件和張拉組件構成[4,5]。

錨固組件包括插塊和錨固塊。插塊上設有與碳纖維帶寬度匹配的穿孔，用于固定碳纖維帶。錨固塊上設有與混凝土梁連接的螺紋孔和與插塊相匹配的通槽，使用時插塊插接于通槽內。

張拉組件包括上下兩個可拆卸連接的預應力板。背離錨固組件側開設可供活動桿置入的開口，活動桿兩端可滑動連接于開口兩側的滑槽中?；顒訔U兩端設有防止活動桿軸向移動的定位凸臺，張拉組件和活動桿對應開設垂直于活動桿軸間方向的螺紋安裝孔。螺紋安裝孔開設于定位凸臺上，螺桿穿過螺紋旋轉孔連接活動桿與預應力板。

2.2 安裝流程

預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置如圖1所示。在安裝時，將一條碳纖維帶從中部對疊，分為碳纖維帶上端和下端。

碳纖維帶下端從張拉組件中的下部預應力板左側進入，由上往下繞過活動桿右側，由下往上穿過穿孔Ⅲ，接著穿過預應力板和桿之間的孔洞，由下往上繞過活動桿右側回到頂應力板左側，拉緊疊合，碳纖維帶下端即可越拉越緊，達到自鎖于裝置內的效果，實現良好的固定。

碳纖維帶上端從上部張拉組件的預應力板左側進入，由下往上繞過活動桿右側，由上往下穿過穿孔Ⅲ，接著穿過預應力板與桿之間的孔洞，由上往下繞過活動桿右側回到預應力板左側，拉緊疊合，碳纖維帶上端即可越拉越緊，達到自鎖于裝置內的效果，實現良好的固定。

將碳纖維帶中部對折端從錨固塊的通槽穿過，從插塊的右側進入，由下往上穿過穿孔Ⅰ，由上往下穿過穿孔Ⅱ，繞過插塊右側后由上往下穿過穿孔Ⅱ，由下往上穿過穿孔Ⅰ，從插塊左側上方拉到插塊的右側上方穿出錨固塊的通槽，將插塊插入錨固塊的通槽，拉緊疊合。

2.3 預應力施加

通過螺栓將錨固組件和張拉組件固定于混凝土梁底面，轉動活動桿左側螺母向右運動，活動桿同時向右運動進行預應力施加。

3 預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置力學性能實驗

3.1 拉伸試驗

將預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置豎直放入拉伸試驗機中進行拉伸試驗。 試驗結果如表1所示，預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置中的CFRP布破壞均發生在沿寬度方向邊緣，在開縫錨板和楔形夾具中的CFRP布均完好，錨固裝置可靠性較高。

表1 裝置拉伸試驗結果

3.2 受彎力學性能試驗

將試驗梁放置于靜力試驗臺座上并布置荷載傳感器與位移傳感器[6]，預應力CFRP帶加固混凝土梁裝置錨固在鋼筋混凝土梁下部，使用千斤頂分級加載，直至破壞，記錄傳感器讀數(見表2)。

表2 裝置受彎試驗結果

對于試驗②與試驗③，當荷載分別增加到13.2 kN和20.5 kN時，開始出現第一條豎向裂縫，初裂荷載與試驗①比較，分別提高了21.1%和88.1%，在荷載繼續增加過程中，裂縫數量增加、原裂縫變寬并向上部延伸，當荷載達到21.1 kN和28.7 kN時，發生剝離和斷裂，對比梁的極限荷載增加了9.9%和36.0%，由此可見，利用碳纖維帶加固梁可提升梁的承載力，也能相應增加梁的剛度。

4 結語

該裝置具有錨固能力強、體積輕巧、預應力施加方便、操作簡單、易于加工等諸多優點，能應用于多種構件的加固[7]，有廣泛的實用性和適用性。錨固組件與張拉組件能夠完全避免CFRP粘貼片材與鋼筋混凝土梁等構件發生脆性剝離，使構件破壞形態由粘結與混凝土表面的CFRP布剝離，變成CFRP布被拉斷破壞，能充分發揮CFRP布材料的抗拉性能，保證構件持續有效的處于較高承載力狀態。