預應力碳纖維布張拉錨固系統加固混凝土梁研究

龍秋穎，王建濱，趙 艷，張瀚天，李廣軍，寧作君

(1.佳木斯大學建筑工程學院，黑龍江 佳木斯 154007; 2.濰坊工程職業學院，山東 青州 262500;3.武夷學院土木工程與建筑學院，福建 武夷 354399; 4.喀什大學土木工程學院，新疆 喀什 844006)

0 引 言

碳纖維（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）是一種自重輕、抗拉強度高、化學穩定性強、柔性好、耐腐蝕性強的新型材料，近年來在建筑加固行業得到廣泛應用[1-3]。目前，CFRP加固常常采用直接粘貼的方式，即通過膠黏劑將CFRP直接粘貼于受力構件表面，從而提高結構承載力。研究結果表明[4]：直接粘貼加固法存在一定局限性，即碳纖維強度的發揮需要以變形為代價，當構件破壞時，直接粘貼CFRP只能發揮10%～20%的抗拉強度，材料強度的利用率低；當被加固構件變形較大時，加固效果明顯降低。針對該問題，一些學者[5-12]提出對碳纖維施加預應力，可以克服碳纖維布強度利用率低的缺陷，其中端部錨固是碳纖維施加預應力亟須解決的問題。尚守平等[8]通過新型加固設備開展了預應力CFRP加固混凝土梁試驗研究，發現預應力碳纖維加固比普通粘貼CFRP加固承載力明顯提高。鄧朗妮等[9]采用一端錨固另一端張拉實現CFRP加固。全學友等[10]利用兩端張拉螺桿實現環氧樹脂楔形夾持體夾具的張拉。然而，碳纖維布加固技術主要以直接粘貼方式進行加固，不利于實際工程應用，因此研發簡單、實用性強的預應力CFRP加固技術勢在必行。基于國內外研究現狀，本文使用新設計的碳纖維布錨具錨固張拉裝置對預應力碳纖維布錨固技術進行了試驗研究，考察了新型錨具錨固裝置的適用性。研究結果可為預應力CFRP布張拉錨固系統優化設計提供參考。

1 新型張拉錨固系統的研制

本文從實用、安全、簡單、方便角度出發，設計了一套新型碳纖維布張拉、錨固體系。具體新型張拉錨固系統示意圖如圖1所示。其施工工藝流程進行如下簡述：

圖1 張拉錨固裝置系統工藝流程圖

1）將混凝土兩端打磨出凹槽，其兩端固定端、張拉端錨固夾具連接板分別用錨栓錨固在梁底兩端；

2）CFRP裁剪好后，兩端利用錨具錨固住；

3）將錨固好CFRP的一端安裝于梁的固定端，蓋上蓋板在錨固端固定；

4）將碳纖維布另一端的兩個圓環穿過滑道移動使碳纖維布拉直；

5）安裝加壓助推器和千斤頂開始對張拉端碳纖維布連同錨固機具進行張拉；

6）待達到張拉力后，將張拉端錨具蓋上蓋板固定住；

7）對碳纖維布粘貼面上進行刷膠，粘貼，帶固化后完成張拉，最后拆除張拉裝置。

2 預應力碳纖維布錨固夾具的研制

2.1 實驗設計

本次利用10對錨具共10組進行張拉錨固試驗，其中1組平板錨固為對比構件，每組構件為3個，采用測量平均值作為最終實驗結果；本次通過銷釘錨具與相同尺寸的平板錨具的對比試驗，分析新型錨具對預應力碳纖維布的錨固效果；本次試驗設計了銷釘尺寸為4 mm、8 mm、12 mm，銷釘個數為1、3、7幾種參數不同的銷釘錨具。試件參數如表1所示，分別對不同直徑相同個數、不同個數相同直徑的銷釘錨具進行張拉試驗，分析銷釘個數以及銷釘直徑的大小對銷釘錨具的影響。

表1 試件參數

碳纖維布的新型錨具錨固裝置由上下兩部分鋼板組成。上部分由平板鋼板、螺栓及銷釘組合而成；下部分由平板鋼板、螺栓孔及銷釘孔組成；上下兩部分由螺栓連接如圖2所示。

圖2 銷釘錨具（單位：mm）

2.2 試驗材料

本試驗采用碳纖維布SG-300a，該碳纖維布的理論厚度為0.167 mm，設計寬度為100 mm。檢測的拉伸速率為2 mm/min，抗拉強度3 400 MPa；彈性模量240 GPa，伸長率1.7%。碳纖維加固膠采用MLJ型建筑結構膠甲、乙組合粘結劑，甲與乙粘結劑的配合比為3∶1。

2.3 試驗儀器和加載

該試驗使用的儀器為：水泥混凝土抗壓抗折萬能試驗機（見圖3），濟南美特斯測試技術有限公司，測量范圍0～3 000 kN；YB15/25微變形測量儀，蘇州中路通試驗儀器有限公司，位移量程±10 mm。

圖3 抗壓抗折萬能試驗機

2.4 試驗現象與結果分析

通過10對銷釘錨具共10組進行張拉試驗，結果如表2所示。

表2 試驗結果

由表2可知，碳纖維布的張拉控制應力在1 400～1 500 MPa之間，錨具錨固能力能滿足張拉控制應力的需求。利用新型錨具對碳纖維布進行張拉錨固，錨固能力同平板錨具相比有一定程度的提高，錨固能力提高幅度達到30%以上。隨著荷載的繼續增大，銷釘間碳纖維布會出現應力集中現象，導致銷釘間碳纖維布受力迅速增大，最終破壞為應力集中破壞。新型錨具錨固能力與銷釘直徑、銷釘個數有關：當銷釘個數為3根，直徑為8 mm時，錨固力達到最大值，隨著銷釘個數、銷釘直徑的增大應力集中現象增大，錨固力降低。

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2.5 破壞機理

圖4為構件P2-a應力-應變曲線圖，根據該圖將新型錨具錨固碳纖維受力分成二階段：線彈性階段、滑移階段。

圖4 應力-應變曲線圖

Ⅰ線彈性階段：由圖可知，碳纖維張拉前期受粘結力和壓力的共同作用，應力-應變基本處于線性關系，即P2-a構件張拉碳纖維布荷載在0～40 kN階段。由于彈性模量Ecf保持不變，新型錨具錨固碳纖維布的受力特性呈線性關系。

Ⅱ滑移階段：隨著荷載的繼續增大則進入第二階段即受粘結力、壓力、抗剪切力三者共同作用，該階段碳纖維布承受張力為40～50.21 kN。σ、ε兩者之間呈凹曲線關系。凹曲線開始階段，碳纖維應力基本不變，應變迅速增大。應變的基本公式ε=Δl/l，當ε增大，Δl相對l增長的速度更快；隨著荷載持續增大，碳纖維的應力應變斜率Ecf增大，此時碳纖維布與錨具之間開始出現滑移；隨著力的增大滑移量逐漸增加，應力在纖維孔附近集中，增大速度加快。當應力集中使碳纖維達到極限強度后，碳纖維破壞。

根據彈性力學理論，可以求得圓孔、裂紋尖端以及集中力附近的應力分布情況。本文分析了新型錨具在銷釘的抗剪切力、粘結劑的粘結力、鋼板擠壓力共同作用下的錨固破壞機理，具體如下：

1）擠壓力+粘結力

受力初期，碳纖維布錨固區域無形變，碳纖維布錨固僅受粘結力和擠壓力兩者共同的作用；隨著張拉力的逐漸增大，碳纖維布所受的粘結應力開始從張拉端向錨固端延伸，碳纖維產生應變；當應變延伸到銷釘錨固部位后，碳纖維的變形受到銷釘阻礙，即銷釘產生阻礙碳纖維布變形的抗剪切力，此時碳纖維布受到3種錨固力作用，即銷釘抗剪切力、粘結力及擠壓力。此階段在圖4應力應變曲線表現為線彈性階段。

2）擠壓力+粘結力+抗剪切力

隨著荷載持續增大，碳纖維布的變形越來越大，新型錨具產生的抗剪切力則越大。當錨具張拉端某一點最先達到粘結極限強度而產生剝離破壞后，碳纖維極限粘結強度由中部向兩端移動并逐漸向錨固端部發生剝離破壞。當極限粘結應力傳到銷釘錨固部位時，靠近張拉端碳纖維布大部分處于剝離受拉狀態，靠近錨固端碳纖維布處于錨固狀態。碳纖維孔張拉端受到較大拉力，錨固端受力較小，在碳纖維孔出現較大的拉力差，其相對差值越來越大，孔周圍產生應力集中（見圖5），根據圓孔附近邊緣應力公式得在孔邊緣處應力瞬間增大了3倍。隨著荷載的增大，碳纖維孔受到集中應力值變化越來越大，當拉力達到碳纖維束的極限承載力值后，構件破壞。

圖5 CFRP破壞圖

3 預應力碳纖維布加固試驗梁的研究

3.1 試件設計

采用新型的張拉裝置，銷釘直徑8 mm，采用3根錨固夾具進行加固試驗，碳纖維布加固層數為兩層，對5根混凝土梁進行靜載試驗，研究其抗彎性能。實驗選用b×h為150 mm×250 mm混凝土簡支梁，鋼筋采用HRB335，HPB300混凝土的抗壓強度標準值為30 MPa，經試驗得出鋼筋屈服強度為306 MPa，試驗梁全長2 m，支座間凈跨為1.8 m。試驗梁的加載及截面圖如圖6所示。5根混凝土梁鋼筋的屈服強度均為360 MPa，混凝土軸心抗壓強度均為28.1 MPa，FRP筋的彈性模量均為55 GPa，其余試件參數及結果見表3。

表3 試件參數及結果

圖6 試驗梁加載及配筋圖（單位：mm）

3.2 試驗梁加載與測點布置

試驗梁采用千斤頂配合反力梁進行兩點加載。MF梁將碳纖維布直接粘貼于試驗梁底。MF-1、2、3試驗梁則對碳纖維布張拉后將其粘貼于試驗梁底。為了測量碳纖維布應力變化，在跨中CFRP布表面沿布寬度方向粘貼適量應變片。試驗梁變形由各支座及跨中控制界面處布置的位移計確定。

3.3 試驗現象及結果分析

試驗過程中，WM試驗梁初始加載時，荷載與撓度呈線性關系，隨著荷載的增加，縱筋首先屈服，經過較大變形后，受壓區混凝土壓碎，到極限荷載后試件破壞，由上述試驗過程可知，WM試件具備適筋梁破壞特征，為適筋梁破壞。MF試驗梁破壞形式為碳纖維布加固梁發生剝離破壞。梁初始加載時，荷載-撓度呈線性關系，當荷載加載至42 kN時，梁底碳纖維布發生“啪啪”的響聲，隨著荷載的增大啪啪聲越來越密集，在碳纖維布受彎區域出現混凝土-預應力碳纖維布剝離破壞，梁發生較大的變形，當荷載持續加大后混凝土受壓區被壓碎，梁發生破壞。

MF-1、2、3預應力試驗梁的破壞形式為部分碳纖維束被拉斷同時出現與混凝土剝離現象，試驗梁隨之破壞。加載初始，荷載-撓度成線性關系；當荷載加載至極限承載力70%時，碳纖維布發出啪啪響聲，隨著荷載的持續增加啪啪聲越來越密集，梁純彎區段碳纖維布部分纖維束出現撕裂，伴有剝離現象并向兩端發展；當達到極限荷載時，碳纖維布被拉斷，試驗梁隨之破壞。

由表3可知，預應力CFRP布加固混凝土梁其開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有提高。同WM對比梁相比，開裂荷載、屈服荷載和極限承載力最高可提高61%、53.7%、57.7%；同MF對比梁相比最高可提高至26.3%、32%、27%；試驗梁的正截面承載力提高幅度與CFRP布張拉預應力有關，MF-1、MF-2、MF-3試驗梁隨著碳纖維布張拉預應力的增大，其開裂荷載、屈服荷載、極限荷載逐漸增大，但增大幅度逐漸變緩。

圖7給出了簡支梁的荷載-跨中撓度曲線。由圖可知：預應力CFRP布加固試驗梁同未加固試驗梁相比，各階段斜率均有所提高，表明利用預應力CFRP布加固混凝土梁正截面剛度得到提高。預應力碳纖維布加固梁前后荷載均有較大提高，CFRP布在此階段發揮了很大作用。

圖7 荷載-跨中撓度曲線

4 結束語

本文主要研究新設計的張拉錨固機具張拉、錨固碳纖維布技術。通過該張拉裝置進行了預應力碳纖維布加固混凝土梁承載力試驗，可得出以下結論：

1）利用新型錨具對碳纖維布進行錨固，錨固能力同平板錨具相比有一定程度的提高，錨固能力提高幅度達到30%以上。新型錨具錨固能力與銷釘直徑、銷釘個數有關：當銷釘個數為3根，直徑為8 mm時，錨固力達到最大值。

2）利用預應力碳纖維布加固混凝土梁明顯提高構件的正截面剛度。采用預應力碳纖維布加固混凝土梁，其開裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有明顯提高；提高幅度與預拉應力的大小有關，預拉應力越大，承載力越大，隨著預拉應力的增大增長幅度見緩。

3）本次設計張拉錨固系統安裝簡單、方便，有效對受彎梁施加預應力，滿足預應力碳纖維布加固技術要求，提高了CFRP布利用率，使碳纖維布高強度特性得到很好的發揮，可用于實際中。