新型機具在預應力碳纖維布加固中的應用研究

王東海，安月蘭 ，邢文強

（1.濟寧市水利工程施工公司，山東 濟寧 272000；2.濟寧市黃淮水利勘測設計院，山東 濟寧 272019）

1 概 述

相對于非預應力碳纖維布（CFRP）加固混凝土構件，采用預應力CFRP加固可以進一步提高構件的使用性能，減少變形，延緩裂縫的發生，有效減小裂縫開展寬度，提高構件抵抗疲勞荷載的能力，減少構件內鋼筋的應變，更加有效地利用混凝土和碳纖維增強復合材料（CFRP），進一步提高受彎極限承載能力，降低早期破壞風險。

在錨固方面，已有的一些預應力張拉與錨固設備中，通常是用一些機械裝置千斤頂等將碳纖維片材張拉，然后用U形鋼箍進行錨固，等碳纖維片材與混凝土梁充分固結后再將兩端片材剪斷，將機械裝置卸去，這種加固方式存著操作較麻煩、需要設施較多的缺點；目前在加固工程中廣泛使用的U形錨固和鋼壓條錨固，加固后的碳纖維布容易發生剝離破壞，其材料的高強性能很難充分發揮，使加固的效果大大降低。因此設計開發一種合理新型的張拉與錨固于一體的機具十分必要。

在分析現有文獻及目前國內外已經開發出的幾種用于混凝土梁抗彎加固碳纖維預應力體系的基礎上，筆者面向實際工程應用，針對碳纖維布施加預應力施工和應用特點自行研制開發了具有較大實用價值的新型體外旋轉 “拉錨一體化”后張法張拉設備和施工技術。

2 機具構造與技術特點

該裝置采用Q235鋼板，兩側及頂部鋼板厚18mm,在一側頂部鋼板下端有一移動鋼板，厚度也是18mm。這兩塊鋼板在各自兩側開一縱向槽，保證鋼板前后移動，根據混凝土梁的寬度進行前后自由調節，帶動兩側的堅向鋼板移動，使之達到適合的位置，滿足梁底寬度需要。最后頂部兩塊鋼板用Φ16的螺栓固定結實。側面的鋼板，每塊鋼板兩側各留4個Φ8小孔，用于螺栓固定。加固時，把混凝土兩側鋼板上的16個Φ8螺栓通過扳手擰進，將其嵌入混凝土梁中，達到固定錨具的目的。在錨具的上側，兩側鋼板中間預留Φ28圓孔，圓孔正上端預留小孔，直通鋼板頂端。該錨具轉軸為Φ25的高強鋼輥，通過一側的扭力扳手讓鋼輥在兩側Φ28圓孔中自由轉動，這樣就對纏繞在上邊的碳纖維布施加了預應力，等定量施加完預應力后，從兩側圓孔頂端預留的小孔中插入鋼銷，將高強鋼輥固定住。即同時將拉緊后的碳纖維布直接錨固于張拉裝置，張拉裝置不拆除，同時具有對碳纖維布的張拉與錨固功能。下面是該裝置的結構示意圖：

圖1 新型機具整體縱向側面圖

圖2 新型機具俯視圖

圖3 側面剖視圖

其主要施工工藝為：在混凝土梁上通過扳手將錨具上的螺栓固定在混凝土梁上即可。將該裝置固定結實后，然后利用該錨具的轉軸可以自由旋轉，將碳纖維布纏在上邊，通過扭力扳手在一側旋轉錨具轉軸，達到給碳纖維布施加預應力的要求；同時將拉緊后的碳纖維布直接錨固于張拉裝置，張拉裝置不拆除，同時具有對碳纖維布的張拉與錨固功能。

3 機具用于碳纖維布施加預應力的試驗

試驗設計5根無腹筋混凝土梁，混凝土設計強度為 C35，各梁配筋情況相同，均配置2Φ18縱筋，鋼筋級別為 HRP335，剪跨比 λ＝2.27，經驗算不會先發生正截面破壞現象，各梁配筋及加固情況如圖4～8（單位mm）所示：

圖4 L2U形CFRP加固示意圖

圖5 L3斜貼CFRP加固示意圖

圖6 L4底部預應力CFRP加固示意圖

圖7 L5底部預應力CFRP復合加固示意圖

本次試驗L2和L5的加固采用體外預應力方式加固，加固長度為1850mm,錨固點設在支座外側125mm處。L3和L4加固方式中所用CFRP其寬度及間距均相等。各梁具體加固對比情況如表1所示。

表1 各梁加固情況一覽表

試驗所用碳纖維布采用日本東麗公司生產的UT70—20，單位重量 200g，厚度為 0.111mm，實測抗拉強度4000MPa，延伸率1.9%，彈性模量2.3GPa。粘貼碳纖維用粘結膠采用北京錦虹世紀科技有限公司生產的JH-粘碳膠，經測定粘接抗拉強度不小于3.0MPa。

表2 抗剪承載力試驗結果表

通過表格中原梁的試驗數據，分別對表1數據進行橫向和縱向的對比。對于提高開裂荷載最有效的加固方式為碳纖維布45°斜貼和使用預應力與U形粘貼復合加固的方式，這兩種方法可以有效的，大副度的提高混凝土梁的開裂荷載，其次為碳纖維布的U形粘貼，端部錨固方式；而僅在混凝土梁底部施加預應力加固對混凝土梁斜截面的開裂荷載提高并不明顯。對于混凝土梁斜截面極限抗剪承載力的提高，使用預應力與U形粘貼復合加固的方式最為明顯，其次是僅在梁底部施加預應力加固的方式，然后分別是碳纖維布的斜貼和U形粘貼加固方式。分析數據可以看出，在梁底端僅用預應力碳纖維布加固，對提高無腹筋混凝土梁的抗剪開裂荷載并不明顯，可以大幅度的提高梁的極限抗剪承載力；采用預應力碳纖維布與U形箍復合加固的方式能夠大幅度提高無腹筋混凝土梁的抗剪開裂荷載和極限荷載；45°斜貼的加固方式在對提高混凝土梁的貢獻中優于U形箍粘貼的方式。分析試驗終止荷載，L4和L5使用預應力加固，最終的破壞方式，兩者均未發生底部預應力碳纖維布的剪斷、剝離現象，證明了本次試驗所用新型機具能滿足試驗要求。說明旋轉式張拉與錨固機具在加固試驗中起到了良好的效果。

4 結 語

與目前國內外已經開發出的幾種CFRP布預應力機具和技術相比，該后張法技術及機具主要特點有：采用螺栓固定在混凝凝土梁的兩側且各部件在張拉過程中已完成受力和變形，因此后張法施加預應力較先張法預應力效果更好；無需大型專用張拉設備和專用錨具，機具小巧且具有張拉與錨固雙重功能，固定簡便牢靠；機具構造簡單，制作加工容易，質量較輕且造價低；該錨具體積小，施加預應力簡單方便，省去了機械設施施加預應力的不便，同時降低了工程加固的成本；張拉效率高，張拉施工僅需扭轉鋼輥即可，簡單方便，張拉力大小可靈活調節和控制；對碳纖維布錨固牢靠，加固效果好，相比U形箍錨固，這種錨固效果不會提前發生剝離破壞，能充分發揮碳纖維布材料高強的性能，纖維布的預應力損失小、松馳小；使用這種錨具進行預應力碳纖維布加固，可以減少碳纖維布的用量。通過試驗證明，碳纖維布的強度利用率能提高到100%，遠高于普通碳纖布的加固方法。

該錨具應用領域廣泛，具有較高的實用和推廣價值，且可以重復推廣使用。其加固面可以為平面，也可以為曲面或復雜面。如壓力管道、隧洞、渡槽、閘門、閘墩等結構截面為圓形或復雜曲線形，結構的修補面為曲面，經常處于水中，普通預應力碳纖維加固方法無法實施，而采用此項技術進行修補加固則簡單易行。

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