碳纖維預應力棱柱體復合筋的應用與研究

（廣西科技大學土木建筑工程學院 廣西 柳州 545006）

碳纖維預應力棱柱體復合筋的應用與研究

鐘卿瑜

（廣西科技大學土木建筑工程學院 廣西 柳州 545006）

碳纖維預應力棱柱體復合筋（CFRP-PCPs復合筋）是一種由預應力CFRP筋與超高性能混凝土復合而成的新型預應力復合筋，該型筋材既能將預應力有效儲存在CFRP筋中，又能減少CFRP筋運用于混凝土結構中出現的撓度和裂縫過大的問題。本文對CFRP-PCPs復合筋在土木建筑工程中國內外的研究現狀作了介紹，并提出今后應展開的研究方向和問題。

CFRP-PCPs復合筋；土木工程；預應力；應用；研究

1 CFRP-PCPs復合筋國外研究現狀

最早形成PCPs（Prestressed Concrete Prisms）棱柱體概念的是，1950年，德國人Fensterwalder首次將預應力鋼筋混凝土棱柱體應用在鋼筋混凝土橋面的施工中。1958年，Mikhailov針對水庫開裂問題進行了相關試驗，研究表明PCPs復合筋作為一種加固材料能有效延緩水庫開裂，且加固處滲透作用不明顯，加固后能起到有效保水作用。1998年，Nawy和Chen在改進PCPs的相關性能后，通過對4根改進后的PCPs（高強預應力鋼筋混凝土棱柱體）混凝土梁的抗彎試驗研究分析得出：PCPs能有效延緩試驗梁裂縫的發展，且當梁開裂后剛度下降幅值要小于普通鋼筋混凝土梁。考慮到PCPs中使用鋼筋所引起的腐蝕新問題， Svecova和Razaqpul再次對PCPs的組成材料進行了改進，將預應力CFRP筋混凝土棱柱體（早期CFRP-PCPs）替代早先Nawy和Chen使用的高強預應力鋼筋混凝土棱柱體，并進行了相關試驗研究，試驗結果表明，對復合筋施加的預應力水平越高，相同荷載下復合筋混凝土梁的撓度越小，而極限承載力越大；相同荷載作用施加下，復合筋混凝土梁的剛度要大于普通鋼筋混凝土梁，撓度、裂縫等變形性能也優于普通鋼筋混凝土梁。2000年，Svecova和Razaqpul 兩人通過一系列試驗研究分析后首次提出了CFRP-PCPs（CarbonFiber-Reinforced Polymer prestressed concrete prisms，即碳纖維筋預應力混凝土棱柱體）復合筋的概念[54]。

2 CFRP-PCPs復合筋國內研究現狀

目前，國內有關CFRP-PCPs復合筋的試驗研究主要由本課題組在開展進行，并已經取得了一定的研究成果：

（1）通過15個CFRP-PCPs復合筋和現澆對比梁的單調靜力荷載試驗，對CFRP-PCPs復合筋混凝土梁的破壞形態、極限承載力和構造措施等進行了研究；在正常使用極限狀態和承載力極限狀態下，CFRP-PCPs筋梁的受力性能優于CFRP筋梁和鋼筋混凝土梁。在考慮CFRP筋不同張拉控制應力，不同復合筋截面面積，不同復合筋根數等條件對構件受力性能的影響時發現，提高CFRP筋預應力水平在提高復合筋的開裂荷載和改善復合筋混凝土梁在正常使用狀態下的裂縫和撓度方面效果最為顯著[1]。

CFRP-PCPs復合筋梁板構件的破壞模式分為受壓破壞、界限破壞及受拉破壞。其中又可根據構件中普通鋼筋是否屈服將受壓破壞分為受壓破壞Ⅰ和受壓破壞Ⅱ，受壓破壞Ⅰ由于受力破壞前普通鋼筋已屈服，破壞征兆較明顯，是一種比較理想的“適筋”梁破壞模式[2]。

（2）通過6根預應力CFRP-PCPs復合筋混凝土簡支梁抗震試驗，對其破壞形態、位移延性、滯回特性和耗能能力等進行了較系統的研究。正向加載時復合筋混凝土梁的開裂荷載均明顯高于普通混凝土梁，CFRP筋張拉控制應力較大，反向加載時構件的開裂荷載有顯著的提高；提高復合筋配筋率對正向和反向加載時復合筋混凝土梁的抗裂能力均有顯著提高[3]。

CFRP-PCPs復合筋混凝土梁和預應力CFRP筋混凝土梁的滯回曲線均存在一定的捏攏效應，但預應力CFRP筋混凝土梁滯回曲線的捏攏現象更為明顯，復合筋混凝土梁滯回曲線的捏攏趨勢相對平緩，因而復合筋梁的抗震性能要優于預應力CFRP筋梁。CFRP筋張拉控制應力的提高對復合筋混凝土梁的延性有提高作用，復合筋配筋率越大，試件的變形恢復能力越好。

（3）通過16根CFRP-PCPs復合筋加固混凝土梁的試驗研究和理論分析，對CFRP-PCPs復合筋加固混凝土梁的破壞機理和CFRP-PCPs嵌入式加固的高性價比優勢[4]。

對8根普通鋼筋混凝土梁進行CFRP-PCPs復合筋嵌貼抗彎加固試驗，試驗結果表明：由于復合筋的存在，延緩了加固梁的開裂進程，被加固梁的承載能力也隨著復合筋加固長度的增大而提高。

對8根普通鋼筋混凝土梁進行CFRP-PCPs復合筋嵌貼抗剪加固試驗，結果表明：被加固的混凝土梁承載力隨復合筋加固間距的減小而增大，復合筋加固角度為45度時，被加固梁的極限承載力高于復合筋加固角度為90度的被加固梁。加固后，混凝土梁的破壞模式分為三類：a.復合筋剝離而發生剪切破壞；b.復合筋斷裂而導致試驗梁發生剪切破壞；c.被加固梁發生彎曲破壞。

（4）通過6個CFRP-PCPs復合筋連續梁和現澆對比梁的單調靜力荷載試驗，對CFRP-PCPs復合筋混凝土連續梁梁的破壞形態、極限承載力和構造措施等進行了研究；由試驗梁在正常使用極限狀態下的裂縫分布狀態來看，復合筋在試驗梁開裂后其內部的預應力效應開始逐步體現并發揮了較好的阻裂性能。其中復合筋的有效預應力值越高裂縫發展形態（指已有裂縫的延伸速率及裂縫最大寬度的增長幅值）就越好，且具有一定的變形恢復性能。復合筋對其截面開裂彎矩的貢獻只與復合筋的截面尺寸有關（即僅改變開裂截面處的開裂剛度），與自身初始預應力施加值的大小無關。

通過對6根復合筋兩跨連續梁從開裂、中支座控制截面受拉鋼筋屈服、跨中鋼筋屈服到最終承載能力極限狀態的全過程分析，得出：中支座控制截面處的復合筋參與了彎矩調幅的全過程，并對調幅值的大小產生了影響。

3 展望

綜上所述，CFRP-PCPs復合筋作為一種新型復合材料，與CFRP筋和普通鋼筋的物理力學性能方面存在很大不同。結合國內外及本課題組目前對CFRP-PCPs復合筋的研究現狀，尚有許多需要深入探討的問題：作為一種新型復合材料，復合筋自身的本構模型有待研究確定。復合筋在混凝土中的粘結滑移力學模型還需建立，相關的疲勞性能、長期使用性能有待研究。這些也關系到復合筋在實際工程中能否更好的運用。

[1]屈建. 新型CFRP-PCPs復合筋混凝土梁受力性能試驗研究與理論分析[D].廣西工學院,2012.

[2]聶威. 新型CFRP-PCPs復合筋混凝土梁抗震性能的試驗研究[D].廣西科技大學,2013.

[3]牟曉輝. 混凝土梁側嵌貼CFRP-PCPs復合筋的抗彎及抗剪加固試驗研究[D].廣西科技大學,2015.

[4]張鵬,張祥寧,鄧宇,等. CFRP-PCPs復合筋混凝土連續梁承載力試驗研究[J].科學技術與工程,2016,(31):250-254+269.

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1007-6344（2017）06-0299-01