有粘結作用下預應力碳纖維板張拉控制應力研究

吳 丹， 晏春雨， 彭 輝， 周 義， 耿汶肼

(重慶科技學院 建筑工程學院， 重慶 400074)

預應力碳纖維板加固技術是一種快速、高效的加固新方法，結合了碳纖維板材輕質高強、預應力主動加固的優點，在工程加固領域得到了快速的發展與應用。預應力碳纖維板快速加固法，采用將碳纖維板進行張拉，然后粘結到結構表面，形成有粘結作用的預應力結構體。有粘結作用下預應力碳纖維板加固技術在工程中得到廣泛應用，其中張拉控制應力的取值，直接影響預應力碳纖維板的加固效果和安全。如果張拉控制應力取值較低，則不能充分發揮碳纖維板工作性能，材料利用率低，且不能有效地提高被加固構件的抗裂度和剛度；如果張拉控制應力取值過高，不能保證混凝土構件在破壞時具有足夠的延性和變形能力，施工過程中碳纖維板出現破損概率增大，容易出現崩絲等現象，增加了施工安全風險。本文結合其受力特點、材料特性、構件延性要求等，對有粘結作用下預應力碳纖維板的張拉控制應力進行了試驗研究。

1 有粘結作用下預應力碳纖維板加固原理

工藝流程：組裝碳纖維板、錨具鉆孔、植筋安裝錨固座、碳纖維板涂膠、安裝固定端錨固座、安裝張拉端錨固座、預應力張拉、碳纖維板的頂壓粘貼[1]。

預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的基本原理即先對碳纖維板施加一定的預應力，再將預應力碳纖維板錨固粘結于被加固梁的受拉區。加載時，荷載對梁底產生拉應力，對梁頂受壓區產生一定的壓應力，當荷載繼續增加，荷載對梁底產生的拉應力剛好抵消預應力碳纖維板對梁底產生的壓應力，梁底混凝土應力為零，此過程稱為消壓階段。預應力碳纖維板加固的承載力比普通碳纖維板加固的承載力提高值等于消壓階段的彎矩值。

2 張拉控制應力的初步確定

2.1 上限值的初步確定

碳纖維板屬于線彈性材料，容易發生脆性破壞，其彈性模量與普通鋼材相近，抗拉強度為鋼材的8～10倍[2]，參考JTGD 62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[3]要求(表1)以及極限狀態下構件的裂縫和撓度限值要求，建議張拉控制應力上限值初步可取0.7ftpk。

表1 JTGD 62-2004要求取值

2.2 下限值的初步確定

碳纖維板是由碳素纖維使用樹脂浸潤硬化形成，工作時依靠全部的細小碳纖維絲的協同受力來提供抗拉力，受力性能優于碳纖維布。根據碳纖維布常用推薦值0.4ftpk以及規范規定的預應力鋼筋張拉控制應力不宜小于0.4ftpk，建議張拉控制應力下限值初步可取0.4ftpk。

3 試驗研究

為進一步確定預應力碳纖維板張拉控制應力取值，對預應力碳纖維板進行張拉實驗。碳纖維材料屬于高強抗拉材料，較小的截面尺寸限制了碳纖維板的加固量與初始張拉力，與實際工程狀況有較大差距。針對現有研究中的不足，為盡量模擬實際加固狀況，減小尺寸效應的影響[4]，本次實驗選用大比例混凝土梁進行試驗。

3.1 試件設計

實驗采用3根截面如圖1所示鋼筋混凝土T梁，全長7.2 m，計算跨徑6.8 m，采用雙層50 mm×2 mm的碳纖維板，其抗拉強度為2 400 MPa，彈性模量為160 GPa，錨具采用鉸式波形錨[5]。所有試件采用相同的配筋、尺寸、碳纖維板規格以及用量，3個試件張拉控制應力分別取1 000 MPa、1 500 MPa、1 700 MPa。

加載方式為跨中兩點加載，兩點間距1.2 m，加載時逐級緩慢加載。

實驗測量方案：在受拉鋼筋跨中、梁底碳纖維板跨中以及加載點處進行應力應變采集；測量梁底跨中撓度，各階段鋼筋混凝土梁裂縫數量和寬度，觀察并記錄對裂縫發展方向等情況。

實驗時，先按照預應力碳纖維板加固方法，將錨具與碳纖維板進行組裝，安裝錨固座，涂抹碳纖維板膠，進行張拉。

圖1 鋼筋混凝土T梁尺寸(單位：cm)

3.2 試驗現象及結果

1#試件試驗過程描述：荷載P加到90 kN時，裂縫向上發展且梁底其他位置有新裂縫產生；荷載加載到320 kN時，鋼筋屈服，裂縫發展加快；繼續加載，碳纖維板表面出現起皮現象，且裂縫向翼緣發展，新裂縫產生較少，主要以原有裂縫發展為主；加載到437 kN時，因實驗梁產生較大變形，裂縫發展較寬終止實驗。

2#構件實驗現象描述：荷載P加載到115 kN時，構件純彎區出現豎向可見裂縫；繼續加載，裂縫向上發展且寬度增加，有向加載點傾斜的斜裂縫產生；荷載加載到340 kN時，鋼筋屈服；繼續加載，構件裂縫向翼緣方向發展且逐漸變寬；加載到457 kN時，碳纖維板拉斷破壞，終止實驗。

3#構件實驗現象描述：加載到135 kN時，分配梁下部純彎區開裂；繼續加載，分配梁下部以及加載點與支座間的彎剪段有豎向裂縫和斜裂縫產生；加載到355 kN時，受拉鋼筋跨中部位屈服，裂縫和撓度較上一階段發展加快；繼續加載，梁底發出一些響聲，經檢查，碳纖維板與裂縫較寬地方發生輕微剝離；碳纖維板表面出現“起皮”以及發出“崩絲”的聲音；碳纖維板發生幾次“崩絲”現象后碳纖維板突然斷裂，傳感器顯示荷載為452 kN。

表2列出了3個試件的破壞模式。

表2 構件破壞模式

圖2描述了3個試件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的大小以及與張拉控制應力間的規律：

圖3表示的是3個試件的荷載-撓度關系：

圖3 荷載—跨中撓度

通過對試驗現象研究分析，得出以下結論：

(1)均未發現錨具與碳板滑移，證明了鉸式波形錨具有良好的夾持和錨固性能；

(2)張拉控制應力的大小對構件極限承載力影響較小；

(3)張拉控制應力的大小對開裂荷載及屈服荷載影響較明顯，且控制應力越大開裂荷載與屈服荷載越大；

(4)張拉控制應力越大，碳纖維板越容易斷裂，構件延性降低，越容易出現脆性破壞。

4 結論

結合實驗現象分析，在保證被加固構件的抗裂度、剛度以及材料的充分利用，建議有粘結作用下雙層預應力碳纖維板張拉控制應力下限值取為0.4ftpk，同時為了保證結構的延性及變形能力，考慮到加固過程的施工安全問題，碳纖維板的張拉控制應力上限值取為0.55ftpk。