新型碳纖維復合材料（CFRP）增強工程結構梁強度關鍵技術研究

曹玉祥 安璐 全學友 張任飛 李志強

摘 要：碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer 以下簡稱CFRP），是在20世紀60年代逐步發展起來的新型材料。防腐性能更好、粘結性能與鋼筋相差不多并且抗拉強度更高的CFRP材料成為代替鋼筋的工程材料，不僅可以極大地改善各種惡劣環境條件下的工程結構使用性能、大大延長工程結構使用壽命，并且可以開拓傳統工程結構使用材料的可選范圍，達到新型材料代替傳統工程結構使用的關鍵性科研成果。也實現了新型材料在工程結構應用技術上的重要突破這一顯著的社會經濟效益。我國完成了大量運用CFRP加固鋼筋混凝土結構的基礎實驗和理論研究，并于2003年頒布了我國第一部CFRP加固技術規程《CFRP片材加固混凝土結構技術規程》（CECS145：2003）。碳纖維板（CFRP）復合材料的使用，能夠大大增強工程結構梁、板、柱承受外部荷載的強度，也可以在抗震防災及工程結構安全可靠度領域中應用于國際先進的工程結構使用壽命健康檢測體系，使得抗震防災及工程結構安全可靠度領域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結構的系統性安全產生科學有效的保障效應。

關鍵詞：碳纖維復合材料;工程結構使用壽命;增強工程結構梁強度

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0126-04

0引言

通過對普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復合材料的梁的抗彎強度進行對比，分析新型碳纖維復合材料對鋼筋混凝土梁的強度提高情況;由于新型碳纖維復合材料對鋼筋混凝土梁的強度大幅度提高的效能，本技術因此將應用于目前國際上先進的工程結構使用壽命健康檢測體系中，對于抗震防災及工程結構安全可靠度領域中重要工程結構的整體安全產生系統性保障效應[1-2]。

1 實驗原理

（1）鋼筋混凝土簡支梁正截面強度靜載試驗（梁的尺寸參見圖1）。

（2）在相同的條件下制作截面尺寸、配筋、混凝土強度均相同的四根簡支梁，取其中的兩根梁在梁底粘貼碳纖維板，然后加載并記錄每根梁的開裂荷載、破壞荷載、撓度。

倒置試驗梁，采用反力鋼梁及拉桿加載，從下面向上面分級加載，在標準荷載以前分5級。作用在試件上的試驗設備重量及自重等，應作為第一級荷載值，第二級～第五級荷載值應根據梁設計強度確定。

當試件接近破壞時，注意觀察試件的破壞特征并確定破壞荷載值：

（1）受壓區混凝土破損;

（2）縱向受拉鋼筋屈服;

（3）構件縱向受拉鋼筋處最大裂縫寬度達到1.5mm。

3實驗設備及測試精度

3.1實驗主要設備

材料與試樣及實驗主要設備：

（1）選擇日本東麗公司生產的T300型環氧樹脂基碳纖維復合板，斜紋編織鋪層結構[3-5]，纖維體積含量40%;“固特棒”結構碳纖維復合板專用膠，垂流度1～0，抗壓強度89.7MPa，拉伸抗剪強度89.7MPa，正拉粘結強度4.2MPa。

（2）加載設備，反力鋼梁、千斤頂測力計、拉桿、分配梁等。

（3）數字靜態電阻應變儀（DH3818-2）。

（4）刻度放大鏡。

（5）CMOS相機：MER-500-7UM-L型，中國大恒（集團）有限公司。

3.2實驗梁尺寸及配筋（圖2）

混凝土抗壓設計值：C20，按澆制實件由壓力機測得：f=20.5（MPa）。

鋼筋強度：受拉主筋Rg=235MPa（實際屈服強度）。箍筋Rg=180MPa。

3.3加載方式及測點布置

從下面向上面加載，倒置實驗梁，用反力梁及拉桿加載，如圖3所示。

4實驗步驟

（1）梁的理論開裂和破壞荷載，按實驗梁截面及使用材料計算[6-7]。

P裂=2.1kN，P破=6.35kN

（2）裂縫前取10%破壞荷載為一級，以后取20%，破壞荷載為一級。

PⅠ=1kN，PⅡ=2kN，PⅢ=3kN，PⅣ=5kN，PⅤ=7kN

（3）按級加載，每級加載后10min～15min讀數，在加PⅠ、PⅡ時注意觀察裂縫的出現情況。

5梁裂縫情況及破壞特征記錄

無碳纖維板設計梁為彎曲變形破壞，如圖4所示;粘貼新型碳纖維復合材料板的梁為剪切變形破壞，如圖5、圖6所示。

6測試結果分析

6.1無碳纖維板實驗數據整理

6.1.1受拉主筋應力δ與荷載平均值P的關系

荷載平均值P與受拉主筋應力關系見圖7。

6.1.2荷載平均值P與跨中撓度f的關系曲線

跨中撓度f與荷載平均值P的關系見圖8。

6.2有碳纖維板實驗數據整理

6.2.1受拉主筋應力與荷載平均值P的關系

有碳纖維板受拉主筋應力δ與荷載平均值P的關系見圖9、圖10。

6.2.2荷載平均值P與跨中撓度f的關系曲線

有碳纖維板荷載平均值P與跨中撓度f關系見圖11。

6.3應力測試結果分析

（1）實測無碳纖維板梁開裂荷載平均應力值：2.9kN;

（2）實測無碳纖維板梁破壞荷載平均應力值：10.65kN;

（3）實測有碳纖維板梁開裂荷載平均應力值：9.7kN;

（4）實測有碳纖維板梁破壞荷載平均應力值：20.6kN。

7結論

（1）根據實驗測試結果，粘貼了新型碳纖維復合材料（CFRP）的鋼筋混凝土梁，提高原有設計梁的承載力，初裂荷載提高兩倍，破壞荷載提高一倍，撓度減少1/3，改變了結構梁的受力情況。采用新型碳纖維復合材料（CFRP），對于增強工程結構梁承受外加荷載抵抗強度，有非常顯著的工程實價值用。

（2）原有設計梁為彎曲變形破壞，粘貼了新型碳纖維復合材料板的梁為剪切變形破壞，該新型碳纖維復合材料（CFRP）板在實際工程有非常好的應用前景。

（3）碳纖維板（CFRP）復合材料的使用，大大增強工程結構梁、板、柱承受外部荷載的強度，能夠在抗震防災及工程結構安全可靠度領域中應用于國際先進的工程結構使用壽命健康檢測體系，使得抗震防災及工程結構安全可靠度領域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結構的系統性安全產生科學有效的保障效應[8-10]。

參考文獻

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