端锚碳纤维布加固混凝土试件试验研究

李恒通

（广东省建筑设计研究院　广东　广州　510010）

端锚碳纤维布加固混凝土试件试验研究

李恒通

（广东省建筑设计研究院广东广州510010）

外贴碳纤维增强复合材料（CFRP）加固技术常常出现CFRP过早剥离导致其强度得不到充分利用的问题。针对此种情况，本文采用了一种新型的自锁式紧凑型超薄端部锚固装置，通过6组试件的双剪试验，主要研究了该端锚系统锚固的可靠性以及端锚CFRP加固混凝土试件的破坏过程及破坏形态等。试验结果表明：采用该端锚能显著提高CFRP的利用率，加固试件的延性亦得以改善，该端锚装置锚固可靠，具有良好的工程应用前景。

碳纤维增强复合材料；自锁；端锚；双剪试验；可靠

1　引言

目前，应用碳纤维增强复合材料（CFRP）加固混凝土结构最常用的一种方法是外贴CFRP加固法，即用粘结剂将CFRP粘贴于结构表面进行加固。该方法操作灵活、容易掌握，但存在明显缺陷[1～2]∶①CFRP很早就与原结构剥离，CFRP不能充分发挥其较高的抗拉强度，使得CFRP的利用率仅有15～35%。③加固构件破坏过程发展迅速，破坏模式趋近于脆性破坏。

针对上述情况，一些学者提出了一些旨在提高抗剥离能力的技术措施，以便更好地发挥材料功效。卓静[3]等研究开发出了一种波形齿夹具锚，试验结果表明，FRP片材强度得到了较为充分的利用，该端锚系统锚固可靠；但由于锚板呈波形状，会在一定程度上影响FRP片材的抗拉强度，另外所需锚板厚度偏大，要凿保护层才能做到布贴梁面。石昌文[4]等将环氧树脂浸润后的CFRP布的两端缠绕在铁片上，并利用螺杆把铁片锚固于混凝土构件上对其进行加固；试验结果表明，该方法可以有效延缓CFRP布的剥离，即使CFRP布在跨中剥离仍可与梁共同受力，直至CFRP布拉断，从而有效地提高CFRP的利用率；但该方法需要将CFRP在铁片上缠绕多层，加载时端部CFRP即会产生滑动，对加固效果产生不良影响。考虑到上述锚固技术措施存在的不足，本文采用中南大学周朝阳教授发明的自锁式紧凑型超薄端部锚固装置，通过6组试件研究CFRP粘结长度、宽度等参数对加固效果的影响以及验证该端锚装置的可靠性。

2　试验概述

2.1端部锚固技术方案

2.1.1技术特点

锚板设计考虑到CFRP布是由若干碳纤维细丝构成，为避免较大荷载作用下CFRP布损伤，锚板上缠绕CFRP布的位置应做成圆弧状；为实现CFRP布绕结自锁获得越拉越紧的锚固效果，应将锚具做成开缝板；根据端锚CFRP布受力特点，锚板上植筋开孔位置宜靠近CFRP受力一侧，锚板实物见图1。

2.1.2技术优势

（1）锚固可靠。大量试验以及工程加固效果表明，传统的粘贴锚固，CFRP的最大拉应力大多是由CFRP-混凝土界面的粘结应力控制，往往剥离早于CFRP断裂，CFRP的强度得不到充分利用。采用本文锚板后，CFRP剥离后在锚板的作用下还能继续工作直至CFRP被拉断，加固效果良好。

（2）自锁功能强大。机械锚固CFRP加固结构构件，为达到良好的锚固效果，往往对机械锚固装置与CFRP之间的相对滑移值要求较高。本文所用锚板具有非常强大的自锁功能，很好的解决了此类问题，端锚CFRP布受力自锁示意图见图2。

图1　锚板图

图2　端锚CFRP布受力自锁示意图

（3）体积较小，外观精致，锚板厚度可以薄到只要几个毫米，CFRP布到构件表面的距离可为包括零在内的任何值。

（4）制作简单，无需拼装，施工便捷，不影响原结构美观，综合成本较低，在实用性方面均优于许多其他类型的锚具。

2.2试验设计

2.2.1试件设计

本试验采用双剪试验方法对加固试件进行研究。试件的尺寸考虑到锚板的锚固要求，并参考了日本混凝土协会的建议[6]，每组试件由两个相互独立的尺寸均为500mm×240mm×240mm（长×宽×高）的混凝土试块组成，见图3。试验中通过沿CFRP布中线均匀布置（间距20mm）的应变片来测量各级荷载作用下CFRP的应变分布。

By the further analysis,it is clearly to see that Eve tries to change the argument to protect herself.After shirking her responsibility entirely to Adam,she begins to deliberately belittle her pride and independence that she had previously gained.For examples,shesays:

图3　试件尺寸示意图

2.2.2试验加载

受试验空间等因素限制，本试验利用实验室既有钢梁组合试验装置进行手动加载。加载速度和荷载大小通过控制螺帽拧动快慢和拧动圈数来控制。考虑到试验设计荷载较大，本试验采用分级加载，具体见图4。

3　试验结果与分析[7]

3.1试验结果与极限承载力影响因素分析

本次试验结果见表1。

根据表1可知∶试件SJ-2相比于试件SJ-1，其极限承载力提高了25.4%，这表明增加CFRP宽度，能提高加固试件的极限承载力。

图4　加载装置示意图

表1　试验结果表

通过试件SJ-4和试件SJ-2对比发现，采用锚板后，加固试件极限承载力提高了17.9%，CFRP强度得到了较大程度的利用，锚板对外贴CFRP加固混凝土结构的极限承载力有较大的提高；CFRP破坏模式亦由CFRP剥离破坏变为CFRP先剥离后被拉断，即CFRP粘结失效后由于锚板的作用CFRP还能继续工作直至被拉断，锚板的采用显著改善了加固试件的延性。

试件SJ-6较试件SJ-1的极限承载力提高了8%，这表明随着粘结长度的增加，极限承载力亦有所增长，但有关研究[8～9]指出，CFRP存在一个有效粘结长度，当CFRP粘贴长度超过有效粘贴长度后其极限承载力不再增长。

3.2各级荷载作用下CFRP的应变分布规律

根据采集到的CFRP表面中心线上的应变片数据，可以得到沿CFRP纵向应变分布规律。因篇幅所限，本文选择部分试件的CFRP应变进行分析，见图5。

图5　各级荷载作用下CFRP上应变分布

由图5可知，试验加载初期，CFRP的传力区域较小，CFRP仅在靠近加载端附近承受拉力，远离加载端方向，CFRP上的应变趋向于零；随着荷载的继续增加，CFRP的应变和传力区域不断增大；试验加载后期，CFRP出现“啪啪”的剥离声，CFRP迅速从混凝土界面剥离。

根据图形对比可以发现，采用锚板后，试件的极限承载力有较为明显的提高，同时也显著改善了加固试件的延性。加固试件破坏模式发生改变，当加固试件粘结失效后，由于端锚作用，CFRP继续承载，CFRP应变沿纵向分布较为均匀，当达到极限荷载时，CFRP被拉断，试件破坏。图中出现粘结失效后CFRP的应变沿纵向局部出现突变，究其原因，可能是粘结破坏界面间存在的摩擦力等因素对CFRP受力有一定的影响。

4　结论

本文通过试验初步探索了端锚CFRP加固混凝土试件的加固效果，得到以下几点结论，供加固设计和施工参考。

（1）采用本文锚板后，加固试件的极限承载力得到提高，延性亦得以改善。试件破坏模式由CFRP剥离破坏变为CFRP先剥离后拉断，CFRP的强度得到了较为充分的利用，端锚能显著改善试件受力性能，端部锚固技术可靠。

（2）在保证施工质量的前提下，粘结界面的破坏大多发生在界面下2～5mm的混凝土内，即CFRP剥离时常带有一层薄薄的混凝土，CFRP加载端附近常拉下一小段三角柱状混凝土块。在界面粘结失效后，由于端锚的作用，试件还能继续工作直至CFRP断裂，破坏为脆性破坏。

（3）随着CFRP粘结长度、宽度的增加，试件的极限承载力均有所增加。

（4）CFRP布是由若干碳纤维细丝构成，利用CFRP布进行加固时，应使CFRP布得到浸渍胶充分浸润以防止加载时出现受力不均，部分纤维丝被拉断。

[1]Wu Yufei，Wang Zhenyu，Liu Kang，et a1.Numerical Analyses of Hybridbonded FRP Strengthened Concrete Beams[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，2009，24（5）∶371～384.

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[3]卓静，李唐宁，等.一种锚固FRP片材的体外预应力新方法[J].土木工程学报，2007，40（1）∶15～19.

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[7]李恒通.端锚碳纤维布-混凝土粘结界面受力性能研究[D].中南大学，2013.

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[9]中华人民共和国建设部.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[M].北京∶中国计划出版社，2003∶1～88.

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∶2015-2-18