碳纤维预应力棱柱体复合筋的应用与研究

（广西科技大学土木建筑工程学院 广西 柳州 545006）

碳纤维预应力棱柱体复合筋的应用与研究

钟卿瑜

（广西科技大学土木建筑工程学院 广西 柳州 545006）

碳纤维预应力棱柱体复合筋（CFRP-PCPs复合筋）是一种由预应力CFRP筋与超高性能混凝土复合而成的新型预应力复合筋，该型筋材既能将预应力有效储存在CFRP筋中，又能减少CFRP筋运用于混凝土结构中出现的挠度和裂缝过大的问题。本文对CFRP-PCPs复合筋在土木建筑工程中国内外的研究现状作了介绍，并提出今后应展开的研究方向和问题。

CFRP-PCPs复合筋；土木工程；预应力；应用；研究

1 CFRP-PCPs复合筋国外研究现状

最早形成PCPs（Prestressed Concrete Prisms）棱柱体概念的是，1950年，德国人Fensterwalder首次将预应力钢筋混凝土棱柱体应用在钢筋混凝土桥面的施工中。1958年，Mikhailov针对水库开裂问题进行了相关试验，研究表明PCPs复合筋作为一种加固材料能有效延缓水库开裂，且加固处渗透作用不明显，加固后能起到有效保水作用。1998年，Nawy和Chen在改进PCPs的相关性能后，通过对4根改进后的PCPs（高强预应力钢筋混凝土棱柱体）混凝土梁的抗弯试验研究分析得出：PCPs能有效延缓试验梁裂缝的发展，且当梁开裂后刚度下降幅值要小于普通钢筋混凝土梁。考虑到PCPs中使用钢筋所引起的腐蚀新问题， Svecova和Razaqpul再次对PCPs的组成材料进行了改进，将预应力CFRP筋混凝土棱柱体（早期CFRP-PCPs）替代早先Nawy和Chen使用的高强预应力钢筋混凝土棱柱体，并进行了相关试验研究，试验结果表明，对复合筋施加的预应力水平越高，相同荷载下复合筋混凝土梁的挠度越小，而极限承载力越大；相同荷载作用施加下，复合筋混凝土梁的刚度要大于普通钢筋混凝土梁，挠度、裂缝等变形性能也优于普通钢筋混凝土梁。2000年，Svecova和Razaqpul 两人通过一系列试验研究分析后首次提出了CFRP-PCPs（CarbonFiber-Reinforced Polymer prestressed concrete prisms，即碳纤维筋预应力混凝土棱柱体）复合筋的概念[54]。

2 CFRP-PCPs复合筋国内研究现状

目前，国内有关CFRP-PCPs复合筋的试验研究主要由本课题组在开展进行，并已经取得了一定的研究成果：

（1）通过15个CFRP-PCPs复合筋和现浇对比梁的单调静力荷载试验，对CFRP-PCPs复合筋混凝土梁的破坏形态、极限承载力和构造措施等进行了研究；在正常使用极限状态和承载力极限状态下，CFRP-PCPs筋梁的受力性能优于CFRP筋梁和钢筋混凝土梁。在考虑CFRP筋不同张拉控制应力，不同复合筋截面面积，不同复合筋根数等条件对构件受力性能的影响时发现，提高CFRP筋预应力水平在提高复合筋的开裂荷载和改善复合筋混凝土梁在正常使用状态下的裂缝和挠度方面效果最为显著[1]。

CFRP-PCPs复合筋梁板构件的破坏模式分为受压破坏、界限破坏及受拉破坏。其中又可根据构件中普通钢筋是否屈服将受压破坏分为受压破坏Ⅰ和受压破坏Ⅱ，受压破坏Ⅰ由于受力破坏前普通钢筋已屈服，破坏征兆较明显，是一种比较理想的“适筋”梁破坏模式[2]。

（2）通过6根预应力CFRP-PCPs复合筋混凝土简支梁抗震试验，对其破坏形态、位移延性、滞回特性和耗能能力等进行了较系统的研究。正向加载时复合筋混凝土梁的开裂荷载均明显高于普通混凝土梁，CFRP筋张拉控制应力较大，反向加载时构件的开裂荷载有显著的提高；提高复合筋配筋率对正向和反向加载时复合筋混凝土梁的抗裂能力均有显著提高[3]。

CFRP-PCPs复合筋混凝土梁和预应力CFRP筋混凝土梁的滞回曲线均存在一定的捏拢效应，但预应力CFRP筋混凝土梁滞回曲线的捏拢现象更为明显，复合筋混凝土梁滞回曲线的捏拢趋势相对平缓，因而复合筋梁的抗震性能要优于预应力CFRP筋梁。CFRP筋张拉控制应力的提高对复合筋混凝土梁的延性有提高作用，复合筋配筋率越大，试件的变形恢复能力越好。

（3）通过16根CFRP-PCPs复合筋加固混凝土梁的试验研究和理论分析，对CFRP-PCPs复合筋加固混凝土梁的破坏机理和CFRP-PCPs嵌入式加固的高性价比优势[4]。

对8根普通钢筋混凝土梁进行CFRP-PCPs复合筋嵌贴抗弯加固试验，试验结果表明：由于复合筋的存在，延缓了加固梁的开裂进程，被加固梁的承载能力也随着复合筋加固长度的增大而提高。

对8根普通钢筋混凝土梁进行CFRP-PCPs复合筋嵌贴抗剪加固试验，结果表明：被加固的混凝土梁承载力随复合筋加固间距的减小而增大，复合筋加固角度为45度时，被加固梁的极限承载力高于复合筋加固角度为90度的被加固梁。加固后，混凝土梁的破坏模式分为三类：a.复合筋剥离而发生剪切破坏；b.复合筋断裂而导致试验梁发生剪切破坏；c.被加固梁发生弯曲破坏。

（4）通过6个CFRP-PCPs复合筋连续梁和现浇对比梁的单调静力荷载试验，对CFRP-PCPs复合筋混凝土连续梁梁的破坏形态、极限承载力和构造措施等进行了研究；由试验梁在正常使用极限状态下的裂缝分布状态来看，复合筋在试验梁开裂后其内部的预应力效应开始逐步体现并发挥了较好的阻裂性能。其中复合筋的有效预应力值越高裂缝发展形态（指已有裂缝的延伸速率及裂缝最大宽度的增长幅值）就越好，且具有一定的变形恢复性能。复合筋对其截面开裂弯矩的贡献只与复合筋的截面尺寸有关（即仅改变开裂截面处的开裂刚度），与自身初始预应力施加值的大小无关。

通过对6根复合筋两跨连续梁从开裂、中支座控制截面受拉钢筋屈服、跨中钢筋屈服到最终承载能力极限状态的全过程分析，得出：中支座控制截面处的复合筋参与了弯矩调幅的全过程，并对调幅值的大小产生了影响。

3 展望

综上所述，CFRP-PCPs复合筋作为一种新型复合材料，与CFRP筋和普通钢筋的物理力学性能方面存在很大不同。结合国内外及本课题组目前对CFRP-PCPs复合筋的研究现状，尚有许多需要深入探讨的问题：作为一种新型复合材料，复合筋自身的本构模型有待研究确定。复合筋在混凝土中的粘结滑移力学模型还需建立，相关的疲劳性能、长期使用性能有待研究。这些也关系到复合筋在实际工程中能否更好的运用。

[1]屈建. 新型CFRP-PCPs复合筋混凝土梁受力性能试验研究与理论分析[D].广西工学院,2012.

[2]聂威. 新型CFRP-PCPs复合筋混凝土梁抗震性能的试验研究[D].广西科技大学,2013.

[3]牟晓辉. 混凝土梁侧嵌贴CFRP-PCPs复合筋的抗弯及抗剪加固试验研究[D].广西科技大学,2015.

[4]张鹏,张祥宁,邓宇,等. CFRP-PCPs复合筋混凝土连续梁承载力试验研究[J].科学技术与工程,2016,(31):250-254+269.

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1007-6344（2017）06-0299-01