复合式预应力碳纤维板的加固试验研究

区锡祥 朱万旭 庞忠华

摘 要：针对现有加固方法中纤维材料的缺点，提出使用高强钢丝与碳纤维丝制成用于加固混凝土梁的预应力复合碳纤维板。对复合预应力碳纤维板加固混凝土梁进行试验研究，以未加固梁为参考，研究复合预应力碳纤维板与预应力碳纤维板加固混凝土梁效果的异同。试验结果表明，复合预应力碳纤维板锚固效果达到极限应变并且能较好地提高结构变形能力。该技术将高强钢丝与碳纤维丝在加固工程中优势互补，形成一种性能优良、成本较低且施工便利的新型复合加固材料，可在实际工程中大力推广使用。

关键词：预应力；高强钢丝；试验研究；加固材料

中图分类号：TU378 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0001-04

Abstract： In view of the shortcomings of fiber materials in the existing reinforcement methods， a prestressed composite carbon fiber slab is made of high strength steel wire and carbon fiber wire for strengthening concrete beams. Based on the experimental study of composite prestressed carbon fiber reinforced concrete beam， the effect of composite prestressed carbon fiber slab and prestressed carbon fiber slab on strengthening concrete beam is studied. The experimental results show that the anchoring effect of the composite prestressed carbon fiber slab reaches the limit strain and can improve the deformation ability of the structure. The technology complements the advantages of high strength steel wire and carbon fiber wire in strengthening project， and forms a new composite reinforcement material with good performance， low cost and convenient construction， which can be popularized and used in practical engineering.

Keywords： prestress； high strength steel wire； experimental study； reinforcement material

1 概述

将预应力碳纤维增强聚合物（简称CFRP）板用于桥梁加固，是最近十年出现的一项新兴加固技术，因其具有耐腐蚀性强、可施加预应力、轻质且易于施工等诸多优点，广泛应用于各种结构的维修加固工程，特别是桥梁的快速抢修加固。对预应力CFRP板加固技术各方面性能的理论和试验研究[1～6]逐渐完善，为工程推广应用[7～8]打下了良好基础。然而随着预应力CFRP板应用加固工程的增多， CFRP材料的抗冲击性能差，施加预应力时容易突然脆断，安全隐患大等问题暴露出来，影响其推广应用。

崔海波[9]、鞠树生[10]等人对碳纤维增强复合材料低能量冲击后的剩余拉伸强度进行了研究，结果表明即使是肉眼无法观察的冲击损伤，也会导致材料剩余拉伸强度明显降低。高强钢丝具有韧性好、成本低的优点，吴刚[11]等人提出采用预应力高强钢丝绳加固混凝土梁的新方法；丁亚红[12～13]等人提出了采用内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁的新方法；邓滔[14]在西河大桥应用预应力钢丝绳-聚合物砂浆加固技术，首次将预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固法应用于实际加固工程中，并使该桥梁的承载能力得到明显提高。尽管该加固法成本较低，但同样存在着聚合物养护时间长、不适宜快速加固等缺陷；工程加固时施工质量要求高也使其在应用上受到制约。

针对以上问题，将碳纤维丝包裹着高强钢丝，由高强钢丝和碳纤维丝复合制成加筋碳纤维板，可较好地解决现有加固方法中存在主要缺点。用加筋碳纤维板与普通CFRP板对混凝土梁进行加固对比试验，比较两者在加固混凝土梁时的屈服荷载、极限承载力及破坏方式等特征因素，从而验证加复合式纤维板是否满足加固工程的要求。

2 复合式碳纤维板

复合式碳纤维板即在碳纤维板生产线中，使用高强钢丝替换部分碳纤维丝，要求碳丝完全包裹钢丝，碳纤维丝与高强钢丝在外力的牵引下，进入模具成型并加热固化，制成钢丝与碳纤维复合板材。钢丝表面预处理后，可控制钢丝与碳纤维丝界面的粘结力，避免由于CFRP损伤，导致钢丝在损伤处产生过大压力集中，提前断裂而发挥不出

韧效果。

將参入钢丝量为7.8%的复合碳纤维板放置在自然环境下，至今没有出现裂纹或裂痕。试制的复合式碳纤维板如图1所示，截面白亮的小圆点即为高强钢丝，其排列有序，碳板表面看不到钢丝嵌入痕迹。且静载试验效果较好，静载性能达到国标GB/T14370对纤维增强复合材料用锚具的锚固效率系数要求，碳纤维丝与钢丝受力均匀，静载试验破断后碳丝均匀发散如图2所示。

3 试验研究

3.1 试件情况

采用混凝土强度等级为C55，共6件250mm×400mm×4200mm的混凝土试件，分别进行复合式碳纤维板与常规CFRP板进行加固对比试验，其中试件L-1为未加固梁；试件CL-0为采用CFRP板加固，但未施加预应力的梁；试件CL-2为施加预应力的CFRP板加固梁；试件ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3都是采用复合式碳纤维板施加预应力加固的梁；碳纤维板的规格均为50mm×3mm，采用同一套锚固装置进行张拉，梁净跨为4000mm，其中剪跨区段长为1600mm。试件尺寸如图3所示，试件明细详见表1。所有试件采用相同配筋，底部受拉纵筋配有2Φ20HRB335，箍筋为Φ10@120mm，受压区配有2Φ10HPB300的架立筋。

3.2 材料性能

由于受壓钢筋是架立筋，在计算弯矩值时不考虑其受力，只考虑受拉钢筋，因此试验只对受拉钢筋进行拉伸试验，试验用混凝土实测强度见表2，受拉钢筋φ20HRB335性能见表3，试验用CFRP板50mm×3mm性能参数表4。

3.3 测点布置及加载方案

试验加载如图4所示，采用两点纯弯加载方式，支点间距为4000mm，加载点间距为800mm，通过分配梁，平均的将荷载施加在试验梁上，在梁的跨中、加载点及支座处安装布置有千分表，以记录试验过程中梁的挠度变化。加载方式按照现行混凝土结构试验方法标准执行，在加载过程，画出梁的裂缝发展图，并记录各裂缝出现时的荷载值、裂缝数量、宽度等变化情况，直至试件破坏。

图4 试验加载示意图

4 试验现象及结果分析

主要试验现象与结果：

各构件在荷载作用下，均达到了极限荷载，根据试验中实测的各试验梁的开裂荷载和极限荷载，计算得出不同加固方式有效性，详见表5和表6。

根据表5，6对比前三组即L-1、CL-0、CL-1数据，可以观察到，使用普通CFRP板对混凝土构件粘结加固的L-1试件，能够明显提高被加固构件的开裂、屈服及极限荷载。对普通CFRP板施加预应力之后的CL-0和CL-1试件，其加固效果更为明显。目前对普通CFRP板预加预应力加固混凝土梁的研究已相当完善，众多专家学者已对其加固效果及影响进行研究和验证，表5，6中CL-0和CL-1实测的数据验证了这一结果，试验梁的主要破坏形态如图5、6所示。

通过表5，6可以观察到，使用加入高强钢丝的复合CFRP板进行加固的ZSCL-1、ZSCL-2、ZSCL-3三组试件，开裂荷载分别提高了293.3%、291.8%、291.8%，与使用普通预应力CFRP板进行加固的CL-0试件提高率291.8%基本一致，使用加高强钢丝的复合CFRP板对混凝土梁构件的屈服荷载提高系数分别为200%、238.5%、226.5%，与普通CFRP板施加预应力后的CL-0试件提高系数218.2%也非常接近，同时使用加高强钢丝的复合CFRP板的三组构件的极限荷载的平均值为285kN，与使用普通预应力CFRP板加固的282.4kN差别很小。

通过对混凝土梁构件加载后的性能数据对比可知，使用加入了7.8%高强钢丝的复合CFRP板对混凝土梁构件进行加固时，其加固效果与普通预应力CFRP板的加固效果基本相同，复合CFRP板中碳纤维含量的减少及高强钢丝的加入，并没有改变或影响其加固功能。

5 结束语

针对加入高强钢丝的复合CFRP板与普通预应力CFRP板的加固效果异同，设计了六组试件进行对比试验。通过观察试验现象，对比分析试验结果。得到以下结论：

加入高强钢丝的复合CFRP板与普通预应力CFRP板在加固工程中，对被加固构件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的提高程度相同，即预应力加筋复合CFRP板与普通预应力CFRP板具有相同的加固效果。

本文对加筋碳纤维板加固混凝土梁的加固效果分析目前只获得初步的进步，但仍需不断探究混杂高强钢丝的新型预应力CFRP对梁的加固补强性能。

参考文献：

[1]ACI440.2R ERTA-2009，Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[S].

[2]EI Hacha R， Wigth R G， Heffernan P J， et al. Prestressed CFRP sheets for strengthening reinforced concrete structures in fatigue. The 6th International Conference on Fiber-reinfoeced Plastics for Reinforced Concrete Streuctures （FRPRCS-6）.Singapo

re：2003.

[3]彭晖，尚守平，金勇俊，等.预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究[J].工程力学，2008，05：142-151.

[4]薛伟辰，曾磊，谭园.预应力CFRP板加固混凝土梁设计理论研究[J].建筑结构学报，2008，04：127-133.

[5]尚守平，张宝静，吕新飞.预应力碳纤维板加固梁桥长期徐变性能的试验研究[J].公路交通科技，2015，05：68-74.

[6]梅力彪，张俊平.预应力碳纤维板加固混凝土梁的粘结锚固性能试验研究[J].工业建筑，2006，36（4）：15-18.

[7]杜修力，张建伟，邓宗才.预应力FRP加固混凝土结构技术研究与应用[J].工程力学，2007（12）：62-74.

[8]窦勇芝，韦福堂，甘科，等.预应力碳纤维板加固T梁桥施工技术[J].预应力技术，2014（1）：35-38.

[9]崔海坡，温卫东，徐颖.冲击后复合材料板剩余抗拉强度影响因素分析[J].机械工程学报，2008，44（2）：49-53.

[10]鞠树生，燕瑛，成传贤.复合材料低速冲击特性分析[A].全国复合材料学术会议[C].2000.

[11]吴刚，蒋剑彪，吴智深，等.预应力高强钢丝绳抗弯加固钢筋混凝土梁的试验研究[J].土木工程学报，2007，12：17-27.

[12]丁亚红，张春生.内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁抗弯试验研究[J].工程力学，2010，07：175-180.

[13]丁亚红，刘丽娜.表层内嵌预应力螺旋肋钢丝加固混凝土梁变形性能理论分析[J].工程力学，2013，04：191-197.

[14]邓滔.预应力钢丝绳-聚合物砂浆加固技术在西河大桥的应用[J].公路与汽运，2015，01：175-179.

[15]GB50367-2013.混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[16]徐福泉，李东彬，赵基达，等.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的试验研究[J].建筑结构，2010，S2：372-375.