FRP在加固系统中预应力损失研究综述

卢春玲,张哲铭

(桂林理工大学 a.土木与建筑工程学院;b.广西岩土力学与工程重点实验室;c.广西有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心,广西 桂林 541004)

0 引 言

混凝土结构在使用过程中随着时间的推移与自然环境的影响会产生一定的损伤与老化,导致结构承载力下降,降低建筑物的使用寿命。采用新型的FRP材料(fiber reinforced polymer, 纤维增强复合材料)对结构进行加固是一种简便、 有效的加固方法。 FRP材料20世纪40年代问世于美国, 首先应用于航天业, 随着加工制造业不断成熟, 因其产品耐腐蚀、 耐高温、 质轻、 热容量小以及抗拉强度高等特性, 到20世纪80年代已经开始广泛运用于土木工程中[1-4]。 FRP种类较多, 可分为芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、 玄武岩纤维增强材料(BFRP)、 碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)等[5-8]。

FRP弹性模量较低,作为加固材料使用时,对结构刚度的提升有限,且存在应力滞后的问题,学者通过借鉴混凝土结构设计技术的基本原理提出了一种主动提供约束应力方式的预应力FRP加固技术。目前有FRP布、FRP筋与FRP板,其中FRP筋与FRP板已有较成熟的加固技术,CFRP板已经较为广泛地运用在结构加固中[9-11]。对FRP施加预应力会不可避免地产生预应力损失的问题,现阶段预应力FRP加固的预应力损失试验研究发现，张拉装置的变形滑移、温度变化与加固构件摩擦等会产生一定的预应力损失。预应力损失会降低FRP材料的加固效果,如何保持有效预应力是FRP加固技术中亟待解决的问题。

由于FRP材料种类较多、 试验条件及加固方法不尽相同, 相关理论研究并不完善。 本文根据国内外已有的FRP加固应力损失试验进行综述比较, 探讨了加固锚具、 施工工艺、 材料特性、 外部环境等对FRP预应力损失的影响, 在此基础上, 对如何提高预应力FRP的有效应力进行了展望。

1 FRP预应力损失因素研究现状

研究表明，FRP材料在施加预应力过程中预应力损失普遍发生在两个阶段: 第一阶段是持荷前FRP与混凝土构件接触会产生摩擦损失; 第二阶段为张拉完预应力对FRP锚固后会使FRP产生持荷损失。FRP材料在张拉、持荷过程中预应力损失路线如图1所示。FRP材料在施加预应力、持荷过程中,施工工艺的缺陷、锚具滑移变形、FRP材料特性、外部环境(温度, 大气中酸、 碱、 盐含量)等因素都会使FRP产生预应力损失。

1.1 预应力FRP锚具的研究现状

张拉装置(锚具)的滑移变形造成FRP应力损失较大,锚具与FRP衔接的紧密度、锚具自身刚度与锚具张拉的施工工艺是锚固过程中预应力损失的主要因素。Yamakawa等[12]研究出一种钳式锚夹具，当其对FRP布施加预应力时,通过同步拧动上下螺栓使夹钳式锚具向内移动,从而对FRP施加环向预应力。由于研究初期夹钳式锚具中所使用的钢材强度较差,不能提供较大的预应力,也不能在现场均匀、精确地控制FRP片材中的预应力。Mortazavi等[13]通过将膨胀砂浆灌注入CFRP 套管与混凝土之间来施加预应力对混凝土柱主动提供环向约束, 并通过改变膨胀砂浆配合比来控制预应力大小, 试验发现灌入法虽然能施加预应力, 但砂浆配合比不易控制, 会使FRP受力不均匀。 周长东、 李季等[14-15]研究出了一种新型自锁式锚具,其施加预应力的方法为将CFRP布的两端浸渍胶体, 然后粘贴于两半组成的锚身, 待胶固化穿插螺栓对锚具进行预应力施加， 此法粘贴流程较慢, 且施加较大预应力时锚具中螺杆会发生弯曲变形, 造成FRP损失过大。 程东辉等[16]和易亚敏[17]研制出了一套对FRP布施加环向预应力的张拉装置, 该张拉装置施工工序较复杂, 不利于在现场进行受损墩柱的快速加固。 卢春玲等[18]研发了一种对多层FRP施加预应力的楔片式锚具,如图2所示。此锚具利用楔片式原理,配上结构胶使FRP片材与夹片锚固于锚具内,此锚具可对2层及以上偶数层FRP进行预应力张拉。

图1 FRP应力损失路线图

图2 预应力张拉装置

1.2 张拉过程中FRP预应力损失

1.2.1 FRP与混凝土构件摩擦产生的预应力损失 FRP筋在预应力张拉时会与管道壁间产生摩擦损失,其原理与混凝土结构中预应力钢筋的摩擦损失类似,根据国内规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)规定,FRP筋在张拉过程中由摩擦产生的预应力损失σl1为

(1)

式中:Ncon为钢筋锚固下张拉控制应力;Nx为距张拉端为x的计算截面处钢筋实际的张拉力;Ap为预应力钢筋的截面面积;σcon为预应力FRP筋对锚下张拉控制应力;θ为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和;k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数;μ为预应力钢筋与管道壁间的摩擦系数;x为从张拉端至计算截面的管道长度。

周长东等[19]用自锁式锚具对混凝土圆柱进行CFRP布加固,发现摩擦损失为张拉过程中的主要应力损失,图3是碳纤维布环向加固混凝土圆柱的受力简图,预应力碳纤维布加固混凝土圆柱过程中会产生摩擦损失,且随着张拉端越远摩擦损失越大,联立方程有

(2)

式中:F为锚具端部的张拉力;θ为距离张拉端的圆心角;μ为碳纤维布与柱表面的摩擦系数; 在dl段由摩擦产生的预应力损失为df, 因此摩擦损失产生的f为

(3)

图3 碳布受力图

式中:R为圆柱半径;x为圆柱表面的弧长。

卢毅等[20]通过预应力玄武岩纤维布钢管发现预应力施加过程中纤维布与试件表面发生相对滑动产生摩擦损失σl1,图4为纤维布受力分析,根据受力平衡得到

(4)

根据弹性力学分析,最后得到微分方程

(5)

卢春玲等[21]对有倒角处理的混凝土方柱进行预应力CFRP布损失试验, 研究发现随着张拉端距离的增加,碳纤维布的摩擦损失越大,在倒角处引起的摩擦损失比占总摩擦损失比50%以上,且随着控制预应力越大、柱表面越粗糙、倒角半径越小摩擦损失值越大。吴章勇[22]在对CFRP板张拉过程中发现,碳纤维板呈直线张拉时应力分布均匀不存在摩擦损失;对碳纤维板依次呈曲线张拉,张拉角度为2°、4°、6°、8°时,摩擦损失率分别为1.18%、2.00%、2.58%、3.29%,CFRP板摩擦损失随张拉角度的增加而增大,摩擦损失为张拉过程中FRP与结构表面发生相对滑动而引起的主要损失,张拉过程中控制应力越大、张拉距离长、张拉角度大、接触面越粗糙FRP摩擦损失值越大。

图4 碳布受力分析

1.2.2 张拉锚具变形对FRP的预应力损失 轴向张拉FRP放张后锚具将承受巨大的压力,会使锚具压缩变形产生预应力损失,参照JTG 3362—2018,FRP回缩引起预应力损失σl2为

(6)

其中: Δl为FRP张拉端锚具变形FRP回缩值和接缝压缩值;l为张拉端至锚固端之间的距离;Ep为FRP材料的弹性模量。

Costa等[23]对NSM-CFRP层合板加固钢筋混凝土梁进行了预应力损失试验， 研究发现应变损失主要位于粘合长度的末端, 而在张拉中心区域, 大部分初始应变随时间保持良好。 Saadatmanesh等[24]对CFRP筋进行预应力张拉, 认为预应力施加后的初始阶段应力损失主要由1 h内的锚具端滑移变形与树脂基体的滑移造成的, 由锚固端造成的张拉力损失ΔPS为

ΔPS=E0A(ε0-ε1),

(7)

式中:E0为FRP的弹性模量;ε0为FRP的初始应变;ε1为1 h后FRP的应变;A为FRP的截面面积。

卢毅等[20]认为， 锚具造成FRP损失并不是一个瞬时过程, 放张后预应力在20 min内损失最快, 80 min后逐渐趋于平缓， 且张拉预应力越大锚具损失越大。 郭馨艳等[25]用预应力CFL(碳纤维薄板)加固钢筋混凝土梁, 在张拉阶段试件CFL的平均预应力损失为7.4%, 粘结层与CFL箍完全固化后进行放张, 放张后CFL各试件的应力损失率均值为3%。 王文炜等[26]通过对浸渍环氧树脂的后张法预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行预应力损失试验，研究认为预应力损失主要是由放张后的CFRP布与锚具间的滑移与锚具滑移变形组成的, 张拉并持荷72 h放张, 预应力损失占初始应力的12.6%～18.2%； 环氧树脂胶养护72 h时再放张与即刻放张相比较, 即刻放张的碳布与锚具之间的胶体处于流动状态更容易发生滑移损失。

黄金林等[27]对钢筋混凝土梁进行预应力碳纤维板损失试验,结果表明当预应力水平为0.2、0.3时,碳纤维板张拉过程中预应力损失为3.76%、6.59%;在粘贴碳纤维板过程中不同步升降造成应力损失为1.49%～1.82%；碳纤维板放张过程中预应力损失在50 s内完成,之后预应力损失增加缓慢,损失率为2.97%～3.73%。尚守平等[28]通过千斤顶对2根12 m长的工字形钢上进行碳纤维板张拉，待千斤顶卸载后预应力瞬时损失率为2.2%,卸载1 h后损失率为2.3%，试验表明这部分预应力损失主要由卸载后锚具压缩变形与碳纤维布回缩引起,其损失量与施加的预应力大小以及端部的锚固效果有关。邓宗才等[29]对4个不同初始应力水平的芳纶纤维布进行应力松弛试验， 在施加应力1 h后, 锚固端造成的应力损失损失率为4.82%～5.46%。 杨勇新等[30]利用滚轴式锚具对2组不同长度的碳纤维布进行张拉试验,张拉过程中装置的转向轴摩擦及变形损失率为1%～3%,螺栓变形造成的预应力损失率在1.5%左右,粘贴碳纤维布的过程中提升平板装置会发生变形损失,此损失占初始应力的7%～8%。

综上所述,无论是FRP加固钢筋混凝土梁、FRP加固柱或通过张拉装置对FRP轴向张拉,FRP的预应力损失都随张拉控制应力的增加而增大,其锚具滑移变形产生的预应力损失也是如此。

1.3 持荷过程中FRP预应力损失

1.3.1 FRP材料特性造成的预应力损失 FRP由增强纤维和基体组成,一般用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂作基体。纤维的直径很小一般在10 μm以下,属于脆性材料易断裂。FRP布在受力的过程中,FRP内应力重分布,短纤维先受力,随着持荷时间的增长,稍短纤维所承担的荷载通过碳纤维布的编织经线传递给稍长纤维,导致FRP应力松弛。

Saadatmanesh等[24]根据试验数据测得CFRP筋的松弛率在1 h内可达总损失率的50%, 且应力松弛的损失速率随时间的增长变慢。 Zou[31]测试了AFRP与CFRP筋在0.5预应力度条件下1 000 h的松弛性能, 发现AFRP筋的应力松弛损失率为7%, CFRP筋的松弛率为1%。 对试验数据回归分析拟合得到AFRP筋应力松弛损失率β与时间t的关系式为

β=0.796 2lnt+1.467 7。

(8)

孟履祥等[32]参照日本《测量纤维塑料筋应力松弛试验方法》(JSCE-E 534—1995), 同时参照国内测量预应力筋松弛的方法对国产CFRP筋在0.4、 0.5、 0.6预应力度条件进行了松弛测试, 100 h后观测到CFRP筋的松弛损失率分别为1.64%、 2.12%和2.47%。 李世宏[33]设置了4组预应力碳纤维布张拉试件, 试验在国产PLS-500伺服试验机上进行， 试件的预应力分别取0.45fcfk、 0.5fcfk(fcfk为碳纤维布抗拉强度标准值)， 并认为对碳纤维布张拉完24 h后的预应力损失为碳纤维布的松弛损失, 24 h后预应力损失率为0.59%～1.52%, 且应力变化较小, 6 d后应力损失值很小及变化幅度趋于平稳。 Wang等[34]对3组涂抹环氧树脂胶的碳纤维片材在张拉台进行张拉,分别张拉至预应力0.40ffu、0.48ffu、0.56ffu,在控制恒温恒湿的条件下监控2 500 h发现松弛损失在2.2%～6.6%,通过简单的最小二乘回归,假定碳纤维布的松弛在2 500 h后没有变化,有效预应力与初始预应力比值β为

(9)

式中:fpR为放张某时间t后碳纤维片材的残余应力;fpi为初始应力;ffu为碳纤维片材的极限抗拉强度。

邓宗才等[29]认为预应力芳纶纤维布的松弛损失发生在1 h后,放张10 h松弛损失发展最快,且应力松弛损失随应力水平的增加而增大。对试验数据回归分析得到以1 a为基准的芳纶纤维布应力松弛损失σl5计算式为

σl5=0.08(σi/ftu+1.64)σi,

(10)

式中:σi为初始应力;ftu为名义极限抗拉强度。

杨勇新等[30]认为碳纤维布的蠕变为FRP材料特性造成的长期损失的原因之一, 并对放张后的碳纤维布进行50 h的监测, 试验发现预应力在放张15 h后稳定在某一定值, 随时间的增长应力基本保持不变。 郭馨艳等[25]对预应力CFL(碳纤维薄板)进行30 d预应力监测,发现张拉控制应力水平为8%、15%、22%时试件应力损失率为1.8%、1.9%、2.5%,放张后CFL在稳定阶段的应力损失与预应力大小有关,预应力越大即稳定阶段的预应力损失越大。黄金林等[27]对放张20 d的5组每组51碳纤维板试评进行监测, 如图5所示, 发现大部分预应力损失在50 h内完成, 其后预应力损失增加缓慢, 损失率为2.63%(预应力水平30%的10个试件)～3.43%(预应力水平20%的15个试件),并对试验预应力损失监测数据进行回归分析, 现碳板的长期松弛损失与初始应力和时间有关, 对松弛部分预应力损失监测数据进行回归分析得到碳纤维板的松弛损失σl5公式为

σl5=0.009 6σcon+8.43lgt,

(11)

式中:σcon为张拉初始应力,t为应力松弛的时间。

图5 CFRP板放张20 d的预应力损失

1.3.2 外界条件对FRP的预应力损失 Saadamanesh等[24]研究表明，在相同预应力水平及温度下,CFRP绞线在酸溶液、碱溶液、盐溶液、大气中10 h的松弛率为6.34%、6.27%、6.81%、5.02%,FRP在酸、碱、盐中的松弛量大于在空气中松弛量,其原因是OH-或Cl-会渗透到环氧树脂中破坏其树脂基体结构。El-Hacha等[35]在室温(+22 ℃)与低温(-22 ℃)条件下对T型梁张拉预应力CFRP布, 在室温(+22 ℃)下放张5 h后CFRP布预应力几乎保持不变, 在低温(-22 ℃)下暴露的CFRP布预应力变化高达4.0%,将低温恢复到室温时,由于低温暴露引起的预应力损失完全恢复,可知相比室温条件下,低温会增大FRP的预应力损失。李知兵[36]在不同温度下对预应力碳纤维板加固桥梁结构进行了预应力监测，认为碳纤维作为补强材料,其热膨胀系数比混凝土、钢筋的热膨胀系数小得多,当温度变化时碳纤维的变形量与混凝土的变形量差距较大,界面两侧的两种材料相互约束,碳纤维内部将不可避免地产生温差应力,其温差分布与截面换算后的几何参数如图6所示。

图6 温差分布与截面几何参数

温度场分布下碳纤维板的应变εf为

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

当温度发生变化时, 碳纤维板应力增量Δσf及应变差Δεf为

Δσf=EfΔεf；

(17)

(18)

式中: Δt1=T1′-T1, Δt2=T2′-T2,T1、T2与T1′、T2′分别为工况1、2下梁上表面与下表面的温度;εf为加固后碳纤维板应变;Ef、αf、Af分别为碳板的弹性模量、线膨胀系数以及截面面积;Ec、αc、Ac、Ic分别为混凝土的弹性模量、线膨胀系数、混凝土主梁截面面积和惯性矩。

1.3.3 加固构件变形对FRP预应力损失[26]参照JTJ 3362—2018中混凝土收缩徐变引起的预应力筋预应力损失的计算方法，混凝土收缩徐变引起的FRP预应力损失为

(19)

美国AASHTO规范[37]给出了不同的理论计算方法,根据AASHTO规范混凝土FRP因收缩徐变引起的预应力损失为

σl6=σSR+σCR;

(20)

σSR=εshEcfKid;

(21)

(22)

(23)

式中:Acf为CFRP布截面面积;Ag为混凝土梁毛截面面积;Ig为混凝土梁毛截面惯性矩;ecf为CFRP布偏心距;σSR为混凝土收缩引起的预应力损失;σCR为混凝土徐变引起的预应力损失;σpc构件受拉区全部纵向钢筋截面重心处由预应力产生的混凝土法向压应力。

王文炜等[26]根据中国规范与AASHTO规范对CFRP布加固钢筋混凝土梁由混凝土徐变与梁的压缩变形而产生的预应力损失进行的计算发现,不同规范计算出存在一定的差值,但差值占总损失比例较小。黄金林等[27]认为碳纤维板放张且胶粘结固化后,张拉应力会通过界面剪应力传递给梁,使梁底部获得预压力,按弹性理论及CFRP板与混凝土梁截面无相对滑移的假设,混凝土最大预压力σc为

(24)

σl4=αcfσc。

(25)

2 存在的问题与研究展望

FRP加固技术是结构加固中的前沿技术, 采用预应力加固方法可以提高构件的疲劳承载力、 减小裂缝宽度、 改善结构延性等。 FRP的高强度、 无污染、 耐腐蚀等材料特性在实际工程中对于老化构件、 震损构件的加固仍是迫切需要的。 国内外对FRP预应力损失研究以及FRP加固结构性能试验研究较多, 但是由于试验方法、 试验条件、 选用材料不尽相同, 在许多方面理论也并不完善, 表1为本文对FRP损失数据的文献汇总, 并对其进行对比分析。

(1)锚具滑移或变形损失仍为FRP在加固过程中主要损失,FRP材料构造的不同,如FRP板、FRP布、FRP筋等,会使材料在放张的预应力损失不同,整体性较好的FRP板相对损失较小,编织类FRP布相对损失较大。张拉装置(锚具)变形滑移会导致FRP产生一定的预应力损失,且锚具滑移产生的预应力损失并不是一个瞬时过程, 前期损失最快,1 h左右损失值逐渐趋于稳定,且随张拉应力的增加锚具变形产生的预应力损失越大。摩擦产生的预应力损失与锚具变形滑移产生的预应力损失占FRP总损失比例较大,目前国内外对于FRP张拉装置的研究较少,如何研发方便快捷的张拉装置并降低摩擦产生的预应力损失是解决问题的关键所在。

(2)与锚具损失相比, 松弛损失、 外界因素、 构件变形等造成的FRP损失占比较小, FRP材料松弛损失是依存时间变化, 且材料构造、 初始应力的大小都会成为松弛率变化的因素。 FRP在长期持荷作用下会产生一定的松弛损失, 这是由材料属性与制作工艺所致, 且预应力越大FRP松弛损失越大。 FRP材料是一种热缩冷胀的材料, 温度的变化会造成FRP的预应力损失, 在实际工程中温度变化是不可避免的。 加固构件的变形会也使FRP材料产生一定的预应力损失, 相比较摩擦损失与锚具滑移造成的预应力损失, 温差造成的预应力损失、 松弛损失与构件变形损失总损失比例较小。尽管预应力FRP加固会产生较大的预应力损失, 但FRP材料低耗无污染的材料特性, 使预应力FRP加固技术仍是当前研究的热点。 随着经济发展的不断壮大, 对结构抗震性、 抗疲劳与延性要求的不断提高,大量的建筑结构急需预应力加固, 其施工效率高、 施工质量高、 对后期的维护要求较小且加固效果和综合效益好。 研发方便快捷的新型张拉装置是预应力加固系统的基础, 保持长期有效的预应力是加固技术中的重点。 由于试验条件、 方法与选材的不同,所以目前FRP损失试验研究理论尚且不足, 对张拉过程中的摩擦损失与持荷后预应力损失计算都是基于试验结果统计的经验公式,并没有取得一致认识。 如何构造可以量化的FRP张拉系统用于FRP加固,完善加固过程中FRP的预应力损失理论,都需要在得到充分的试验数据和精确模型分析结果后展开深入研究。

表1 FRP预应力损失研究汇总

3 结 论

本文将现有的预应力FRP试验与应用案例的最近进展进行了比较,对不同施工工艺与FRP在材料特性下产生的预应力损失进行归纳总结,并对如何有效保持FRP预应力研究方向进行展望,得到如下主要结论:

(1)锚具变形滑移损失为FRP持荷后的主要预应力损失,且损失时间较快,预应力越大锚具变形产生的预应力损失越大。不同材料会使FRP损失存在差异,编织类的FRP损失相对较大。

(2)FRP自身的材料特性会产生一定的松弛损失,CFRP筋在酸、碱、盐中的应力损失量大于在空气中的。FRP在低温条件下的预应力损失高于室温条件下的预应力损失;混凝土结构在压缩变形与徐变的条件下会引起FRP的损失,相比较锚具变形损失与摩擦产生的预应力损失,FRP材料松弛损失、温差变化与构件变形等产生的预应力损失占FRP总损失比例较小。

(3)FRP加固技术作为加固结构中的前沿技术,在土木工程未来的发展中扮演着重要角色,其中预应力的发展是加固技术中的重点,由于工程界对预应力FRP加固技术的研究起步较晚,其施工技术与理论研究并不完善。对于预应力锚具的研发仍是加固技术中研究的热点,增加预应力锚具的锚固性能、降低预应力损失、有效提高预应力FRP的锚固效率是至关重要的。相信随着研究的不断深入,预应力FRP加固可以达到理想的加固效果,FRP加固技术会越来越成熟。