预应力碳纤维布张拉锚固系统加固混凝土梁研究

龙秋颖，王建滨，赵 艳，张瀚天，李广军，宁作君

(1.佳木斯大学建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154007; 2.潍坊工程职业学院，山东 青州 262500;3.武夷学院土木工程与建筑学院，福建 武夷 354399; 4.喀什大学土木工程学院，新疆 喀什 844006)

0 引 言

碳纤维（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）是一种自重轻、抗拉强度高、化学稳定性强、柔性好、耐腐蚀性强的新型材料，近年来在建筑加固行业得到广泛应用[1-3]。目前，CFRP加固常常采用直接粘贴的方式，即通过胶黏剂将CFRP直接粘贴于受力构件表面，从而提高结构承载力。研究结果表明[4]：直接粘贴加固法存在一定局限性，即碳纤维强度的发挥需要以变形为代价，当构件破坏时，直接粘贴CFRP只能发挥10%～20%的抗拉强度，材料强度的利用率低；当被加固构件变形较大时，加固效果明显降低。针对该问题，一些学者[5-12]提出对碳纤维施加预应力，可以克服碳纤维布强度利用率低的缺陷，其中端部锚固是碳纤维施加预应力亟须解决的问题。尚守平等[8]通过新型加固设备开展了预应力CFRP加固混凝土梁试验研究，发现预应力碳纤维加固比普通粘贴CFRP加固承载力明显提高。邓朗妮等[9]采用一端锚固另一端张拉实现CFRP加固。全学友等[10]利用两端张拉螺杆实现环氧树脂楔形夹持体夹具的张拉。然而，碳纤维布加固技术主要以直接粘贴方式进行加固，不利于实际工程应用，因此研发简单、实用性强的预应力CFRP加固技术势在必行。基于国内外研究现状，本文使用新设计的碳纤维布锚具锚固张拉装置对预应力碳纤维布锚固技术进行了试验研究，考察了新型锚具锚固装置的适用性。研究结果可为预应力CFRP布张拉锚固系统优化设计提供参考。

1 新型张拉锚固系统的研制

本文从实用、安全、简单、方便角度出发，设计了一套新型碳纤维布张拉、锚固体系。具体新型张拉锚固系统示意图如图1所示。其施工工艺流程进行如下简述：

图1 张拉锚固装置系统工艺流程图

1）将混凝土两端打磨出凹槽，其两端固定端、张拉端锚固夹具连接板分别用锚栓锚固在梁底两端；

2）CFRP裁剪好后，两端利用锚具锚固住；

3）将锚固好CFRP的一端安装于梁的固定端，盖上盖板在锚固端固定；

4）将碳纤维布另一端的两个圆环穿过滑道移动使碳纤维布拉直；

5）安装加压助推器和千斤顶开始对张拉端碳纤维布连同锚固机具进行张拉；

6）待达到张拉力后，将张拉端锚具盖上盖板固定住；

7）对碳纤维布粘贴面上进行刷胶，粘贴，带固化后完成张拉，最后拆除张拉装置。

2 预应力碳纤维布锚固夹具的研制

2.1 实验设计

本次利用10对锚具共10组进行张拉锚固试验，其中1组平板锚固为对比构件，每组构件为3个，采用测量平均值作为最终实验结果；本次通过销钉锚具与相同尺寸的平板锚具的对比试验，分析新型锚具对预应力碳纤维布的锚固效果；本次试验设计了销钉尺寸为4 mm、8 mm、12 mm，销钉个数为1、3、7几种参数不同的销钉锚具。试件参数如表1所示，分别对不同直径相同个数、不同个数相同直径的销钉锚具进行张拉试验，分析销钉个数以及销钉直径的大小对销钉锚具的影响。

表1 试件参数

碳纤维布的新型锚具锚固装置由上下两部分钢板组成。上部分由平板钢板、螺栓及销钉组合而成；下部分由平板钢板、螺栓孔及销钉孔组成；上下两部分由螺栓连接如图2所示。

图2 销钉锚具（单位：mm）

2.2 试验材料

本试验采用碳纤维布SG-300a，该碳纤维布的理论厚度为0.167 mm，设计宽度为100 mm。检测的拉伸速率为2 mm/min，抗拉强度3 400 MPa；弹性模量240 GPa，伸长率1.7%。碳纤维加固胶采用MLJ型建筑结构胶甲、乙组合粘结剂，甲与乙粘结剂的配合比为3∶1。

2.3 试验仪器和加载

该试验使用的仪器为：水泥混凝土抗压抗折万能试验机（见图3），济南美特斯测试技术有限公司，测量范围0～3 000 kN；YB15/25微变形测量仪，苏州中路通试验仪器有限公司，位移量程±10 mm。

图3 抗压抗折万能试验机

2.4 试验现象与结果分析

通过10对销钉锚具共10组进行张拉试验，结果如表2所示。

表2 试验结果

由表2可知，碳纤维布的张拉控制应力在1 400～1 500 MPa之间，锚具锚固能力能满足张拉控制应力的需求。利用新型锚具对碳纤维布进行张拉锚固，锚固能力同平板锚具相比有一定程度的提高，锚固能力提高幅度达到30%以上。随着荷载的继续增大，销钉间碳纤维布会出现应力集中现象，导致销钉间碳纤维布受力迅速增大，最终破坏为应力集中破坏。新型锚具锚固能力与销钉直径、销钉个数有关：当销钉个数为3根，直径为8 mm时，锚固力达到最大值，随着销钉个数、销钉直径的增大应力集中现象增大，锚固力降低。

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2.5 破坏机理

图4为构件P2-a应力-应变曲线图，根据该图将新型锚具锚固碳纤维受力分成二阶段：线弹性阶段、滑移阶段。

图4 应力-应变曲线图

Ⅰ线弹性阶段：由图可知，碳纤维张拉前期受粘结力和压力的共同作用，应力-应变基本处于线性关系，即P2-a构件张拉碳纤维布荷载在0～40 kN阶段。由于弹性模量Ecf保持不变，新型锚具锚固碳纤维布的受力特性呈线性关系。

Ⅱ滑移阶段：随着荷载的继续增大则进入第二阶段即受粘结力、压力、抗剪切力三者共同作用，该阶段碳纤维布承受张力为40～50.21 kN。σ、ε两者之间呈凹曲线关系。凹曲线开始阶段，碳纤维应力基本不变，应变迅速增大。应变的基本公式ε=Δl/l，当ε增大，Δl相对l增长的速度更快；随着荷载持续增大，碳纤维的应力应变斜率Ecf增大，此时碳纤维布与锚具之间开始出现滑移；随着力的增大滑移量逐渐增加，应力在纤维孔附近集中，增大速度加快。当应力集中使碳纤维达到极限强度后，碳纤维破坏。

根据弹性力学理论，可以求得圆孔、裂纹尖端以及集中力附近的应力分布情况。本文分析了新型锚具在销钉的抗剪切力、粘结剂的粘结力、钢板挤压力共同作用下的锚固破坏机理，具体如下：

1）挤压力+粘结力

受力初期，碳纤维布锚固区域无形变，碳纤维布锚固仅受粘结力和挤压力两者共同的作用；随着张拉力的逐渐增大，碳纤维布所受的粘结应力开始从张拉端向锚固端延伸，碳纤维产生应变；当应变延伸到销钉锚固部位后，碳纤维的变形受到销钉阻碍，即销钉产生阻碍碳纤维布变形的抗剪切力，此时碳纤维布受到3种锚固力作用，即销钉抗剪切力、粘结力及挤压力。此阶段在图4应力应变曲线表现为线弹性阶段。

2）挤压力+粘结力+抗剪切力

随着荷载持续增大，碳纤维布的变形越来越大，新型锚具产生的抗剪切力则越大。当锚具张拉端某一点最先达到粘结极限强度而产生剥离破坏后，碳纤维极限粘结强度由中部向两端移动并逐渐向锚固端部发生剥离破坏。当极限粘结应力传到销钉锚固部位时，靠近张拉端碳纤维布大部分处于剥离受拉状态，靠近锚固端碳纤维布处于锚固状态。碳纤维孔张拉端受到较大拉力，锚固端受力较小，在碳纤维孔出现较大的拉力差，其相对差值越来越大，孔周围产生应力集中（见图5），根据圆孔附近边缘应力公式得在孔边缘处应力瞬间增大了3倍。随着荷载的增大，碳纤维孔受到集中应力值变化越来越大，当拉力达到碳纤维束的极限承载力值后，构件破坏。

图5 CFRP破坏图

3 预应力碳纤维布加固试验梁的研究

3.1 试件设计

采用新型的张拉装置，销钉直径8 mm，采用3根锚固夹具进行加固试验，碳纤维布加固层数为两层，对5根混凝土梁进行静载试验，研究其抗弯性能。实验选用b×h为150 mm×250 mm混凝土简支梁，钢筋采用HRB335，HPB300混凝土的抗压强度标准值为30 MPa，经试验得出钢筋屈服强度为306 MPa，试验梁全长2 m，支座间净跨为1.8 m。试验梁的加载及截面图如图6所示。5根混凝土梁钢筋的屈服强度均为360 MPa，混凝土轴心抗压强度均为28.1 MPa，FRP筋的弹性模量均为55 GPa，其余试件参数及结果见表3。

表3 试件参数及结果

图6 试验梁加载及配筋图（单位：mm）

3.2 试验梁加载与测点布置

试验梁采用千斤顶配合反力梁进行两点加载。MF梁将碳纤维布直接粘贴于试验梁底。MF-1、2、3试验梁则对碳纤维布张拉后将其粘贴于试验梁底。为了测量碳纤维布应力变化，在跨中CFRP布表面沿布宽度方向粘贴适量应变片。试验梁变形由各支座及跨中控制界面处布置的位移计确定。

3.3 试验现象及结果分析

试验过程中，WM试验梁初始加载时，荷载与挠度呈线性关系，随着荷载的增加，纵筋首先屈服，经过较大变形后，受压区混凝土压碎，到极限荷载后试件破坏，由上述试验过程可知，WM试件具备适筋梁破坏特征，为适筋梁破坏。MF试验梁破坏形式为碳纤维布加固梁发生剥离破坏。梁初始加载时，荷载-挠度呈线性关系，当荷载加载至42 kN时，梁底碳纤维布发生“啪啪”的响声，随着荷载的增大啪啪声越来越密集，在碳纤维布受弯区域出现混凝土-预应力碳纤维布剥离破坏，梁发生较大的变形，当荷载持续加大后混凝土受压区被压碎，梁发生破坏。

MF-1、2、3预应力试验梁的破坏形式为部分碳纤维束被拉断同时出现与混凝土剥离现象，试验梁随之破坏。加载初始，荷载-挠度成线性关系；当荷载加载至极限承载力70%时，碳纤维布发出啪啪响声，随着荷载的持续增加啪啪声越来越密集，梁纯弯区段碳纤维布部分纤维束出现撕裂，伴有剥离现象并向两端发展；当达到极限荷载时，碳纤维布被拉断，试验梁随之破坏。

由表3可知，预应力CFRP布加固混凝土梁其开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有提高。同WM对比梁相比，开裂荷载、屈服荷载和极限承载力最高可提高61%、53.7%、57.7%；同MF对比梁相比最高可提高至26.3%、32%、27%；试验梁的正截面承载力提高幅度与CFRP布张拉预应力有关，MF-1、MF-2、MF-3试验梁随着碳纤维布张拉预应力的增大，其开裂荷载、屈服荷载、极限荷载逐渐增大，但增大幅度逐渐变缓。

图7给出了简支梁的荷载-跨中挠度曲线。由图可知：预应力CFRP布加固试验梁同未加固试验梁相比，各阶段斜率均有所提高，表明利用预应力CFRP布加固混凝土梁正截面刚度得到提高。预应力碳纤维布加固梁前后荷载均有较大提高，CFRP布在此阶段发挥了很大作用。

图7 荷载-跨中挠度曲线

4 结束语

本文主要研究新设计的张拉锚固机具张拉、锚固碳纤维布技术。通过该张拉装置进行了预应力碳纤维布加固混凝土梁承载力试验，可得出以下结论：

1）利用新型锚具对碳纤维布进行锚固，锚固能力同平板锚具相比有一定程度的提高，锚固能力提高幅度达到30%以上。新型锚具锚固能力与销钉直径、销钉个数有关：当销钉个数为3根，直径为8 mm时，锚固力达到最大值。

2）利用预应力碳纤维布加固混凝土梁明显提高构件的正截面刚度。采用预应力碳纤维布加固混凝土梁，其开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有明显提高；提高幅度与预拉应力的大小有关，预拉应力越大，承载力越大，随着预拉应力的增大增长幅度见缓。

3）本次设计张拉锚固系统安装简单、方便，有效对受弯梁施加预应力，满足预应力碳纤维布加固技术要求，提高了CFRP布利用率，使碳纤维布高强度特性得到很好的发挥，可用于实际中。