高温环境下预张碳纤维板的锚固性能研究

张问坪，余世刚，马小林，田 敏，赵劲松，卓 静

(1.重庆交通大学，重庆400074;2.重庆永川区公路工程质量监督站，重庆402160;3.重庆市永川区交通局，重庆402160;4.重庆市永川区公路管理所，重庆402160;5.重庆交通科研设计院，重庆400067)

国内外研究发现，预应力碳纤维板具有高强的抗拉性能，将其用于加固桥梁能充分发挥碳纤维板的各项优势［1－2］.然而，预应力碳纤维加固技术仍有两个关键性技术难题:一是预应力的施加方法;二是锚具的研制［3］.近几年，国内外学者对预应力纤维加固技术的研究热点是在加固构件上设置永久性锚具，利用固定于加固梁的张拉设备直接进行张拉;张拉完毕后，将碳纤维黏结于梁底，锚具保留在原位.这种预应力施加方式利用加固梁和张拉设备间的相互作用，构成预应力加固系统，符合现场施工条件，适宜实际工程应用.现今，碳纤维板有各种各样的锚夹具，如夹片式锚具［4］、应力锚头［5］、波形齿夹具锚(以下简称波形锚)等.其中波形锚由于其独特的夹持原理，具有很好的现场组装功能，是一种具有较大开发潜力的碳纤维板锚夹具.

在实际工程中，桥梁加固的局部地区可能存在高温环境，例如沙漠地区在太阳暴晒情况下会出现短时间的极端高温情况.因此有必要对锚夹具夹持FRP材料在高温下的锚固性能进行研究，尤其要弄清楚在较高预应力水平下，碳纤维板是否会因为高温环境发生夹持不牢或者产生较大的应力损失.笔者特别研究了高温环境及高应力水平双重作用下波形锚对碳纤维板的锚固性能.

1 试验设计

1.1 试件设计

碳纤维板尺寸为1 400 mm×1.4 mm×50 mm，其抗拉强度为3 300 MPa(国家标准要求大于2 400 MPa)，弹性模量为170 GPa(国家标准要求大于160 GPa).碳纤维板两端都用长200 mm的波形锚锚固，把做好的试件放在预先加工好的台座上进行试验，试验装置如图1所示.

图1 试验装置示意图

试验装置一端设计为试验端，在试验过程中，采用加热装置对其加热，并采用保温措施，温度采用温度传感器进行测量;另一端为固定端，该端的波形锚及碳板不加热，处于自然环境状态.这样设计可保证在较高应力水平下的碳纤维板两端的夹具所处环境温度不一样，但其它工作状态相同，以便于对不同环境温度的情况进行对比研究.

1.2 碳纤维板张拉控制应力

考虑到碳纤维板的高强性能，一般取碳纤维板的抗拉强度的60%～65%作为预张拉控制应力.对于该试验采用的碳纤维板，其极限强度达3 300 MPa以上，为了考验波形锚在长期高应力水平下的工作性能，确定碳纤维板的张拉控制应力为2 000 MPa.

1.3 试验端环境温度

在波形锚的上表面放置一块恒温加热片持续加热(恒温220℃).同时，在波形锚的上、下表面安放温度传感器，取上、下表面温度的平均值作为试验端温度.试验中实测环境温度为85℃左右，远高于《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146∶2003)中关于长期使用环境温度不高于60℃的规定.该试验这样做是基于这样的分析:波形锚若能在85℃保持良好的锚固性能，那么在规定的60℃下使用也能保持良好的锚固性能.

除了试验端外，试件的其余部分均处于自然环境中.

1.4 试验方案

1)按图1安装仪器与试件，并对试件进行2～3次预张拉，张拉控制力为50 kN，检查试件安装是否偏心，确保碳纤维板处于均匀受力状态.

2)对安装调整好的试件进行预应力张拉，张拉控制力为140 kN，即碳纤维板上应力水平为2 000 MPa.为保证碳纤维板上应力不少于2 000 MPa，在加载时应采用超张拉，以弥补放张引起的应力损失.

3)放张完成后，在常温下碳纤维板持荷6 d，利用压力传感器连续观测碳纤维板上的拉力.

4)6 d后不卸载，在试验端安放恒温加热片，并量测试验端的温度，连续持荷4 d，观察碳纤维板上荷载变化.

5)10 d后不卸载，撤去恒温加热片，恢复到常温环境，连续持荷1 d，观察碳纤维板上荷载变化.

6)对碳纤维板进行拉伸破坏试验.

1.5 试验数据采集

整个试验采用手动千斤顶加载，加载时根据测试情况随时调整.在碳纤维板的中间粘贴应变片，试验数据通过静态电阻应变仪进行采集.在试验过程中，除温度外，其余数据的测量均为连续采集.

2 试验结果及分析

1)试件在进行预应力张拉过程中，整个装置比较稳定，没有发生异常现象.张拉完成后进行放张时，碳纤维板上荷载略有下降.在张拉与放张过程中，碳纤维板上荷载变化如图2所示.

图2 碳纤维板加载与放张时荷载变化曲线

2)试件在高应力(2 037.1 MPa)、常温(30 ±10)℃下持荷6 d，碳纤维板上的拉力值略有下降，如图3所示，总的下降值为0.37 kN，前面几分钟的下降段是由于放张引起的荷载下降引起的，下降值为2.7 kN.这说明碳纤维板用波形夹具锚固，在不太长的时间段内锚固性能基本能保持稳定.

图3 常温下荷载变化曲线

3)试件在高应力、(85±2)℃下持荷4 d，经过数据分析，碳纤维板上的拉力值略有下降，最后趋于稳定，如图4所示.碳纤维板上的荷载从142.2 kN降至138.8 kN，减小幅度约2.4%.波形锚未出现滑移现象.说明在85℃左右，碳纤维板及其锚夹具也能保持较高的预应力水平，且预应力损失较小.

图4 高温下荷载变化曲线

4)试件在撤去加热片后在常温下持荷1 d，整个过程碳纤维板上荷载基本保持稳定，如图5所示，其应力水平基本保持不变.

图5 恢复常温下荷载随时间的变化

5)试件在恢复到常温(30±10)℃下，进行拉伸破坏试验.碳纤维板从一侧开始崩裂，并发出“砰”的响声，继续加载至极限状态时，突然崩裂成纤维丝状，破坏时声响巨大.拉伸破坏试验的荷载－应变曲线如图6所示.

图6 拉伸破坏试验荷载－应变曲线

碳纤维板上的最大荷载为197.8 kN，该峰值拉力依然很高.在计算全截面的情况下，最高应力水平达2 825.7 MPa.说明碳纤维板在高应力作用下，高温对波形夹具锚固性能影响不大.

根据以上的试验数据分析可知，碳纤维板在(85±2)℃高温及2 000 MPa左右的应力水平作用下，波形锚对碳纤维板的锚固性能基本无影响，仅造成了不到3%的预应力损失.这与偏心和安装误差相比，在工程应用中基本上可以忽略不计.

3 结语

对高预应力水平碳纤维板在高温环境下的预应力损失及波形锚的锚固性能进行了试验研究，该试验结论具有较好的工程参考价值.但限于试验条件，该次试验高温及高应力的持续时间还不足够长，将在后续试验中深入研究.

［1］王兴国.预应力纤维片材加固混凝土梁抗弯性能研究［D］.长沙:中南大学，2007.

［2］周礼平，卓静.碳纤维板偏心受拉试验研究［C］//第七届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集，2011.

［3］周礼平.铰式锚张拉预应力碳纤维板的工艺研究［D］.重庆:重庆交通大学，2012.

［4］郭范波.碳纤维预应力筋夹片式锚具的研究及开发［D］.南京:东南大学，2006.

［5］ Gregor Schwegler，Thierry Berset.The use of prestressed CFRP-laminates post strengthening［R］.16th Congress of IABSE，2000.