CFRP片材预应力加固钢筋混凝土梁的发展及现状

张　毅

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

CFRP片材预应力加固钢筋混凝土梁的发展及现状

张毅

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）是由碳纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定的工艺复合形成的高性能新型材料，因其具有高强、轻质、耐腐蚀以及施工方便快捷等优点，被广泛用于结构加强及加固领域，国内外利用CFRP片材加固混凝土梁经历了一个漫长的过程。该文通过对CFRP片材预应力加固混凝土梁发展历程的总结，阐述各种CFRP片材预应力加固混凝土梁方法及其优缺点，为需要利用CFRP片材预应力加固混凝土梁的设计者提供参考。

预应力；CFRP片材；加固；波形齿锚具

1　CFRP简介

19世纪中叶，一位叫约瑟夫·莫尼哀的法国人发明了钢筋混凝土，并成功将其运用到建筑工程中，从此钢筋混凝土作为一种新兴的复合材料踏上历史的舞台，然后逐渐改变着我们周围的世界。近年来，随着人们对建筑物要求的不断提高，不少新建建筑或者构筑物类型变得多样化，既有高度上的挑战，也有跨度上的挑战，此时光依靠钢筋混凝土材料已不能完全满足建筑物或者构筑物使用功能上的需求。

世界上经济发达国家的城市建设大体上都经历了大规模新建、新建与维修改造并举和以改造为主的三个阶段，我国现在正处于第二阶段。为了使一些出了问题的老旧建筑仍能继续服务于社会或者改变已建建筑的使用功能，均需要对结构进行加固、改造、修复等处理，处理时若使用传统的加固材料往往效率较低，机械化程度要求较高，而且通常会出现耐久性问题。

为了满足新建建筑使用功能上的需求和解决传统材料在已建建筑加固改造中存在的问题，不少新型建筑材料应运而生，碳纤维材料便是其中之一。

CFRP是由碳纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定的工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料于上世纪60年代在日本问世，其具有高强、轻质、耐腐蚀以及施工方便快捷等优点。根据形状的不同，CFRP可分为片材、型材、棒材和短切纤维等，在结构加固领域中，CFRP片材应用较为广泛。CFRP片材又分为两种，一种是通过CFFR布由湿粘法加工而成的片材，另一种是通过碳纤维丝直接压缩成型的板材。

2　CFRP加固技术的发展及现状

最先将CFRP应用到土木工程界混凝土结构加固领域的是瑞士学者Meier，他于1982年将CFRP片材代替钢板并采用树脂黏结成功加固了Ebach桥。随后日本、美国、欧洲等开始了关于CFRP复合材料大量的实验研究和工程应用。

1997年国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心在我国率先开始对碳纤维片材加固混凝土结构技术的研究开发。随后国内其他科研院所及高校相继对其实验技术、各种加固方式的受力性能以及相应计算方法进行了大量的研究。

CFRP复合材料对钢筋混凝土加固经过30多年的发展，取得了丰富的科研成果。关于预应力加固技术的研究主要还是集中在预应力的施加方法和端部锚固的措施上。目前预应力的施加方法主要有：反拱法[1]、外部辅助框架张拉法[2]、直接张拉法[3]、先锚后张法[4]和温度变化法[4]等，端部锚固措施主要有：U型箍锚固[5]、钢板-螺栓锚固[6]、波形齿锚具锚固[7]等。按照建立预应力情况和锚固方式进行归纳，CFRP片材加固钢筋混凝土梁发展大致可以分为以下几个阶段。

2.1普通粘贴

在CFRP复合材料对钢筋混凝土加固技术研究的初期，直接将未经过任何张拉的CFRP片材用树脂粘贴在梁底是最为普遍的做法，如图1所示。

图1　非预应力普通粘贴示意图

国外关于这方面的试验与研究成果非常的多，如Saadatmanesh[8]、Quantrill、Chajes等分别采用不同的操作工艺（粘贴预制FRP板、纤维布湿粘法和树脂灌注法）对非预应力普通粘贴钢筋混凝土加固技术进行了研究。大量的试验与工程应用证明，非预应力普通粘贴加固钢筋混凝土构件即使在加载破坏时，FRP片材中的应力仍然不到其极限强度的5%，因此FRP材料的强度并没有得到很好的发挥。

为了充分发挥FRP片材高强度的优势，国内外研究学者提出了对FRP片材先施加预应力，再粘贴到构件的表面形成加固效果的预应力普通粘贴FRP片材加固技术。该加固技术依靠混凝土与碳纤维片材之间的粘结共同工作，由于FRP片材上的拉应力需要向混凝土传递，因此会在树脂层中形成剪切应力和垂直于片材板面的剥离应力，这些应力在FRP片材端部尤为突出，当突破粘结层材料的强度极限时，加固梁就会出现剥离破坏，这种破坏有可能会在FRP片材的中部，也有可能会在端部。

大量试验和应用证明这种加固技术依然存在以下问题：（1）FRP片材的只在受拉钢筋屈服后才能发挥作用，而此时结构或构件的挠度变形一般已经很大，因此当FRP片材用于受弯加固中时，通常只能看作是一种安全储备，并不能在实际意义上提高构件的承载力；（2）利用该技术加固后受弯承载力与加固前构件的原有配筋量有很大关系，且FRP的强度一般不能得到充分利用。

2.2预应力U型箍锚固

为了延迟加固梁的剥离破坏，提高FRP的利用率，有研究者提出了预应力U型箍锚固方法：即在加固梁纵向一定宽度内，沿两侧梁腹表面和梁底表面连续加贴一层或者多层FRP布，将已张拉并粘贴于构件上的FRP片材压住，达到锚固的目的，如图2所示。

图2　预应力U型箍锚固示意图

U型箍加固是目前比较广泛的一种加固措施，关于U型箍加固的试验研究国内外也比较多，有代表性的如Swamy[9]、叶烈平[10]、杨勇新[11]、尚守平[12]、飞渭[13]等。

试验研究表明，U型箍对FRP端部剥离破坏起到了明显的抑制作用，但同时也存在着不足，比如荷载达到一定水平之后，U型箍有可能被剪断，同时U型箍的内测也会与混凝土剥离开来，因此纵向的FRP片材不能有效的发挥其强度优势。

2.3预应力钢板-螺栓锚固

为了能改善加固梁端部粘结处混凝土局部拉剪破坏以及端部CFRP片材剥离的情况，广州大学梅力彪、张俊平[6]等人开发出了一种钢板-螺栓锚固体系，如图3所示。

图3　预应力钢板-螺栓锚固体系示意图

该锚固体系首先将CFRP布进行外部张拉，然后粘贴在混凝土梁上，等胶结材料固化后，再在端部安装好钢板锚固CFRP布。试验表明，这种锚固方式可以有效的避免混凝土局部拉剪以及端部的剥离破坏，并且能够有效的提高碳纤维的使用率，但这种锚固方法也存在严重的不足，就是该方法建立起的有效预应力比较低，同时当荷载比较大时，永久锚固钢板并不能很好的锚固碳纤维片材而发生锚固端的粘结破坏。

H.N.Garden和L.C.Hollaway[14]也采用这种锚固方式。

2.4预应力波形齿多点锚固横向张拉体系

重庆大学李唐宁团队自行研发的钢制波形齿锚具很好的解决了CFRP片材在高应力状态下的锚固问题。同时利用波形齿两端锚固，中间横向施压使CFRP片材产生纵向变形建立起了一套预应力波形齿多点锚固体系，如图4所示。其张拉原理如图5所示。

图4　预应力波形齿多点锚固体系示意图

图5　预应力波形齿多点锚固体系张拉原理

试验[15-18]还表明，该锚固体系能够充分的发挥CFRP片材的抗拉能力，同时对于多层（10层以上）CFRP片材也能很好地锚固，不会出现CFRP片材拉断前的锚固失效[19]。同时该锚固体系的能够较大幅度地提高混凝土梁的疲劳性能[21]。

该锚固体系张拉设备简单，现场可操作性强[19]，相对于目前加固领域中大多数加固技术在锚固效果、施工的方便性和经济方面有不可比拟的优势。

2.5预应力波形齿纵向张拉体系

李唐宁团队在前期的试验中利用波形齿锚具进行了一系列的CFRP片材的张拉试验，如验证波形齿锚具锚固性能的拉伸试验、以钢梁为台座模拟波形齿夹具横行张拉CFRP带的试验。

陈小英博士在前期试验的基础上，实现了利用波形齿在钢筋混凝土梁侧和梁底横向张拉CFRP带的加固技术[19]，试验表明，该技术除了能够大幅度提高钢筋混凝土梁的开裂、屈服、极限荷载，还能够有效地限制混凝土裂缝宽度的发展。然而该项技术也存在着一些缺陷，那就是在对CFRP板进行横向张拉时，施加的预应力大小不易控制，不利于波形齿锚具系统的推广。

战卫国针对陈小英博士试验的缺陷，对波形齿锚具、张拉材料和张拉方式进行了优化，提出了全新的基于铰式锚固的梁底纵向张拉CFRP板体系，如图6所示，并实现了对两根已开裂钢筋混凝土梁的加固。

图6　梁底纵向张拉CFRP板体系示意图

试验[20]表明，该体系具有很好的锚固性能，也具有很强的可操作性，能够在CFRP板上建立起较高的有效预应力。由于该试验将张拉材料改为了CFRP板，因此施工周期得到进一步缩短，同时试验将CFRP片材横向张拉改为千斤顶纵向张拉，也有效的解决了横向张拉预应力大小不易控制的缺陷。

基于铰式锚固的梁底纵向张拉体系当时由于试验条件的限制，只能在梁侧钻孔安装螺栓形成如图1.6所示的锚固端。在实际情况中，对于混凝土梁底钢筋较为密集而不能进行钻孔等操作时，可以利用该方法对梁进行加固，然而对于新浇注或者一般的钢筋混凝土梁来说，该锚固端却显得有些复杂。因此李唐宁团队对端部锚固措施进行了优化处理，如图7所示。

图7　端部优化后的梁底纵向张拉CFRP板体系示意图

试验[22]通过对一根未加固试验梁TL0和两根加固试验梁TL1、TL2的抗弯性能试验的试验研究和理论分析，表明优化后的梁底锚固装置是可行的，并且能够在CFRP板上建立起比优化前更高的预应力，对混凝土梁的加固效果也更理想，但在该体系下预应力加固混凝土梁的疲劳性能还有待研究，各种理论还有待完善。

3　总结

CFRP片材预应力加固钢筋混凝土梁的方法经过30多年的发展，从最初的普通粘贴到预应力U型箍锚固，再到预应力钢板螺栓锚固、波形齿多点锚固横向张拉体系和波形齿纵向张拉体系，张拉和锚固技术不断进步，混凝土梁的加固效果也不断提高。但各种方法各有优缺点，如表1所示，设计者需要根据实际情况择优选用。

表1　各种方法的优缺点

[1]岳清瑞．我国碳纤维（CFRP）加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑，2000，30（10）：23-27.

[2]赵启林，王景全，金广谦，等.碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析[J].钢结构，2002，17（3）：51-54.

[3]江见鲸，李杰，金伟良.高等混凝土结构理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：21-22.

[4]杨勇新.碳纤维布与混凝土的粘接及其预应力加固技术[R].清华大学博士后研究报告，2003.

[5]沙吾列提·拜开依，叶列平，杨勇新，等.预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的施工技术[J].施工技术，2004，33（6）：23-24.

[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]卓静，李唐宁，邢世建，等.一种锚固FRP片材的体外预应力新方法[J].土木工程学报，2007，40（1）:15-20.

[8]Char M S.Saadatmanesh H and Ehsani M R.Concrete girder externally prestressed with composite plate[J].PCI Journal，1994（5-6）.

[9]P Mukhopadhyaya，RN Swamy.Debonding of carbonfiber-reinforced polymer plate from concrete beam[J].Structures &Buildings，1999，134(4):301-317.

[10]叶列平，庄江波，沙吾列提·拜开依，等.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土T形梁的试验研究[A].第七届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议论文集[C].2004.

[11]李庆伟，杨勇新，岳清瑞，等.预应力碳纤维布加固混凝土梁锚固方式试验研究[J].工业建筑，2006（4）：9-11.

[12]尚守平，彭晖，童桦，等.预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究[J].建筑结构，2003（5）.

[13]飞渭，江世永，彭飞飞等.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件试验研究[J].四川建筑科学研究，2003.

[14]Garden H N，Hollaway L C.An experimental study of the failure modes of reinforced concrete beams strengthened with pre-stressed carbon composite plates[J].Composites Part B Engineering，1998，29（4）.

[15]卓静，李唐宁.波形齿夹锚在碳纤维片材加固技术及预应力技术中应用研究[J].公路交通技术增刊.2005，36（7）: 100-104.

[16]卓静，李唐宁，章庆学，等.锚固多层碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验研究[J].建筑结构，2006，36（3）:25-27.

[17]卓静，李唐宁，邢世建，等.一种锚固FRP片材的体外预应力新方法[J].土木工程学报，2007，40（1）:15-20.

[18]卓静，李唐宁，章庆学，周密.波形齿夹具锚锚固碳纤维布加固混凝土梁试验研究[J].建筑结构，2005，35（7）:63-66.

[19]陈小英.波形齿系统及其预拉CFRP带体外加固混凝土T形梁抗弯性能试验研究[D].重庆:重庆大学，2010.

[20]战卫国.CFRP板体外预应力加固混凝土梁试验研究分析[D].重庆：重庆大学，2011.

[21]吴金保.多点锚固预应力CFRP加固混凝土梁疲劳性能模拟分析[D].重庆：重庆大学，2014.

[22]张毅.波形齿锚具梁底预应力张拉CFRP板加固混凝土T形梁抗弯性能试验研究[D].重庆：重庆大学，2014.

责任编辑：孙苏

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pre-stress;CFRP laminate;reinforcement;WSGG anchor

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A

1671-9107（2015）12-0071-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2015.12.071

2015-10-12

张毅（1980-），男，重庆人，研究生，助理工程师，主要从事建筑结构设计工作。