有粘结作用下预应力碳纤维板张拉控制应力研究

吴 丹， 晏春雨， 彭 辉， 周 义， 耿汶肼

(重庆科技学院 建筑工程学院， 重庆 400074)

预应力碳纤维板加固技术是一种快速、高效的加固新方法，结合了碳纤维板材轻质高强、预应力主动加固的优点，在工程加固领域得到了快速的发展与应用。预应力碳纤维板快速加固法，采用将碳纤维板进行张拉，然后粘结到结构表面，形成有粘结作用的预应力结构体。有粘结作用下预应力碳纤维板加固技术在工程中得到广泛应用，其中张拉控制应力的取值，直接影响预应力碳纤维板的加固效果和安全。如果张拉控制应力取值较低，则不能充分发挥碳纤维板工作性能，材料利用率低，且不能有效地提高被加固构件的抗裂度和刚度；如果张拉控制应力取值过高，不能保证混凝土构件在破坏时具有足够的延性和变形能力，施工过程中碳纤维板出现破损概率增大，容易出现崩丝等现象，增加了施工安全风险。本文结合其受力特点、材料特性、构件延性要求等，对有粘结作用下预应力碳纤维板的张拉控制应力进行了试验研究。

1 有粘结作用下预应力碳纤维板加固原理

工艺流程：组装碳纤维板、锚具钻孔、植筋安装锚固座、碳纤维板涂胶、安装固定端锚固座、安装张拉端锚固座、预应力张拉、碳纤维板的顶压粘贴[1]。

预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的基本原理即先对碳纤维板施加一定的预应力，再将预应力碳纤维板锚固粘结于被加固梁的受拉区。加载时，荷载对梁底产生拉应力，对梁顶受压区产生一定的压应力，当荷载继续增加，荷载对梁底产生的拉应力刚好抵消预应力碳纤维板对梁底产生的压应力，梁底混凝土应力为零，此过程称为消压阶段。预应力碳纤维板加固的承载力比普通碳纤维板加固的承载力提高值等于消压阶段的弯矩值。

2 张拉控制应力的初步确定

2.1 上限值的初步确定

碳纤维板属于线弹性材料，容易发生脆性破坏，其弹性模量与普通钢材相近，抗拉强度为钢材的8～10倍[2]，参考JTGD 62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[3]要求(表1)以及极限状态下构件的裂缝和挠度限值要求，建议张拉控制应力上限值初步可取0.7ftpk。

表1 JTGD 62-2004要求取值

2.2 下限值的初步确定

碳纤维板是由碳素纤维使用树脂浸润硬化形成，工作时依靠全部的细小碳纤维丝的协同受力来提供抗拉力，受力性能优于碳纤维布。根据碳纤维布常用推荐值0.4ftpk以及规范规定的预应力钢筋张拉控制应力不宜小于0.4ftpk，建议张拉控制应力下限值初步可取0.4ftpk。

3 试验研究

为进一步确定预应力碳纤维板张拉控制应力取值，对预应力碳纤维板进行张拉实验。碳纤维材料属于高强抗拉材料，较小的截面尺寸限制了碳纤维板的加固量与初始张拉力，与实际工程状况有较大差距。针对现有研究中的不足，为尽量模拟实际加固状况，减小尺寸效应的影响[4]，本次实验选用大比例混凝土梁进行试验。

3.1 试件设计

实验采用3根截面如图1所示钢筋混凝土T梁，全长7.2 m，计算跨径6.8 m，采用双层50 mm×2 mm的碳纤维板，其抗拉强度为2 400 MPa，弹性模量为160 GPa，锚具采用铰式波形锚[5]。所有试件采用相同的配筋、尺寸、碳纤维板规格以及用量，3个试件张拉控制应力分别取1 000 MPa、1 500 MPa、1 700 MPa。

加载方式为跨中两点加载，两点间距1.2 m，加载时逐级缓慢加载。

实验测量方案：在受拉钢筋跨中、梁底碳纤维板跨中以及加载点处进行应力应变采集；测量梁底跨中挠度，各阶段钢筋混凝土梁裂缝数量和宽度，观察并记录对裂缝发展方向等情况。

实验时，先按照预应力碳纤维板加固方法，将锚具与碳纤维板进行组装，安装锚固座，涂抹碳纤维板胶，进行张拉。

图1 钢筋混凝土T梁尺寸(单位：cm)

3.2 试验现象及结果

1#试件试验过程描述：荷载P加到90 kN时，裂缝向上发展且梁底其他位置有新裂缝产生；荷载加载到320 kN时，钢筋屈服，裂缝发展加快；继续加载，碳纤维板表面出现起皮现象，且裂缝向翼缘发展，新裂缝产生较少，主要以原有裂缝发展为主；加载到437 kN时，因实验梁产生较大变形，裂缝发展较宽终止实验。

2#构件实验现象描述：荷载P加载到115 kN时，构件纯弯区出现竖向可见裂缝；继续加载，裂缝向上发展且宽度增加，有向加载点倾斜的斜裂缝产生；荷载加载到340 kN时，钢筋屈服；继续加载，构件裂缝向翼缘方向发展且逐渐变宽；加载到457 kN时，碳纤维板拉断破坏，终止实验。

3#构件实验现象描述：加载到135 kN时，分配梁下部纯弯区开裂；继续加载，分配梁下部以及加载点与支座间的弯剪段有竖向裂缝和斜裂缝产生；加载到355 kN时，受拉钢筋跨中部位屈服，裂缝和挠度较上一阶段发展加快；继续加载，梁底发出一些响声，经检查，碳纤维板与裂缝较宽地方发生轻微剥离；碳纤维板表面出现“起皮”以及发出“崩丝”的声音；碳纤维板发生几次“崩丝”现象后碳纤维板突然断裂，传感器显示荷载为452 kN。

表2列出了3个试件的破坏模式。

表2 构件破坏模式

图2描述了3个试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的大小以及与张拉控制应力间的规律：

图3表示的是3个试件的荷载-挠度关系：

图3 荷载—跨中挠度

通过对试验现象研究分析，得出以下结论：

(1)均未发现锚具与碳板滑移，证明了铰式波形锚具有良好的夹持和锚固性能；

(2)张拉控制应力的大小对构件极限承载力影响较小；

(3)张拉控制应力的大小对开裂荷载及屈服荷载影响较明显，且控制应力越大开裂荷载与屈服荷载越大；

(4)张拉控制应力越大，碳纤维板越容易断裂，构件延性降低，越容易出现脆性破坏。

4 结论

结合实验现象分析，在保证被加固构件的抗裂度、刚度以及材料的充分利用，建议有粘结作用下双层预应力碳纤维板张拉控制应力下限值取为0.4ftpk，同时为了保证结构的延性及变形能力，考虑到加固过程的施工安全问题，碳纤维板的张拉控制应力上限值取为0.55ftpk。