基于新型预应力CFRP技术梁板柱关键结构研究

曹玉祥 安璐 全学友

摘 要：CFRP（碳纖维复合材）材料轻质高强，抗拉强度可达3000MPa及以上，并且具有良好的抗环境性能，而且施工操作比较简单，近年来在土木工程梁、板、柱结构的加固中获得了广泛应用。普通粘贴CFRP片材不能发挥材料的抗拉强度，这不仅缘于混凝土梁的裂缝限制，也受到挠度的限制，还受到在裂缝两侧、CFRP片材两端的高粘结剪应力导致的剥离破坏的限制。由于粘贴操作时不做卸载处理或难以进行卸载，正常使用状态下粘贴的CFRP布并不参与受力，因此对改善结构使用性能几乎不起作用。普通粘贴的CFRP布只有在超载条件下才会参与受力，但由于应变滞后以及弹性模量与钢筋相当或低于钢筋等原因，裂缝宽度限值条件下CFRP片材能发挥的应力水平一般只有材料强度标准值的1/20左右或略高。本项目提出的高效后张CFRP板预应力桥梁结构加固系统，以CFRP板为预应力加固材料，通过预张拉，使CFRP板在正常使用状态下即处于较高应力状态（不低于1000MPa），从而改善桥梁结构正常使用性能水平;通过预张拉，减小各种载荷条件下的粘结剪应力，降低剥离破坏风险，确保CFRP板与基体混凝土结构协同工作;在承载能力极限状态下，能够充分发挥材料的抗拉强度，提高材料利用率;利用CFRP板端部锚具，彻底解决CFRP材料端部剥离破坏现象，确保CFRP板加固的可靠性;通过完善锚具设计和张拉工艺设计，使CFRP板预应力加固在房屋、桥梁等梁、板、柱关键结构研究领域获得广泛应用，推动技术进步和生产力发展。新型预应力CFRP碳纤维板（CFRP）复合材料，可以使得抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中大量房屋、桥梁、边坡、地下工程等重要工程结构的系统性安全产生科学有效的保障效应。

关键词：新型预应力CFRP;碳纤维复合材料;梁板柱关键结构研究

Abstract：CFRP（carbon fiber composite）material is lightweight，high strength，tensile strength can reach 3000MPa and above，and has good environmental performance，and the construction operation is relatively simple，in recent years in the reinforcement of civil engineering beam，slab，column structure It has been widely used.Ordinary paste CFRP sheet can not exert the tensile strength of the material，which is not only due to the crack limitation of the concrete beam，but also limited by the deflection，but also by the peeling damage caused by the high bonding shear stress on both sides of the crack and the CFRP sheet at both ends limits.Since the unloading process is not performed or it is difficult to uninstall during the pasting operation，the CFRP cloth pasted under normal use does not participate in the force，so it has little effect on improving the structural performance.Normally attached CFRP fabrics will only participate in the stress under overload conditions，but due to strain hysteresis and the elastic modulus is equal to or lower than that of steel bars，the stress level of CFRP sheets under crack width limits is generally only The material strength standard value is about 1/20 or slightly higher.The high-efficiency post-tensioned CFRP board prestressed bridge structure reinforcement system proposed in this project uses CFRP board as the prestressed reinforcement material.Through pre-tensioning，the CFRP board is in a higher stress state（not less than 1000MPa）under normal use.In order to improve the normal use performance level of the bridge structure;through pre-tensioning，reduce the bonding shear stress under various load conditions，reduce the risk of peeling damage，and ensure that the CFRP board and the base concrete structure work together;under the limit of the bearing capacity，Can fully exert the tensile strength of the material and improve the utilization rate of the material;use the end anchor of the CFRP plate to completely solve the peeling and destruction phenomenon of the end of the CFRP material to ensure the reliability of the CFRP plate reinforcement;through the perfect anchor design and tensile process design In order to make CFRP plate prestressed reinforcement widely used in the field of research on the key structures of beams，slabs and columns such as houses and bridges，and promote technological progress and productivity development.The new prestressed CFRP carbon fiber board（CFRP）composite material can make the systematic safety of a large number of important engineering structures such as houses，bridges，slopes，and underground projects in the field of earthquake resistance and disaster prevention and engineering structure safety and reliability have a scientific and effective guarantee effect.

Key words：New type prestressed CFRP;Carbon fiber composite material;Beam-slab-column key structure research

目前，普通粘贴CFRP增强工程结构强度的材料工作应力很低，通常只是抗拉强度的1/20。以CFRP（碳纤维复合材料）板作为预应力施加材料，通过预张拉，使CFRP板在正常使用状态下即处于较高应力状态（不低于1200MPa），提高材料自身抗拉强度的利用率达到目前状况的10倍以上，大大提高了桥梁、框架等工程结构正常使用性能和工程寿命的延长。通过预张拉，也减小各种载荷条件下的粘结剪应力，降低剥离破坏风险，确保CFRP板与基体混凝土结构协同工作;在承载能力极限状态下，能够充分发挥材料的抗拉强度，提高材料利用率;利用CFRP板端部锚具，彻底解决CFRP材料端部剥离破坏现象，确保CFRP板增强工程结构强度的可靠性;通过完善锚具设计和张拉工艺设计，使预应力CFRP板在桥梁、框架等工程结构领域获得广泛应用，推动技术进步和生产力发展。新型预应力碳纤维板（CFRP）复合材料系统技术大大地促进了碳纤维复合材料在增强工程结构强度方面的利用领域，因此产生显著的工程技术效益和社会经济效益。

一、实验要求

（一）实验原理

对普通钢筋混凝土梁与增加新型碳纤维复合材料的梁的抗弯强度进行对比，分析新型碳纤维复合材料对钢筋混凝土梁的强度提高情况。

（二）材料与试样及实验主要设备

（1）选择日本东丽公司生产的T300型环氧树脂基碳纤维复合板，I级板材，标准强度≥2400MPa。

（2）加载设备，拉杆、分配梁、反力钢梁、千斤顶测力计。

（3）数字静态电阻应变仪（DH3819）。

（4）应变釆集仪采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH38I9应力应变测试系统，其参数如下所示：

①毎台计算机可控制32个模块，单模块可测8测点.

②扫描速度：中模块8测点/秒。

③灵敏度系数1.0～3.0自动修正。

④适用电阻：60Ω～10000Ω。

⑤应变量程：±20000με。

CMOS相机：MER-500-7UM-L型，中国大恒（集团）有限公司。

（三）实验标准

为保证相关设计要求，本试验测试技术要求如下：

（1）碳纤维板规格：50mm×1.4mm;

（2）单端张拉，锚下张拉控制应力.张拉力为150kN;

（3）锚下张拉控制应力为≥1500MPa。

二、实验过程

（一）检测点布置

试件在对于预应力碳纤维板复合材料拉伸过程中，本试件只进行水平向的静载试验。在挙近张拉端锚具、靠近固定端锚具的碳纤维板上，以及碳纤维板中部对应位置粘帖应变片，共使用9张应变片，应变片测点布置如图3所示。

（二）试验进程

张拉静载试验共分11级进行分级加载。

按照《碳纤维片材加固混凝土技术范程》CECS147：2007要求，碳纤维板材抗拉强度标准值2400MPa。首先，对预应力碳纤维铀固系统进行预张拉，预张拉取抗拉强度标准值的5%（即8.4kN）。然后，采用分级张拉方式，依次为抗拉强度标准值的20%、40%、60%（上述3级张拉后持力2min，然后开始下—级张拉）。然后，张拉至1700MPa，并持力30min，以验证是否能够满足设计要求。此后以100MPa为一级，即1800MPa、1900MPa、2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2400MPa（上述每级张拉后持力2min;然后开始下一级张拉，若某一级发生破坏或者达到2400MPa时，试验终止）。试验工况安排如上表所示。

三、结果与分析

根据应力与应变的计算公式σ=Eε：可以得到理论应力应变曲线，其中：σ为理论张拉应力，E为试件弹性模量，ε为应变理论值，根据试验测试得到的应变值ε，可以拟合一条实测应力应变曲线，测试得到的预应力碳纤维板描固系统张拉应力应变曲线如图4所示。根据厂家提供的碳纤维板材料《检验报告》，其弹性模量E取值为1.64×105MPa。

测试得到的应力应变曲线与理论值之间存在一定比例的偏差，经分析，主要山碳纤维板的弹性模星偏差造成。碳纤维板本身属于不均匀材料，弹性模最离散性较大，随着张拉应力的增加，碳纤维板的弹性模量也不断变化，存在逐步增大的非线性趋势。但总体来说，碳纤维板的实际弹性模量大于《检验报告》测定理论值，导致实际应变值相对偏小，采用本产品进行桥梁加固是偏于安全的。同时，碳纤维板张拉力测试值达到2400MPa时，虽然存在偏差，但仍然远远滿足设计提出的1700MPa的性能指标要求。

四、结论

从以上图3的应力应变曲线中可知，当张拉应力达到1500MPa时，预应力碳纤维板夹持及锚固性能、锚固螺栓抗剪能力满足《碳纤维片材加固混凝土技术范程》CECS147：2007要求的技术要求。CFRP预应力加固方法，施加预应力后CFRP加固效果获得了显著的改进，证明在实验室条件下CFRP预应力加固方法的有效性;在实际土木工程实例中，工程梁、板、柱结构的加固效果同样显著，获得了广泛应用，经济效果突出，社会效果显著。

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科技计划项目：贵阳市科技计划项目（筑科合同[2011101]1-44号）;贵州省科技计划项目（黔科合GY字[2011]3042号）

作者简介：曹玉祥（1963— ），男，汉族，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，研究方向为工程材料分析、工程结构研究与设计。全学友（1963— ），男，汉族，四川遂宁人，博士，教授，研究方向为工程结构研究及设计、工程材料研究;安璐（1965— ），男，汉族，贵州遵义人，高级工程师，研究方向为工程材料分析研究。