预应力CFRP加固钢梁抗弯性能的研究进展

2020-03-05王志成张秀林刘宛钦谢文剑

工程建设与设计 2020年23期

王志成，张秀林，刘宛钦，谢文剑

（河海大学土木与交通学院，南京210098）

1 引言

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）是一种新型材料，同时拥有质量轻、强度高、耐腐蚀和耐疲劳的优点。钢结构是现阶段工程建设中经常使用的材料，有着强度高、塑性好、制作方便、工期短等特点，由于在使用过程中，钢结构大多承受弯矩作用，因此，提高抗弯性能对钢结构来说更加重要，对未受损钢梁的强化和对损伤钢梁的修复，在工程实际中是不可避免的，作为众多加固钢梁材料的一种，预应力CFRP板在钢梁加固中对抗弯性能的增强有一定优势。本文综合了国内在对钢梁不同预应力CFRP板加固方法下的抗弯性能的研究，总结比较了不同预应力CFRP板加固方式下的钢梁抗弯性能的提高程度，为工程中加固钢梁的方式提供参考。

2 预应力CFRP板常见加固方法

2.1 反拱预应力法

将CFRP板贴在梁底，在黏结剂未固化之前，使用千斤顶或者其他加载装置，在梁中部反向加载，使钢梁中部向上拱起，以抵消钢梁因自重引起的变形，保持荷载不变，待黏结剂固化后移去施加的荷载，在钢梁恢复变形的过程中，CFRP板被张拉，粘贴的CFRP板就被施加了预应力，同时控制反向施加的荷载大小，可以控制CFRP板施加的预应力水平【1】。

2.2 不设锚具的外部张拉法

把CFRP板先用预先准备的张拉装置进行张拉，然后将张拉后的CFRP板通过黏结剂将其粘贴于待加固梁的底部，端部同时施加必要的锚固措施，养护一段时间至黏结剂固化，再把CFRP板剪断，就可以对钢梁施加预应力。同时也存在先粘贴CFRP板，在黏结剂固化之前，再通过张拉装置进行张拉【2】。

2.3 永久锚具张拉法

首先在待加固钢梁上预先放置永久性的锚具，通过钢梁自身作为反力架对CFRP板进行预应力的施加，当施加至所需的预应力水平时，就可以把CFRP板粘贴在钢梁上，在黏结剂固化以后，CFRP板就被施加预应力并且黏结和锚固在钢梁上，通过自身作为反力架，避免了额外放置外部装置，在一定程度上改进了外部张拉法【3】。

3 研究进展

3.1 未受损钢梁的加固

吴涛【4】对共8根工字形钢梁进行对比试验，其中4根通过设置永久锚具法进行预应力施加，通过对预应力CFRP板加固钢梁的正截面承载力的变化进行研究，试验发现，在预应力CFRP板加固下的钢梁的屈服荷载值和极限荷载值都有明显的提升，并且提高的程度和CFRP板的用量以及预应力水平成正比，根据加固钢梁的挠度变化特点分析，提出了预应力CFRP板加固下的挠度计算公式。

卢亦焱等人【5】研制了一套预应力CFRP板的张拉设备，通过对7根试验钢梁进行对比试验，其中4根钢梁的CFRP板通过永久锚具法施加了预应力，试验结果表明，采用预应力CFRP板加固的钢梁屈服弯矩和极限弯矩有所提升，同时，提高的幅度和施加的预应力水平相呼应，在预应力CFRP板的加固下，CFRP板提前参与工作，提高了CFRP板的利用率，在试验的基础上，建立了预应力CFRP板加固钢梁正截面承载力的设计方法。

朱捷【6】通过研究5根钢梁的对照加载试验，其中3根钢梁用改变CFRP板伸长量来控制预应力水平，在对预应力CFRP板加固钢梁的挠度进行试验研究后，发现在加固钢梁正截面承载力和刚度方面有所改善，分析试验数据，发现采用预应力CFRP板加固的方式来加固未受损钢梁，钢梁的抗弯极限承载力有着相应的提升，同时基于钢梁受弯理论，完成了对预应力CFRP板加固钢梁的挠度计算公式的建立。

王家栋【7】通过4根钢梁试件进行对比试验，其中2根是反拱预应力法加固的钢梁，对反拱法加固钢梁的抗弯能力进行分析，试验数据说明，通过反拱预应力法能有效地提高钢梁在达到屈服时的荷载和极限荷载，同时在不同反拱力下的预应力碳纤维增强复合材料加固的钢梁，与未施加预应力CFRP板加固的钢梁比较，在反拱力分别为100kN、130kN、160kN的预应力加固下，屈服荷载值分别提高了2.84%、3.64%、4.46%，极限荷载分别提高了1.40%、1.58%、1.76%。

3.2 受损钢梁的修复加固

陶利【8】制作了5根试验钢梁进行加载试验，其中3根钢梁进行预应力CFRP板加固，通过控制CFRP板的长度和宽度因素，分析试验现象和试验数据得到结论，相比于未施加预应力的CFRP板加固钢梁的方法，预应力CFRP板加固的方法可以更大程度地提高钢梁的极限承载力。同时，还发现当对CFRP板施加的初始应变越大时，受损钢梁的极限承载力增大幅度越大，预应力CFRP板加固方式还可以改善CFRP板在钢梁加固中的利用率。

贾永辉【9】主要对9根预应力CFRP板加固的带缺陷的钢梁进行加载试验，与非预应力CFRP板加固的钢梁相比较发现，可以更好地抑制钢梁裂缝的开展，同时，通过预应力CFRP板加固的钢梁，对于提升损伤钢梁的极限承载力以及延性有一定作用，20%和40%预应力水平下加固钢梁的极限承载力分别提高27.5%和52.3%，但对刚度的改变并不是很显著。

吴量【10】通过比较4种常见的CFRP板加固钢梁的形式，研究不同因素对CFRP板加固损伤钢梁受力性能的影响，试验表明，预应力CFRP板加固钢梁的方式，可以改善钢梁的抗弯性能，提高被加固钢梁的抗弯承载力、刚度以及延性，同时，预应力施加的水平越高，在反拱力的作用下，损伤钢梁抗弯承载力和刚度的提高越明显，尤其对有缺口的损伤钢梁加固效果更好，但当预应力水平过高时，会导致预应力CFRP板在工作中达到它的极限变形，从而不满足使用的安全性。

彭圣元【11】主要对预应力CFRP板和CFRP板加固的6根锈损钢梁进行正截面抗弯承载性能试验，以此来研究预应力对CFRP板加固的影响程度，通过改变预应力施加的水平，对钢梁进行加载试验后得出结论，预应力CFRP板加固锈损钢梁的方式，可以提高钢梁的承载力，其中在12%fu和15%fu预应力CFRP板加固下的锈损钢梁（fu为CFRP板的极限抗拉强度），极限承载力各自提高了0.53%和5.98%，并且预应力条件下可以提高CFRP板加固受损钢梁的利用率，在对钢梁的受力特点的基础上进行分析，建立了预应力CFRP板加固条件下锈损钢梁的屈服承载力的计算公式。