新型碳纤维复合材料（CFRP）增强工程结构梁强度关键技术研究

曹玉祥 安璐 全学友 张任飞 李志强

摘 要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer 以下简称CFRP），是在20世纪60年代逐步发展起来的新型材料。防腐性能更好、粘结性能与钢筋相差不多并且抗拉强度更高的CFRP材料成为代替钢筋的工程材料，不仅可以极大地改善各种恶劣环境条件下的工程结构使用性能、大大延长工程结构使用寿命，并且可以开拓传统工程结构使用材料的可选范围，达到新型材料代替传统工程结构使用的关键性科研成果。也实现了新型材料在工程结构应用技术上的重要突破这一显著的社会经济效益。我国完成了大量运用CFRP加固钢筋混凝土结构的基础实验和理论研究，并于2003年颁布了我国第一部CFRP加固技术规程《CFRP片材加固混凝土结构技术规程》（CECS145：2003）。碳纤维板（CFRP）复合材料的使用，能够大大增强工程结构梁、板、柱承受外部荷载的强度，也可以在抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中应用于国际先进的工程结构使用寿命健康检测体系，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：碳纤维复合材料;工程结构使用寿命;增强工程结构梁强度

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0126-04

0引言

通过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;由于新型碳纤维复合材料对钢筋混凝土梁的强度大幅度提高的效能，本技术因此将应用于目前国际上先进的工程结构使用寿命健康检测体系中，对于抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中重要工程结构的整体安全产生系统性保障效应[1-2]。

1 实验原理

（1）钢筋混凝土简支梁正截面强度静载试验（梁的尺寸参见图1）。

（2）在相同的条件下制作截面尺寸、配筋、混凝土强度均相同的四根简支梁，取其中的两根梁在梁底粘贴碳纤维板，然后加载并记录每根梁的开裂荷载、破坏荷载、挠度。

倒置试验梁，采用反力钢梁及拉杆加载，从下面向上面分级加载，在标准荷载以前分5级。作用在试件上的试验设备重量及自重等，应作为第一级荷载值，第二级～第五级荷载值应根据梁设计强度确定。

当试件接近破坏时，注意观察试件的破坏特征并确定破坏荷载值：

（1）受压区混凝土破损;

（2）纵向受拉钢筋屈服;

（3）构件纵向受拉钢筋处最大裂缝宽度达到1.5mm。

3实验设备及测试精度

3.1实验主要设备

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，斜纹编织铺层结构[3-5]，纤维体积含量40%;“固特棒”结构碳纤维复合板专用胶，垂流度1～0，抗压强度89.7MPa，拉伸抗剪强度89.7MPa，正拉粘结强度4.2MPa。

（2）加载设备，反力钢梁、千斤顶测力计、拉杆、分配梁等。

（3）数字静态电阻应变仪（DH3818-2）。

（4）刻度放大镜。

（5）CMOS相机：MER-500-7UM-L型，中国大恒（集团）有限公司。

3.2实验梁尺寸及配筋（图2）

混凝土抗压设计值：C20，按浇制实件由压力机测得：f=20.5（MPa）。

钢筋强度：受拉主筋Rg=235MPa（实际屈服强度）。箍筋Rg=180MPa。

3.3加载方式及测点布置

从下面向上面加载，倒置实验梁，用反力梁及拉杆加载，如图3所示。

4实验步骤

（1）梁的理论开裂和破坏荷载，按实验梁截面及使用材料计算[6-7]。

P裂=2.1kN，P破=6.35kN

（2）裂缝前取10%破坏荷载为一级，以后取20%，破坏荷载为一级。

PⅠ=1kN，PⅡ=2kN，PⅢ=3kN，PⅣ=5kN，PⅤ=7kN

（3）按级加载，每级加载后10min～15min读数，在加PⅠ、PⅡ时注意观察裂缝的出现情况。

5梁裂缝情况及破坏特征记录

无碳纤维板设计梁为弯曲变形破坏，如图4所示;粘贴新型碳纤维复合材料板的梁为剪切变形破坏，如图5、图6所示。

6测试结果分析

6.1无碳纤维板实验数据整理

6.1.1受拉主筋應力δ与荷载平均值P的关系

荷载平均值P与受拉主筋应力关系见图7。

6.1.2荷载平均值P与跨中挠度f的关系曲线

跨中挠度f与荷载平均值P的关系见图8。

6.2有碳纤维板实验数据整理

6.2.1受拉主筋应力与荷载平均值P的关系

有碳纤维板受拉主筋应力δ与荷载平均值P的关系见图9、图10。

6.2.2荷载平均值P与跨中挠度f的关系曲线

有碳纤维板荷载平均值P与跨中挠度f关系见图11。

6.3应力测试结果分析

（1）实测无碳纤维板梁开裂荷载平均应力值：2.9kN;

（2）实测无碳纤维板梁破坏荷载平均应力值：10.65kN;

（3）实测有碳纤维板梁开裂荷载平均应力值：9.7kN;

（4）实测有碳纤维板梁破坏荷载平均应力值：20.6kN。

7结论

（1）根据实验测试结果，粘贴了新型碳纤维复合材料（CFRP）的钢筋混凝土梁，提高原有设计梁的承载力，初裂荷载提高两倍，破坏荷载提高一倍，挠度减少1/3，改变了结构梁的受力情况。采用新型碳纤维复合材料（CFRP），对于增强工程结构梁承受外加荷载抵抗强度，有非常显著的工程实价值用。

（2）原有设计梁为弯曲变形破坏，粘贴了新型碳纤维复合材料板的梁为剪切变形破坏，该新型碳纤维复合材料（CFRP）板在实际工程有非常好的应用前景。

（3）碳纤维板（CFRP）复合材料的使用，大大增强工程结构梁、板、柱承受外部荷载的强度，能够在抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中应用于国际先进的工程结构使用寿命健康检测体系，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[8-10]。

参考文献

[1] 商雅静，尹寒飞.碳纤维三维四向编织复合材料拉伸变形与损伤破坏行为[J].玻璃钢/复合材料，2018（12）：41-46.

[2] 王文炜，赵国藩.FRP加固混凝土结构技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3] 陈金龙，宫文然，李峰.含分层损伤复合材料层合结构在弯曲载荷作用下的屈曲问题研究[J].中国科学（技术科学），2015，45（5）：464-470.

[4] 钱元，张点.碳-玻纤维混杂正交三向复合材料力学性能研究[J].南京理工大学学报，2012，36（1）：158-164.

[5] 全学友，王仁燕.薄层胶体受剪应力-应变关系的测试方法[J].重庆大学学报，2011（6）：69-74.

[6] 王文炜，赵国藩.玻璃纤维布加固的混凝土梁扰度计算[J].四川建筑科学研究，2004，30（3）：33-36.

[7] 张锦涛.预应力碳纤维板锚具有限元分析与试验研究[D].重庆：重庆大学，2014.

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[9] 曹玉祥，安璐.声发射技术应用于碳纤维板复合材料损伤检测研究[J].科技风，2020（6）：28.

[10]吴洋.预应力碳纤维板锚固体系性能研究[D].重庆：重庆大学，2017.