预应力碳纤维布在受弯构件加固中预应力施加方法的对比研究

预应力碳纤维布在受弯构件加固中预应力施加方法的对比

研究

摘要：本文对受弯构件黏贴预应力碳纤维布时，不同的预应力施加方法进行对比试验，对试验结果进行对比分析。结果表明，施加预应力后，碳纤维布强大的抗拉性能得到充分利用，使受弯构件受拉区混凝土开裂时间推迟，提高了其耐久性。

关键词：预应力碳纤维布施加方法对比研究

abstract: in this paper, the flexural member with adhesive prestressed carbon fiber sheet, different prestressing method comparison test, the test results were analyzed. the results show that, the prestressed carbon fiber cloth, strong tensile performance can be fully utilized, so that the flexural member concrete in tension zone cracking time delay, improve its durability.

keywords: prestressed carbon fiber cloth applied method contrast research

中图分类号：tu528.582 文献标识码：a文章编号：

试验中各种预应力施加方法各有利弊，提出了碳纤维布预应力施加方法应具有：1、张拉过程简单易操作；2、预应力张拉控制应力可控；3、张拉过程应尽量不破坏原有结构；4、碳纤维布张拉后应便于黏贴的特点。

一、研究背景

碳纤维在土木工程中的应用最初是以碳纤维筋的形式出现的，自从瑞士联邦实验室开创性的采用外部粘贴碳纤维板对结构进行加固的研究工作，并在日本得到了极大的发展之后，碳纤维片材的研究和应用超出了筋材，引起了更多的关注。

碳纤维布在受弯构件加固中的广泛应用是在日本1995年发生的兵库县南部大地震和1996年的阪神大地震之后。碳纤维布的加固效果在受弯构件开裂之后得到充分体现，对受弯构件抵抗极限荷载，保证结构安全性有显著效果。

然而相对于碳纤维布强大的抗拉性能而言，直接将碳纤维布粘贴在受弯构件上进行加固，碳纤维布的抗拉性能得不到充分的利用。这种直接粘贴碳纤维布的加固方式，碳纤维布只有在受弯构件开裂，发生较大变形之后才能产生加固效果，对受弯构件的适用性及耐久性几乎没有作用。因此，施加预应力提前使碳纤维布进入工作状态是充分利用碳纤维布的合理选择。

预应力碳纤维布的运用还处在研究试验阶段，实际运用中碳纤维布的预应力施加方法是关键技术之一。目前，碳纤维布的预应力施加方法有很多，多数都出于试验研究阶段，实际工程运用不多，下面本文即对几种不同的预应力施加方法进行对比分析。

二、预应力施加方法

碳纤维布的抗拉性能十分强大，抗拉强度标准值一般在以上，弹性模量一般取。在充分利用碳纤维布抗拉性能，保证张拉过程中不出现破坏且被加固受弯构件截面破坏时具有充分的延性的前提

下，碳纤维布张拉控制应力一般取[1]。因此，碳纤维布预应力施加方法需满足张拉控制应力条件，且考虑实际可操作性。

2.1波形齿夹具锚预应力施加法[2]

这种方法是将波形齿夹具锚的下波形齿板以一定的间距固结在被加固受弯构件上，然后将浸渍过树脂的碳纤维布粘贴在被加固受弯构件的表面，再先两端后中间的逐步将碳纤维布锚固于被加固受弯构件表面事先固结的下波形齿板上。利用上下波形齿咬合使得碳纤维布获得预应力，如图1。

图1 波形齿夹具锚施加预应力

2.2反拱法[3]

这种方法是将受弯构件倒置后施加均布荷载，使梁恰好出现允许最大裂缝，再将碳纤维布粘贴于受弯构件受拉面，待树脂固化后卸载，正置即获得预应力，如图2。

图2 反拱法施加预应力

2.3利用独立于加固梁的张拉设备直接张拉法[4]

这种方法是通过独立于待加固受弯构件的张拉设备（设备可固定于两端混凝土柱或台座上），张拉碳纤维布，在碳纤维布上涂刷树脂后将其粘贴于受弯构件底部，待树脂固化后卸去张拉设备，如图3。

图3 独立于加固梁的张拉设备施加预应力

2.4利用固定于加固梁的张拉设备直接张拉法[4]

这种方法的原理是利用安装于受弯构件两端的滚轴将碳纤维布

做成回路，将碳纤维布两个自由端与手扳葫芦和传感器连接，利用手扳葫芦收紧碳纤维布，从而获得预应力，如图4。

图4 固定于加固梁的张拉设备施加预应力

三、预应力效果试验对比

针对以上四种预应力施加方法，并结合未粘贴碳纤维布的试验构件及粘贴未施加预应力碳纤维布的试验构件，进行对比试验研究。采用计算跨径为，截面尺寸为，受拉区配钢筋，c30混凝土简支试验梁，试验梁上施加集中荷载。试验如图5。

图5 预应力效果对比试验示意图

六种试验梁分别进行五组实验，对碳纤维布预应力张拉控制应力、试验梁受拉边缘开裂时外荷载f大小及破坏时外荷载f大小进行对比分析。见表1。

试验对比数据表1

3.1极限承载能力提高水平对比

根据试验结果，1号试验梁破坏平均外荷载为29.68kn，2-6号试验梁破坏平均外荷载变化幅度不大约均在50kn以上，比1号试验梁破坏时平均外荷载提高约87%。结果表明粘贴预应力碳纤维布，无论是否施加预应力，对于受弯构件极限承载能力均有明显提高，且提高幅度与是否施加预应力无关。

3.2开裂时承载能力提高水平对比

对于开裂时外荷载大小，1号试验梁开裂时平均外荷载为1.1kn，2号试验梁平均外荷载1.3kn，承载能力提高约18%；3号试验梁平

均外荷载1.64kn，承载能力提高约49%；4号试验梁平均外荷载1.71kn，承载能力提高约55%；5号试验梁平均外荷载2.29kn，承载能力提高约108%；6号试验梁平均外荷载2.31kn，承载能力提高约110%。试验结果表明，粘贴施加预应力的碳纤维布对混凝土受弯构件开裂时可承担的外荷载有明显提升，而粘贴未施加预应力的碳纤维布对混凝土开裂时可承担的外荷载提高不大。同时，随着碳纤维布施加预应力大小的增加，对受弯构件裂缝出现时间有明显延后。

3.3张拉控制应力对比分析

试验过程中，5号、6号试验梁对碳纤维布施加预应力较为方便，且通过连接在张拉设备上的应力传感器可以明确预应力张拉控制

应力大小；5号试验梁在进行预应力施加时，需另设反力支架进行张拉；6号试验梁在进行预应力施加时需借助固定在梁端的支架进行张拉，张拉过程中梁体有明显反拱，造成碳纤维布黏贴困难。

3号、4号试验梁对碳纤维布施加预应力时较为繁琐。4号试验梁在试验过程中由于难以控制反拱度大小造成两片试验梁梁体开

裂破坏，且张拉控制应力无法控制；3号试验梁需破坏受弯构件受拉区混凝土，同样张拉控制应力无法控制，只取决于波形齿夹具锚的波纹状况，波动性极大。

四、结论

对受弯构件而言，在受拉区粘贴碳纤维布可以提高构件的承载能力，其作用类似于体外钢筋。然而相对于碳纤维布强大的抗拉性