DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.034

自锚CFRP预应力控制及梁抗剪加固机理试验研究

刘澍¹，郑智卿¹，李真²，周朝阳¹，贺学军¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075;

2. 中国能源建设集团 广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁，530023)

摘要：采用自行开发的自锁锚具，进行17根钢筋混凝土T梁预应力碳纤维布抗剪加固试验以及碳纤维布预应力施加试验，探讨本锚固系统预应力损失以及纤维布应变与扭矩的关系以及不同加固方案下试件的抗剪承载力、挠度变化曲线、碳纤维布各条带的应变分布，分析剪跨比、预载水平、预应力水平、混凝土强度等因素对构件受剪承载力的影响。研究结果表明：此锚固方法能够有效地为碳纤维布施加预应力，能够解决碳纤维布剥离破坏问题，大幅度提高加固梁开裂荷载和极限荷载；在一定范围内，受剪承载力与剪跨比和混凝土强度呈正相关关系；在建议预应力范围内，受剪承载力随着预应力水平的提高而提高，预应力的存在克服了预载对非预应力纤维布抗剪加固的不利影响。

关键词：自锁锚固；预应力碳纤维布；抗剪加固；受剪承载力；预应力损失

中图分类号：TU375.1；TU746.3       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)11-3873-11

Experimental research on prestress control and reinforcement mechanism of T-beams shear-strengthened with prestressed CFRP laminates

LIU Shu¹, ZHENG Zhiqing¹, LI Zhen², ZHOU Chaoyang¹, HE Xuejun¹

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Guangxi Electric Power Design & Research Institute Co. Ltd. of China Energy Engineering Group,

Nanning 530023, China)

Abstract: Using an innovative anchorage system, experiments were carried out on 17 RC T-beams shear-strengthened with self-anchored prestressed CFRP laminates. The prestressing losses and the numerical relationship between the strain of CFRP and torque were studied. The shear capacity, load-displacement curves and strain distribution of FRP traps in different reinforcement schemes were studied. The influence factors, i.e., shear span ratio, prestressing level, preloading level and concrete strength on shear resistance were examined in the experimental investigation. The results show that the use of this anchorage system can avoid debonding failure, and significantly improve the cracking and ultimate load capacity so that the tensile capacity of CFRP can be fully employed. The shear capacity is positively correlated to shear span ratio and concrete strength within a certain range. In the range of recommended prestressing level, shear capacity increases with the improvement of prestressing level. The existence of the prestressed CFRP traps compensates for the negative effect brings by preloading.

Key words: self-anchor; prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP); shear-strengthened; shear capacity; prestress loss

近年来，由于碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer or plastic, CFRP)具有密度低、强度高、耐腐蚀、占用空间小等优点，其加固技术得到迅猛发展^[1]，人们对其抗弯、抗剪、抗震、接口应力、耐久性等进行了研究^[2-6]，我国也制定了相关的技术规程^[7]。然而，目前的抗剪加固研究多集中在非预应力的黏贴加固方式^[8]，存在着应力滞后^[9]和剥离破坏^[10]的问题，难以充分发挥CFRP高强的特性。封闭式黏贴加固^[11-12]可以避免剥离问题，但在实际工程中操作困难，应用性较差，因此，需采取轻巧、方便的预应力张拉装置和锚固措施。国内外学者这方面进行了一些研究工作^[13-14]。本课题组自主研发出纤维布自锁锚固技术^[15]很好地解决了上述问题。其前期研究是通过应变仪控制碳纤维布张拉应力，这种方法不便于实际工程施工。为此，本文作者采用扭矩扳手通过该新型锚具对T形梁施加预应力，探究纤维布应变与扭矩的关系，提出通过扭矩控制碳纤维布张拉应力的方法，解决实际加固工程必须用应变仪控制张拉应力的问题，并进一步分析剪跨比、预载系数、预应力水平等影响因素对受剪承载力的影响。

1  试验概况

1.1  试件设计

本次试验主要是研究梁柱节点处梁负弯矩区预应力CFRP抗剪加固及预应力的施加方法。试验设计17根T形截面钢筋混凝土梁，载入时翼缘向下处于剪拉区，相当于连续梁支座负弯矩区。试验梁共分为3组：长度l=800 mm，剪跨比 λ=1.1；长度l=2 000 mm，剪跨比λ=2.2；长度l=1 800 mm，剪跨比λ=3.0。试件截面宽×高均为150 mm×300 mm，翼缘宽×高为300 mm×75 mm，混凝土强度等级为C30。为保证受剪破坏先于受弯破坏，截面上部和下部分别配置了纵向钢筋4C25和2C25，试验段箍筋配置A6@200，配箍率ρ=0.221%，箍筋加密区配置A8@50，试件截面尺寸及配筋见图1，材料力学性能见表1。

图1  试件截面尺寸及配筋

Fig. 1  Section dimensions and reinforcements of specimens

表1  材料性能

Table 1  Characteristic of materials

1.2  加固方案

试验采用课题组研发的自锁锚固试验装置，进行体外无黏结穿翼U形碳纤维条带预应力抗剪加固，条带数为2层，条带宽25 mm，间距为100 mm，具体加固方案见表2。加固步骤为：在碳布上均匀涂抹浸渍胶，以保证碳布的整体性；然后，通过自锁绕法将

碳布穿过锚具后固定在梁上，活节螺母松开，碳纤维布不受力，待浸渍胶干后对梁施加预载；通过调节梁下穿翼活节螺母的松紧程度对碳布施加预应力，试验梁1~16通过应变采集仪控制预应力，对试验梁17采用扭矩扳手读数控制应力的方法。通过应变采集仪验证数据的有效性。

1.3  加载方案

试验梁1~16采用500 t试验机载入。荷载由压力传感器控制，分级加载，每级10 kN，达到理论开裂或极限荷载时，每级5 kN进行加载，每级加载持荷5 min。在加载过程中实时观测碳布应变、裂缝的发 展，等百分表稳定后采集数据、读取跨中挠度和支座位移，进行下一级加载，加载直至试件破坏无法继续持载为止。其中对于剪跨比为2.2的试件，为了节约材料，采用一梁两用的方案，通过调整支座位置使2个试验段共享1个箍筋加密区，加密区抗剪承载力比非加密区加固后试验段的大。测点布置及加载方案如图2所示。

1.4  纤维布应变与扭矩的关系方案

为了克服实际采用应变仪控制张拉应力的不便，探究纤维布应变与扭矩的关系，提出更加易于操作的预应力施加方法，采用上海儒法精密机械有限公司生产的津源牌数显式扭矩扳手MDS-100(精度为1%，见图3)对试件T₃₀λ_2.2Y₀Y碳纤维布施加预应力，左右两边依次轮流施加预应力，F1扭矩每次增加4 N·m，后面条带预应变较小，扭矩改为每次增加2 N·m。实验共6根条带，碳纤维布应变测点布置如图4所示，各条带最终平均预应变如表3所示。

表2  试验梁参数

Table 2  Parameters for tested beams

图2  测点布置及加载方案

Fig. 2  Strain gauges location and loading plans

图3  数显式扭矩扳手

Fig. 3  Digital torque wrench

图4  测点布置

Fig. 4  Strain gauges location

表3  各条带最终平均预应变

Table 3  Final average strain of each stripe

2  试验结果及分析

2.1  试验结果

试验结果如表4所示。从表4可见：进行碳纤维布加固后，试件的极限承载力都有了较大提高。

表4  试验结果

Table 4  Experimental results

2.2  纤维布应变与扭矩的关系

将试件T₃₀λ_2.2Y₀Y两侧应变取平均值后，所得到得纤维布应变与扭矩的关系如图5所示。从图5可见：碳纤维布F1应变为10 000με即极限拉应变为66.67%时，转角处有少量混凝土被压碎的迹象，但碳纤维依旧完好，其它各条碳纤维布工作良好，碳纤维布应变与扭矩基本上呈线性增大关系。将条带F1~F6上测得的应变与扭矩的关系数据线性拟合后得

             (1)

式中：Y为预应变；M为施加的扭矩(N·m)。顶部与侧部纤维布应变对比如图6所示。从图6可见：碳纤维布上应力通过转角后有明显损失，损失随着应力的增大而增大。虽然抗剪承载力的提高主要由侧部碳纤维布确定，但是转角损失不易控制，影响张拉应力的控制。

图5  纤维布应变与扭矩的关系

Fig. 5  Relationship between strain and torque

图6  顶部与侧部纤维布应变对比

Fig. 6  Comparison between top and side CFRP strain

2.3  挠度变化曲线

试验梁荷载-跨中挠度曲线如图7所示。由图7(a)可知预载水平对梁的刚度影响较小。由图7(b)可知：裂缝出现后，未加固梁刚度降低，加固梁良好地保持原有刚度，但不同预应力水平的加固梁刚度差别不大。由图7(c)和图7(d)可知：剪跨比为1.1的试件刚度很大，试件荷载挠度曲线近似为直线，破坏突然，没有征兆；对于剪跨比为3.0的试件，未加固对比梁在混凝土开裂后刚度出现明显退化，随后不断降低直至剪压破坏。从图7(e)和图7(f)可知：加固梁刚度的提高幅度随着混凝土强度的增大而降低，而且混凝土C15加固试件相对于对于混凝土C30和C50试件而言，前期刚度有明显提高，说明当碳纤维布加固混凝土强度较小的试件时，刚度提高更明显。

图7  试验梁荷载-跨中挠度曲线

Fig. 7  Load-midspan deflection curves of specimens

2.4  碳纤维布应变分布

部分试件碳纤维布应变分布如图8所示，其它试验梁应变分布规律类似。从图8可见：碳纤维布应变分布不均匀，主要呈现中部应变大、两端应变小的规律； 对于剪跨比为2.2的试件，应变分布近似于二次拋物线，条带F3上应变达到最大值，说明该条带对限制裂缝宽度起到关键作用。对于剪跨比为3.0的试件，试件T₃₀λ_3.0Y_0.50Y_3上应变分布呈二次拋物线，但比剪跨比为2.2的试件应变分布更平缓；试件T₅₀λ_3.0Y_0.50Y₃中间条带F3~ F6上应变都较大，分布无固定规律。说明在剪跨比较大时，中间碳纤维布应变不均匀，差异较大。

图8  部分试件碳纤维布应变分布

Fig. 8  Strain distribution of CFRP traps

3  抗剪加固效果影响因素分析

3.1  剪跨比

剪跨比是影响混凝土梁破坏形态的主要因素，与斜裂缝的倾角有直接关系。当预载系数为0.50，预应变为3 000με时，3个不同剪跨比加固试件的承载力提高程度如图9所示。从图9可见：对于小剪跨比为1.1的试件，试件最后发生斜压破坏，条带没有断裂且应变较小，裂缝角度较大并超过45°，不利于CFRP条带发挥材料特性，加固效果不佳；对于剪跨比为2.2和3.0的试件，裂缝倾斜角度变小，CFRP与裂缝之间的夹角变大，该夹角随着剪跨比的增大而增大，直至接近垂直，CFRP受力更接近于轴心受拉，有利于碳纤维高强性能的发挥。

图9  剪跨比与承载力提高程度关系

Fig. 9  Relationship between shear ratio and shear capacity improvement

3.2  预载水平

实际工程加固一般无法卸载或者只能部分卸载，结构内部存在初始应力，为了更好地吻合工程实际结果，试验先对试件施加预载^[16-17]。试件T₃₀λ_2.2Y_0.5Y₃，T₃₀λ_3.0Y_0.50Y₃和T₅₀λ_3.0Y_0.50Y₃出现开裂现象。当剪跨比为2.2时，在不同预应变情况下，预载系数和承载力的关系如图10所示。从图10可见：对于非预应力加固试件，随着预载水平增加，试件的抗剪承载力明显降低；对于预应变为3 000με的试件，随着预载水平提高，承载力略有上升，该试件箍筋应变较大，说明箍筋在屈服后强化阶段变形更充分；对于预应变为5 000με的试件，随着预载提高，承载力略降低，表明预应力的施加有效减小了预载对原梁的损伤，合适的预应力预载组合方式可以使箍筋和碳纤维布都能充分发挥其性能。

图10  预载水平对承载力的影响 (λ=2.2)

Fig. 10  Effect of preloading level on shear capacity (λ=2.2)

3.3  预应力水平

预应力抗剪加固可以有效克服碳纤维布应力滞后的问题。预应变与开裂荷载、极限荷载的关系如图11所示(试件T₃₀λ_2.2Y_0.5Y₃在加固前已经开裂，没有标出其开裂荷载)。从图11可以看出：相对于非预应力加固试件，预应力加固试件的开裂荷载、极限荷载都有一定提高。据文献[17]，碳纤维布的建议预应力取值范围为(0.2~0.3)f_cfk (其中f_cfk为碳纤维布的极限拉应力)。

3.4  混凝土强度

研究表明，对于非预应力黏贴加固，黏结胶的剪切强度大于混凝土的抗拉强度，因此，混凝土强度越高，FRP越不易受剪剥落，加固效果越好。进行自锁预应力抗剪加固时，混凝土强度对抗剪承载力的影响如图12所示。从图12可见：加固效果与混凝土强度并不呈正比关系，当混凝土强度为C30时加固效果最佳；试件T₁₅λ_2.2Y₀Y₃开裂荷载和承载力分别提高93%和53%，由于试件支座与翼缘相交处发生应力集中混凝土被压碎而造成支座破坏，碳纤维布的利用率较低，承载力提高有限；T₅₀λ_3.0Y_0.50Y₃利用率相对于未加固对比梁提高55%，但相对于T₃₀λ_3.0Y_0.50Y₃并没有明显提高；C50试件破坏时的裂缝角度比C30试件的大，且碳布应变比C30试件的小。这一方面应该是加固施工过程中C50试件孔位误差造成CFRP应力集中，致使试件过早被破坏；另一方面也说明加固效果不随混凝土强度的提高而增强，对高强混凝土梁抗剪承载力的提高幅度有限。

图11  预应力水平对抗剪承载力的影响(λ=2.2)

Fig. 11  Effect of prestressing level on shear capacity when λ=2.2

图12  混凝土强度对抗剪承载力的影响

Fig. 12  Effect of concrete strength on shear capacity (λ=2.2)

4  预应力损失分析

本文主要探讨通过扭矩扳手控制碳纤维布应力，解决只能通过应变测量系统控制碳纤维布应力的弊端。此张拉设备的短期预应力损失(暂不考虑长期损失)主要包括：锚固变形及碳纤维布回缩引起的损失；摩擦引起的损失；浸渍胶的作用引起的损失。

4.1  锚具变形引起的损失

锚具变形引起的损失，主要依据相应的设计规范，计算式为

                (2)

式中：为锚具变形引起的损失；a为锚具变形回缩值；l为CFER长度；E_f为CFRP弹性模量。

由于锚具变形损失与扭矩无关，根据实验拟合公式碳纤维布应变，195.64με为锚具变形引起的损失，代入式(2)得a=0.12 mm。以上说明由锚具变形引起的损失很小，可以忽略不计，证明了锚具的有效性。

4.2  摩擦损失

摩擦损失是本锚固系统的一项主要损失。系统摩擦力包括：施加扭矩时螺栓与螺杆的摩擦力f₁(见式(8))；螺母和与支承面间的端面摩擦f₂ (见式(9))；转角处摩擦力f₃；螺栓杆与混凝土摩擦力f₄。

f₁和f₂通过功的互等原理考虑，f₃和f₄计算简图如图13所示，可得：

                (3)

               (4)

         (5)

   (6)

式中：μ_z为转角处摩擦因子；μ_sc为螺杆与碳纤维布的摩擦因子；N₃为转角处转角圆钢对碳布的支撑力；N₄为侧壁对碳布的支撑力；A_f为碳纤维布截面面积；为碳纤维布应力。

图13  摩擦力计算示意图

Fig. 13  Calculation diagram of frictional force

5  纤维布应变与扭矩的理论关系

根据功的互等原理，扳手对锚具做功等于碳布和锚具抵抗外力做的功，假设不考虑摩擦，由于张拉2层碳纤维布，当螺栓旋进1个螺距时，建立如下方程：

              (7)

式中：M_T为扭矩扳手读数；s为螺杆的螺距。进一步考虑螺栓拧紧过程中发生的摩擦作用，在螺栓各拧紧1周时，因摩擦作用额外作功为：

          (8)

   (9)

          (10)

式中：为摩擦力f₁作的功；为摩擦力f₂作的功；为摩擦力f₃作的功；d为螺栓公称直径；D为螺母公称直径。则有

      (11)

    (12)

式中：r为螺杆的半径；μ_s为钢材之间的摩擦因素。

由于f₄计算值较小，浸渍胶的作用不易计算，故结合其它影响因素提出放大修正系数，有

    (13)

则碳纤维布应力为

   (14)

  (15)

式中：为碳纤维布应变。本试验螺栓采用M16，螺母为M24，螺栓间距s=2 mm。由于螺杆表面未经过任何处理，表面较粗糙，摩擦因子μ_s 取0.3。由于碳纤维布在锚固前涂有浸渍胶，与转角圆钢有一定黏结作用，故此处摩擦力较大，转角处摩擦因子μ_z取1，转角处有必要进行进一步优化设计。结合本文试验结果，放大系数取1.1。则理论值与试验值对比结果如表5所示。从表5可知：本文提出的纤维布应变与扭矩的理论值与试验值较吻合，主要适用于本文的锚固装置和预应力施加方法。对于其它情况有待进一步研究。

表5  碳纤维布应变理论值与试验值对比结果

Table 5  Comparison of theoretical strains and experimental strains of carbon fiber

6  结论

1) 研究了碳纤维布应变和扭矩的关系，提出了应用于此锚固系统的关系式。能够通过扭矩预测碳纤维布应变，为实际工程必须通过应变仪控制预应力的问题提供了新的更加简单的解决方案。

2) 分析了本锚固系统的短期预应力损失分析和锚具变形引起的损失和摩擦损失，为试验结果提供了理论依据，验证了此锚具系统的有效性。

3) 自锚CFRP预应力抗剪加固在剪跨比大于2时加固效果好于剪跨比小于2时的加固效果，预载加固时，CFRP条带上的预应力水平对加固效果有影响，合理的预应力范围为(0.2~0.3)f_cfk；抗剪加固效果不随混凝土强度的提高呈线性增加，强度等级试件提高率较小。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-02-06

基金项目(Foundation item)：湖南省自然科学基金重点资助项目(13JJ2005)；国家自然科学基金资助项目(51378507)；中南大学教师研究基金资助项目(2013JSJJ019) (Project(13JJ2005) supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51378507) supported by the Natural National Science Foundation of China; Project(2013JSJJ019) supported by the Teacher Research Foundation of Central South University)

通信作者：刘澍，博士研究生，副教授，从事混凝土结构理论和结构加固研究；E-mail: liushu@mail.csu.edu.cn