预应力碳纤维布张拉控制应力限值取值分析研究

                                           李世宏             孙永新

（东南大学 南京 210096）    （江苏省建筑科学研究院 南京 210008）

[摘要]：本文结合预应力碳纤维布技术特点、材料特性及加固后混凝土构件的延性问题，对预应力碳纤维布张拉控制应力取值问题作了分析和试验研究、，给出了较为合适的碳纤维布张拉控制应力取值范围。

[关键词]：预应力碳纤维布；张拉控制应力；试验研究；分析

Research and Analysis of The allowable stress of Prestressed CFS

LI Shihong                             SUN Yongxin

Southeast University, Nanjing,210093  JiangSu Institute of Building Science, Nanjing,210008

 

ABSTRACT：Based on the characteristic of Prestress technique of Carbon Fiber sheet(CFS) ，properties of CFS and ductility of strengthened concrete member，the allowable stress of prestressed CFS is Analysed. in the end，suggestion of maximum and minimun stress in pretensioned CFS is given.

KEYWORDS：Prestressed CFS；The allowable stress；research and analysis

为解决普通方法粘贴碳纤维布强度不能充分发挥的问题，国内外许多研究人员先后对预应力碳纤维布加固技术进行研究。该技术的研究与应用目前还有很多亟需解决的关键问题，张拉控制应力限值如何确定是其中之一。笔者认为确定碳纤维布张拉控制应力限值应结合碳纤维布材料特性并考虑张拉控制应力取值的一般原则、预应力碳纤维布张拉方法、加固后构件延性等因素。本文结合这些因素对碳纤维布张拉控制应力取值范围进行分析研究和探讨。

预应力混凝土结构对预应力钢筋张拉控制应力限值确定的一般原则为：为提高构件的抗裂性能，张拉控制应力应尽可能高一些，但张拉控制应力过高，构件出现裂缝不久后就会失去承载力，构件呈现脆性破坏特征，这是应该尽力避免的，所以确定张拉控制应力值σ_con应适当并留有余地；达到屈服强度后有较长流幅塑性较好的钢材σ_con可定得高一些，没有明显屈服台阶塑性较差的钢材σ_con可定的低一些；后张法σ_con比先张法σ_con定的低一些；预应力筋防护较好的σ_con可定的高一些，防护较差的σ_con可定的低一些。虽然碳纤维布与高强钢材材料特性有所不同，但上述的一般原则在确定预应力碳纤维布张拉控制应力时是可以参考的。采用高强钢材中塑性较差的冷拔低碳钢丝、热处理钢筋的进行预应力后张法施工时，张拉控制应力限值为0.65f_ptk。相比之下，碳纤维布是典型的线弹性材料，几乎无塑性特征，张拉过程中破坏发生突然，没有明显预兆，其张拉控制应力限值应低于冷拔低碳钢丝、热处理钢筋的张拉控制应力限值即不大于0.65 f_cfk(加固工程中对碳纤维布张拉属于后张法)。

与普通预应力混凝土结构中的预应力钢筋相比，预应力碳纤维布粘贴在加固结构表面，其防护比较薄弱，且碳纤维布是由许多微细的碳丝编织而成，在相同条件下比预应力钢筋更容易受到外力冲击等因素而破坏。所以，预应力碳纤维布张拉控制应力应该不高于预应力钢筋的常用取值。

对碳纤维片材施加预应力有很多方法，研究及实践结果表明最适合于工程实际应用的方法是利用构件本身作张拉台座，用安装在构件上的反力装置张拉碳纤维布至控制值并粘贴碳纤维布，待粘贴碳纤维布结构胶完全固化后拆除反力装置。用这种方法，张拉碳纤维布时为了施工方便且碳纤维布张拉时需转向^[1]～[4]等原因张拉时碳纤维布未经结构胶浸渍。未经结构胶浸渍的碳纤维布与结构胶浸渍的碳纤维布强度差别较大（碳纤维布是由许多微细的碳丝编织而成，没有经结构胶浸渍的碳纤维布在张拉时会因受力不均匀引起个别碳丝断裂导致逐丝破坏）。了解未经结构胶浸渍的碳纤维布在施工中张拉能够达到的应力水平对确定张拉控制应力限值十分重要，为此笔者作了相关试验研究。试验制作截面为200×300长3000的钢筋混凝土梁6根作为张拉台座，张拉前将0.111mm厚碳纤维布(碳纤维浸渍片材抗拉强度标准值f_cfk =3490 Mpa)，材料一端粘贴在混凝土梁上（250mm长）作为固定端，另一端粘贴在钢板上作为张拉端，粘贴48小时后采用手动千斤顶张拉固定在钢板上的钢筋的方法对碳纤维布进行张拉，张拉力通过压力传感器测定。试验方法见图1，试验结果见表1。

图1 试验方法示意图

 

试验结果                              表1

试验发现：

1．试验中所有试件未发生固定端剥离破坏现象。

2．碳纤维布即将破坏时碳纤维布发出噼叭声，继续加载不久未浸渍部分局部丝束(位置不定)首先出现断裂，测力仪器显示张拉力突然减小，此时若继续加载碳纤维布全部丝束突然断裂，断裂后的丝束蓬松卷曲呈放射状。

3．碳纤维布粘贴时固定端粘贴方向应尽可能与张拉方向保持一致以使全部丝束均匀受力，试验初期有3个试件因上述原因出现明显丝束受力不均现象，张拉应力水平达到0.4f_cfk后即发生破坏。将张拉端端部的碳纤维布用结构胶预先浸渍一段（试验中从钢板端部向内延伸50-100mm的碳纤维布预先浸渍）对保证丝束均匀受力提高破断荷载效果明显。

试验结果表明试件能达到的最大平均应力水平为0.534f_cfk，碳纤维布固定端粘贴方向与受拉方向不出现明显偏斜，碳纤维布张拉应力一般都可以达到0.5f_cfk。考虑到实际施工现场条件比试验室条件恶劣，碳纤维布张拉控制应力限值不宜超过0.5f_cfk。

中国《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003还没有考虑到采用预应力碳纤维布加固后构件的延性问题。美国ACI 440（外贴 FRP 加固混凝土结构设计施工指南）考虑了被加固构件的延性问题，指出为保证结构加固后具有足够的延性，应该检查钢筋在极限应力状态下的应变，构件破坏时钢筋未屈服为脆性破坏，构件破坏时钢筋应变在屈服应变至0.005之间为延性不足，构件破坏时钢筋应变大于0.005可认为构件有充分的延性^[5]。因此为保证截面具有充分延性，在混凝土被压碎或 FRP 发生剥离拉断前，钢筋应变应大于0.005。实际加固工程中结构构件一般是因为承载力不足需要加固，因此加固前受拉钢筋有初始应变应该接近或达到达到屈服应变(钢筋屈服时的应变HRB235为0.001，HRB335为0.0015，HRB400为0.0017)。实际工程中受拉钢筋一般HRB335级或以上级别钢筋，按受拉钢筋为HRB335级考虑，根据平截面假定(已被国内外学者的大量试验证明)结合CECS146:2003中规定的碳纤维片材伸长率应≥1.5%，设计允许拉应变为0.01，碳纤维布张拉后初始应变不大于0.065 (此时碳纤维布张拉控制应力约为0.43 f_cfk)可以基本确保被加固构件截面具有充分延性。考虑到预应力损失因素，张拉控制应力限值取0.45 f_cfk比较合适。

上述分析研究表明碳纤维布张拉控制应力限值取0.45f_cfk，可以保证建立有效预应力且张拉过程中不出现破坏同时被加固构件截面破坏时具有充分延性，因此取0.45 f_cfk为碳纤维布张拉控制应力限值是合适的。另外，考虑到预应力损失等因素，为建立起有效预应力，碳纤维布张拉控制应力限值下限也可以参考《混凝土结构设计规范》GB50010-2002对各种预应力钢筋σ_con的规定，取不小于0.4f_cfk。

 

[1] 李世宏.预应力碳纤维布加固混凝土梁施工[J]..施工技术，2004，33(7)：60-62

[2] 飞渭，江世永等. 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件试验研究[J]. 四川建筑科学研究，2003，29（2）：56-60

[3] 彭晖，尚守平等. 用预应力CFRP对RC梁的加固工艺研究[J]. 建筑技术开发，2003，30（5）：21-23

[4] 沙吾列提·拜开依，叶列平等. 预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的施工技术[J]. 施工技术，2004，33（6）：23-24

[5] 刘明辉. 中国、美国、日本FRP外贴加固钢筋混凝土技术标准的比较研究[D]： [硕士学位论文].北京：北京交通大学土木工程学院，2004

 

第一作者简介：

李世宏，男，1972年3月出生，安徽马鞍山人，江苏省建筑科学研究院结构所高级工程师，东南大学在职博士研究生。

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