碳纤维布预应力施加设备研究与应用*

摘　要：为了使碳纤维布的高强性能得以充分发挥，使其更加高效地应用于加固领域中，通过与现有碳纤维布预应力施加方式和张拉设备进行对比，提出了一套新型的适用于试验室用的碳纤维布预应力施加设备，并利用该设备进行了预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验研究.结果表明，预应力碳纤维布加固的钢筋混凝土梁比普通碳纤维布加固的钢筋混凝土梁在承载力等方面均有显著提高，该设备加固效果较好，可进一步深入研究并应用于实际工程中.

关　键　词：碳纤维布；预应力施加设备；加固；承载力；钢筋混凝土梁；粘贴；屈服荷载；极限荷载

人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求随着社会总体的飞速发展而不断增强 [1]，同时，建筑物在使用过程中由于火灾、地震等不可抗力对其结构部分的损坏以及承载力方面的影响或设计与施工缺陷造成的质量隐患等，需对建筑物进行加固补强处理 [2]，使这些结构在各方面得到保障，继续发挥其原有作用.

近年来，国内外掀起了纤维类材料的研究潮流 [3-5].多种纤维类材料随着材料技术的发展应运而生.在现有的研究成果中，碳纤维材料是目前应用于土木工程领域时间最久、用量最大、应用范围最广的一种高科技材料.相比于原有的加固方法，碳纤维加固技术具有明显的技术优势，它具有高强高效、耐腐蚀性及耐久性好、不增加构件的自重及体积、适用面广和便于施工等诸多优点，因此，对碳纤维布加固技术进行研究具有重要的实际意义和应用价值.但是随着理论研究的深入和实际工程的应用，碳纤维布存在的问题也逐渐显现出来.

1) 碳纤维布的高强性能无法充分发挥 [6]，结构的变形和裂缝的发展难以得到有效抑制，加固效率不高；

2) 对构件在正常使用阶段时的开裂荷载和最大裂缝宽度的改善程度不明显.

上述问题限制了碳纤维布在加固补强建筑这一方面的进步，经过大量的研究发现，若对碳纤维布施加预应力之后再对结构进行加固 [7]，则加固效果可大大改善.预应力碳纤维布的应用，既可以约束混凝土裂缝的过早出现，使构件挠度和裂缝宽度得到限制，结构的开裂荷载和早期刚度得到一定的提高，又可以避免由应力集中引起的碳纤维布与混凝土发生剥离的现象.

1　国内外研究现状

1) 反拱技术.首先在梁底将纤维布粘贴牢固，然后让千斤顶作用在梁底部跨中位置，这样跨中位置就会产生反拱，待粘贴纤维布的建筑用胶达到一定强度后，将千斤顶撤离，此时纤维布在梁底恢复自身重量及弹性的过程中就会被拉伸，因此，整个结构处于预应力状态，施工工艺图如图1所示.

图1　反拱技术施工工艺图

Fig.1　　　　 Construction process diagram

of reversed arch technology

2) 利用张拉设备直接张拉.利用张拉设备对碳纤维布进行张拉，将持荷状态下的碳纤维布粘贴到梁底，待环氧树脂达到一定强度后，再将预应力释放，同时做好端部锚固，预应力施工过程如图2所示.

3) 施加预应力.通过碳纤维布与混凝土梁之间的相互作用对碳纤维布施加预应力，如图3所示.该装置的工作原理为，通过滚轴使预施加应力的碳纤维布形成一条回路，使手扳葫芦和力传感器分别与碳纤维布的两个自由端相连，再利用手扳葫芦将碳纤维布收紧，从而对其施加预应力.

图2　张拉设备预应力施工图

Fig.2　　　　 Construction diagram of prestress

with tensioning equipment

图3　手扳葫芦施工工艺图

Fig.3　 Construction process diagram with lever block

4) 有关人员设计了一套能够巧妙利用构件梁和板等支座作为张拉端的反力点 [8]，从而实现预应力施加的张拉装置，如图4所示.该方法原理是在支座与被粘贴面水平等高处打通孔，将用于连接夹具的钢筋穿入其中，以支座背面作为反力支座，通过千斤顶对钢筋进行牵拉，进而通过夹具完成对碳纤维布预应力的施加.该装置中，锚固部分采用“ U型箍”的形式来完成，夹具部分采用简单易行的钢板粘贴.该装置突出特点是首次采用了压力传感器，能够有效地控制力的大小.另外，马凳的应用使得液压千斤顶和简易机械千斤顶等应力设备在张拉完成后不受放张时限的限制，可以连续工作.但是，该装置的局限性也恰恰表现在对支座的利用上，在支座上打通孔这一点限制了该装置只适用于支座厚度较小的情况.同时，对支座与粘贴面相对水平的精确性要求，以及夹具的稳定性等方面均表明该装置需进一步完善.

Woo S K [9]等人对不同预应力水平的碳纤维布加固钢筋混凝土梁的效果进行了研究对比和分析，试验过程中未施加预应力的碳纤维布加固后的梁发生破坏时，碳纤维布与试件发生了剥离破坏，而施加了预应力的碳纤维布加固后的梁发生破坏时，碳纤维布被拉断.结果表明，碳纤维布在施加预应力之后，其高强度能够得到充分利用.

图4　张拉装置示意图

Fig.4　 Tensioning equipment

Sakar G [10]等人自制了对碳纤维布施加预应力的简易试验设备，并利用施加预应力后的碳纤维布来加固钢筋混凝土梁，通过弯曲破坏性试验发现试件的极限强度和抗弯性能都有了显著提高，说明碳纤维布被施加预应力后其高强性能得到充分发挥. Neto P [11]等人利用数值模拟对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验结果进行了分析与对比，模拟是采用离散型裂缝的方法进行建模的，同时利用非迭代顺序线性方法以避免收敛等问题的产生，最终数值模拟的结果与试验结果比较吻合. Wight R G [12]等人通过试验发现利用预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁在承载力方面有较大幅度的提高，其原因在于碳纤维布施加预应力之后可以有效地抑制裂缝的出现，改变构件内力，对提高钢筋混凝土梁的耐久性起到了重要作用.

2　预应力施加设备

本文针对目前预应力施加方式存在的不足，经过反复实践及研究，提出了一种适用于试验室并针对中、小跨度梁和板加固情况的预应力施加设备.基于碳纤维布预应力施加的方式具有特殊性，因此，施工设备应该具有以下性能：

2) 为了保证碳纤维布在承受较大外力时不会因应力不均匀而过早被拉断，锚固装置以及设备本身应该具有较大的刚度；

经反复研究和试验，本文所提出的试验装置具备以上全部性能，其结构为两块截面为600 mm×200 mm、厚度为10 mm的钢板， A14螺丝杆4根，直径为14 mm的螺母和直径为15 mm的垫片各8个，一块截面为120 mm×80 mm、厚度为10 mm的垫板，直径为10 mm、截面为280 mm×240 mm的铁箍1个，拉力计1个， A20的花篮螺丝1个，长为110 mm、截面为 A15的圆管2个(套在下部两根螺丝杆上，以免碳纤维布绕过时被不平整的螺纹损坏)，截面为180 mm×120 mm、厚度为5 mm的加固板2个，其中一块加固板与花篮螺丝的一端焊接在一起，花篮螺丝的另一端与拉力计连接在一起用来直接读出所加预应拉力的大小.设备各部分名称及连接方式如图5所示.

图5　预应力施加设备各部分连接图

Fig.5　　　　 Connection diagram of each component

in prestressed equipment

3　预应力碳纤维布加固施工方法

1) 施工准备 [13].将裁剪好的碳纤维布(在梁底粘贴的碳纤维布和 U形箍碳纤维布)、建筑胶、量筒、搅拌筒、丙酮(或酒精)、毛刷、滚筒和预应力施加设备等材料及工具准备好.

2) 表面处理.对被粘贴部位的混凝土表面用角磨机进行打磨，除去表面杂质，直至完全露出新的混凝土界面.

3) 清理表面.在粘贴碳纤维布之前，用丙酮将梁的底部、梁的表面需要粘贴抗剪 U形箍的位置和碳纤维布洗刷干净，以防止两者被污染，影响粘贴质量.

4) 碳纤维布粘贴.用量筒按一定比例分别量取两种建筑用胶，并在搅拌筒中搅拌均匀，均匀涂抹于梁表面所要粘贴的位置，并在规定的使用时间内迅速将按梁底部尺寸裁剪好的碳纤维布一端粘贴到梁底部的另一端，将裁剪好的 U形箍粘贴在梁的另一侧受剪处，粘贴碳纤维布时，用滚筒沿碳纤维布受力方向多次滚压挤出气泡，使得碳纤维布与构件表面紧密粘贴，同时使粘接剂充分渗入纤维之间的缝隙内.

5) 连接装置.将4根 A14螺丝杆分别穿入钢板上相应的螺栓孔中，将两块钢板连接起来并固定在构件的一端，形成一个定滑轮系统，使碳纤维布紧密贴合在构件上，将碳纤维布的另一端穿过未与花篮螺丝焊接在一起的加固板上的椭圆形孔洞，并依次将垫板和与花篮螺丝焊接在一起的另一块加固板在上面紧密压实，最后用螺栓固定.花篮螺丝的另一端与拉力计连接在一起，拉力计的另一端固定在预先套在支座上的铁箍上，通过撬棍对花篮螺丝加力，利用拉力计直接读出力的大小.

6) 碳纤维布的固定.24 h后，将装置取下，对施加了预应力的碳纤维布按步骤4)所述的方法完全粘贴在试验梁的底部.各部分构件及组装工作图如图6所示.

图6　各部分构件及组装工作图

Fig.6　 Each component and assembly work diagram

4　施加预应力试验

应用该自制设备进行预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验，其方案可描述为：设计制作了4根试件，均为普通钢筋混凝土梁，梁截面尺寸为120 mm×240 mm，梁长为2 100 mm，架立筋均为2φ8一级圆钢，纵向受拉钢筋为4φ12二级螺纹钢，箍筋为φ6@100，混凝土强度等级设计为 C30，保护层厚度为25 mm.钢筋混凝土梁的几何尺寸及配筋情况如图7所示(单位： mm).

图7　梁截面尺寸及配筋图

Fig.7　 Section size and reinforcement of beam

表1　加固方案

Tab.1　 Reinforcement schemes

试验所用碳纤维布厚度为0.167 mm，抗拉强度不小于3 400 MPa，延伸率为1.9%，弹性模量为2.4×10 5 MPa；粘贴碳纤维布采用的建筑用胶抗拉强度为40 MPa.

试验中， SYL-1梁发生弯曲破坏； SYL-2梁发生碳纤维布剥离破坏； SYL-3梁跨中底部碳纤维布被拉断，如图8所示； SYL-4梁受压区混凝土被压坏，未发生碳纤维布剥离破坏.

图8　跨中拉断的碳纤维布

Fig.8　 CFRP with midspan fracture

试验表明，粘贴普通碳纤维布的构件 SYL-2和未粘贴碳纤维布的构件 SYL-1相比，屈服荷载提高了33%，极限荷载提高了41%；粘贴预应力碳纤维布的构件 SYL-3和粘贴普通碳纤维布的构件 SYL-2相比，屈服荷载提高了35%，极限荷载提高了49%；预应力施加值较大的构件 SYL-4和预应力施加值较小的构件 SYL-3相比，屈服荷载提高了8%，极限荷载提高了8%，具体数据如表2所示.

试验测量了所有试件在不同加固情况下的跨中挠度，所有试件的荷载

挠度数据如表3所示.为了能够更直观地对总体情况进行对比分析，本文绘制了荷载

挠度试验结果对比曲线，如图9所示.

表2　承载力试验结果

Tab.2　 Experimental results of bearing capacity　 MPa

挠度相差不大，当荷载逐渐增大时，未粘贴碳纤维布的构件 SYL-1跨中挠度增加最快，而粘贴普通碳纤维布的构件 SYL-2以及粘贴预应力碳纤维布的构件 SYL-3、 SYL-4，跨中挠度增加则相对缓慢.试件 SYL-1的跨中挠度是 SYL-2的1.16倍，试件 SYL-2的跨中挠度是 SYL-3的1.32倍，试件 SYL-3的跨中挠度是 SYL-4的1.36倍.可见，预应力碳纤维布对钢筋混凝土结构的加固效果远远好于普通碳纤维布的加固效果，同时可以看出，该碳纤维布预应力施加设备的作用效果十分显著.

表3　荷载挠度试验结果

Tab.3　 Result of load- deflection experiments

图9　荷载挠度试验结果对比曲线

Fig.9　　　　 Comparison curves for results of

load- deflection experiments

5　结　论

通过对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面抗弯承载力试验的研究结果进行对比分析，得出以下结论：

1) 在承载力方面，用碳纤维布加固的试验梁要比未加固的试验梁的承载力有显著提高，只是预应力碳纤维布的加固效果更明显.

2) 钢筋混凝土梁在经过碳纤维布及预应力碳纤维布加固后，跨中挠度得到了有效控制，结构的延性也有了很大程度的提高.

[1]赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术 [ M].天津：天津大学出版社，2001.

( ZHAO Tong， XIE Jian. A new technique of repairing and strengthening concrete structures with continuous carbon fiber sheet[ M]. Tianjin： Tianjin University Press，2001.)

[2]苏有文，詹妮，李超飞.预应力碳纤维布加固损伤钢筋混凝土梁抗弯性能研究 [ J].施工技术，2014，43(4)：1-4.

( SU You- wen， ZHAN Ni， LI Chao- fei. Study on fle- xural performance of reinforced concrete beam streng- thened by prestressed CFRP[ J]. Construction Techno- logy，2014，43(4)：1-4.)

[3] Bukhari I A， Vollum R L， Ahmad S， et al. Shear strengthening of short span reinforced concrete beams with CFRP sheets[ J]. Arabian Journal for Science and Engineering，2013，38(3)：523-536.

[4] Kabir M Z， Eshaghian M. Flexural upgrading of steel- concrete composite girders using externally bonded CFRP reinforcement[ J]. Applied Composite Mate- rials，2010，17(2)：209-224.

[5] Tigeli M， Moyo P， Beushausen H. Behaviour of corrosion damaged reinforced concrete beams strengthened using CFRP laminates[ J]. Nondestructive Testing of Materials and Structures，2013，6：1079-1085.

[6]高仲学，王文炜，黄辉.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算 [ J].东南大学学报，2013，43(1)：195-202.

( GAO Zhong- xue， WANG Wen- wei， HUANG Hui. Calculation of flexural capacity of RC beams streng- thened with prestressed CFRP sheets[ J]. Journal of Southeast University，2013，43(1)：195-202.)

[7]谢龙.预应力碳纤维带自锁式张拉锚固系统开发 [ D].长沙：中南大学，2014.

( XIE Long. Development of tensioning and self- locking system for prestressed straps of CFRP[ D]. Changsha： Central South University，2014.)

[8]柳志华.预应力碳纤维布张拉装置的设计 [ D].长春：吉林大学，2007.

( LIU Zhi- hua. Design for prestressed CFRP sheets strain equipments[ D]. Changchun： Jilin University，2007.)

[9] Woo S K， Kim J H J， Byun K J. Development of strength prediction method of RC beams strengthened with prestressed CFRP plates by cross- section analysis[ J]. KSCE Journal of Civil Engineering，2012，16(6)：1011-1022.

[10] Sakar G， Tanarslan H M. Prestressed CFRP fabrics for flexural strengthening of concrete beams with an easy prestressing technique[ J]. Mechanics of Composite Materials，2014，50(4)：537-542.

[11] Neto P， Alfaiate J， Vinagre J. Numerical modeling of concrete beams reinforced with prestressed CFRP[ J]. International Journal of Fracture，2009，157(1/2)：159-173.

[12] Wight R G， Green M F. Prestressed FRP sheets for post strengthening reinforced concrete beams[ J]. Journal of Composites for Construction，2001，5(4)：214-220.

[13]胡培稳.预应力玻璃纤维布加固受损混凝土梁的正截面受力性能研究 [ D].泰安：山东农业大学，2011.

( HU Pei- wen. Experimental study on the prestressed GFRP reinforced to the mechanical properties of da- maged concrete beams[ D]. Taian： Shandong Agricultural University，2011.)

[14]徐凌，宇翔，邸振禹.高效利用 CFRP加固预裂混凝土梁 [ J].沈阳工业大学学报，2015，37(2)：219-224.

( XU Ling， YU Xiang， DI Zhen- yu. Presplitting concrete beams with efficient use of CFRP reinforcement[ J]. Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(2)：219-224.)

Research and application of CFRP prestressed equipment

( School of Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan114051, China)

Abstract： In order to fully explore the high- strength properties of carbon fiber reinforced polymer CFRP and make it be efficiently applied in the reinforcement field, a new CFRP prestressed equipment suitable for the laboratory usage was designed through the comparison with the existing CFRP prestress applying ways and tensioning equipment. In addition, the experimental research on the reinforced concrete beams strengthened with prestressed CFRP was conducted with the designed equipment. The results show that the reinforced concrete beam strengthened with prestressed CFRP gets significantly improved in such aspects as the bearing capacity compared with that strengthened with ordinary CFRP. The designed equipment has good reinforcement effect, and can be further studied and applied to the practical engineering.

Key words： carbon fiber reinforced polymer( CFRP); prestressed equipment; reinforcement; bearing capacity; reinforced concrete beam; bonding; yield load; ultimate load

作者简介：高华国(1979-)，男，山东青岛人，副教授，主要从事钢结构设计理论、结构加固与检测理论等方面的研究.

*本文已于2015-12-07 16∶16在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥ www. cnki. net/ kcms/ detail/21.1189. T.20151207.1616.008. html

碳纤维布预应力施加设备研究与应用 *

1 国内外研究现状

2 预应力施加设备

3 预应力碳纤维布加固施工方法