新型機具在預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固中的應(yīng)用研究

王東海，安月蘭 ，邢文強

（1.濟寧市水利工程施工公司，山東 濟寧 272000；2.濟寧市黃淮水利勘測設(shè)計院，山東 濟寧 272019）

1 概 述

相對于非預(yù)應(yīng)力碳纖維布（CFRP）加固混凝土構(gòu)件，采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固可以進一步提高構(gòu)件的使用性能，減少變形，延緩裂縫的發(fā)生，有效減小裂縫開展寬度，提高構(gòu)件抵抗疲勞荷載的能力，減少構(gòu)件內(nèi)鋼筋的應(yīng)變，更加有效地利用混凝土和碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP），進一步提高受彎極限承載能力，降低早期破壞風(fēng)險。

在錨固方面，已有的一些預(yù)應(yīng)力張拉與錨固設(shè)備中，通常是用一些機械裝置千斤頂?shù)葘⑻祭w維片材張拉，然后用U形鋼箍進行錨固，等碳纖維片材與混凝土梁充分固結(jié)后再將兩端片材剪斷，將機械裝置卸去，這種加固方式存著操作較麻煩、需要設(shè)施較多的缺點；目前在加固工程中廣泛使用的U形錨固和鋼壓條錨固，加固后的碳纖維布容易發(fā)生剝離破壞，其材料的高強性能很難充分發(fā)揮，使加固的效果大大降低。因此設(shè)計開發(fā)一種合理新型的張拉與錨固于一體的機具十分必要。

在分析現(xiàn)有文獻及目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出的幾種用于混凝土梁抗彎加固碳纖維預(yù)應(yīng)力體系的基礎(chǔ)上，筆者面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，針對碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力施工和應(yīng)用特點自行研制開發(fā)了具有較大實用價值的新型體外旋轉(zhuǎn) “拉錨一體化”后張法張拉設(shè)備和施工技術(shù)。

2 機具構(gòu)造與技術(shù)特點

該裝置采用Q235鋼板，兩側(cè)及頂部鋼板厚18mm,在一側(cè)頂部鋼板下端有一移動鋼板，厚度也是18mm。這兩塊鋼板在各自兩側(cè)開一縱向槽，保證鋼板前后移動，根據(jù)混凝土梁的寬度進行前后自由調(diào)節(jié)，帶動兩側(cè)的堅向鋼板移動，使之達到適合的位置，滿足梁底寬度需要。最后頂部兩塊鋼板用Φ16的螺栓固定結(jié)實。側(cè)面的鋼板，每塊鋼板兩側(cè)各留4個Φ8小孔，用于螺栓固定。加固時，把混凝土兩側(cè)鋼板上的16個Φ8螺栓通過扳手擰進，將其嵌入混凝土梁中，達到固定錨具的目的。在錨具的上側(cè)，兩側(cè)鋼板中間預(yù)留Φ28圓孔，圓孔正上端預(yù)留小孔，直通鋼板頂端。該錨具轉(zhuǎn)軸為Φ25的高強鋼輥，通過一側(cè)的扭力扳手讓鋼輥在兩側(cè)Φ28圓孔中自由轉(zhuǎn)動，這樣就對纏繞在上邊的碳纖維布施加了預(yù)應(yīng)力，等定量施加完預(yù)應(yīng)力后，從兩側(cè)圓孔頂端預(yù)留的小孔中插入鋼銷，將高強鋼輥固定住。即同時將拉緊后的碳纖維布直接錨固于張拉裝置，張拉裝置不拆除，同時具有對碳纖維布的張拉與錨固功能。下面是該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖：

圖1 新型機具整體縱向側(cè)面圖

圖2 新型機具俯視圖

圖3 側(cè)面剖視圖

其主要施工工藝為：在混凝土梁上通過扳手將錨具上的螺栓固定在混凝土梁上即可。將該裝置固定結(jié)實后，然后利用該錨具的轉(zhuǎn)軸可以自由旋轉(zhuǎn)，將碳纖維布纏在上邊，通過扭力扳手在一側(cè)旋轉(zhuǎn)錨具轉(zhuǎn)軸，達到給碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力的要求；同時將拉緊后的碳纖維布直接錨固于張拉裝置，張拉裝置不拆除，同時具有對碳纖維布的張拉與錨固功能。

3 機具用于碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力的試驗

試驗設(shè)計5根無腹筋混凝土梁，混凝土設(shè)計強度為 C35，各梁配筋情況相同，均配置2Φ18縱筋，鋼筋級別為 HRP335，剪跨比 λ＝2.27，經(jīng)驗算不會先發(fā)生正截面破壞現(xiàn)象，各梁配筋及加固情況如圖4～8（單位mm）所示：

圖4 L2U形CFRP加固示意圖

圖5 L3斜貼CFRP加固示意圖

圖6 L4底部預(yù)應(yīng)力CFRP加固示意圖

圖7 L5底部預(yù)應(yīng)力CFRP復(fù)合加固示意圖

本次試驗L2和L5的加固采用體外預(yù)應(yīng)力方式加固，加固長度為1850mm,錨固點設(shè)在支座外側(cè)125mm處。L3和L4加固方式中所用CFRP其寬度及間距均相等。各梁具體加固對比情況如表1所示。

表1 各梁加固情況一覽表

試驗所用碳纖維布采用日本東麗公司生產(chǎn)的UT70—20，單位重量 200g，厚度為 0.111mm，實測抗拉強度4000MPa，延伸率1.9%，彈性模量2.3GPa。粘貼碳纖維用粘結(jié)膠采用北京錦虹世紀科技有限公司生產(chǎn)的JH-粘碳膠，經(jīng)測定粘接抗拉強度不小于3.0MPa。

表2 抗剪承載力試驗結(jié)果表

通過表格中原梁的試驗數(shù)據(jù)，分別對表1數(shù)據(jù)進行橫向和縱向的對比。對于提高開裂荷載最有效的加固方式為碳纖維布45°斜貼和使用預(yù)應(yīng)力與U形粘貼復(fù)合加固的方式，這兩種方法可以有效的，大副度的提高混凝土梁的開裂荷載，其次為碳纖維布的U形粘貼，端部錨固方式；而僅在混凝土梁底部施加預(yù)應(yīng)力加固對混凝土梁斜截面的開裂荷載提高并不明顯。對于混凝土梁斜截面極限抗剪承載力的提高，使用預(yù)應(yīng)力與U形粘貼復(fù)合加固的方式最為明顯，其次是僅在梁底部施加預(yù)應(yīng)力加固的方式，然后分別是碳纖維布的斜貼和U形粘貼加固方式。分析數(shù)據(jù)可以看出，在梁底端僅用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固，對提高無腹筋混凝土梁的抗剪開裂荷載并不明顯，可以大幅度的提高梁的極限抗剪承載力；采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布與U形箍復(fù)合加固的方式能夠大幅度提高無腹筋混凝土梁的抗剪開裂荷載和極限荷載；45°斜貼的加固方式在對提高混凝土梁的貢獻中優(yōu)于U形箍粘貼的方式。分析試驗終止荷載，L4和L5使用預(yù)應(yīng)力加固，最終的破壞方式，兩者均未發(fā)生底部預(yù)應(yīng)力碳纖維布的剪斷、剝離現(xiàn)象，證明了本次試驗所用新型機具能滿足試驗要求。說明旋轉(zhuǎn)式張拉與錨固機具在加固試驗中起到了良好的效果。

4 結(jié) 語

與目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出的幾種CFRP布預(yù)應(yīng)力機具和技術(shù)相比，該后張法技術(shù)及機具主要特點有：采用螺栓固定在混凝凝土梁的兩側(cè)且各部件在張拉過程中已完成受力和變形，因此后張法施加預(yù)應(yīng)力較先張法預(yù)應(yīng)力效果更好；無需大型專用張拉設(shè)備和專用錨具，機具小巧且具有張拉與錨固雙重功能，固定簡便牢靠；機具構(gòu)造簡單，制作加工容易，質(zhì)量較輕且造價低；該錨具體積小，施加預(yù)應(yīng)力簡單方便，省去了機械設(shè)施施加預(yù)應(yīng)力的不便，同時降低了工程加固的成本；張拉效率高，張拉施工僅需扭轉(zhuǎn)鋼輥即可，簡單方便，張拉力大小可靈活調(diào)節(jié)和控制；對碳纖維布錨固牢靠，加固效果好，相比U形箍錨固，這種錨固效果不會提前發(fā)生剝離破壞，能充分發(fā)揮碳纖維布材料高強的性能，纖維布的預(yù)應(yīng)力損失小、松馳?。皇褂眠@種錨具進行預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固，可以減少碳纖維布的用量。通過試驗證明，碳纖維布的強度利用率能提高到100%，遠高于普通碳纖布的加固方法。

該錨具應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有較高的實用和推廣價值，且可以重復(fù)推廣使用。其加固面可以為平面，也可以為曲面或復(fù)雜面。如壓力管道、隧洞、渡槽、閘門、閘墩等結(jié)構(gòu)截面為圓形或復(fù)雜曲線形，結(jié)構(gòu)的修補面為曲面，經(jīng)常處于水中，普通預(yù)應(yīng)力碳纖維加固方法無法實施，而采用此項技術(shù)進行修補加固則簡單易行。

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