高溫環(huán)境下預(yù)張?zhí)祭w維板的錨固性能研究

張問坪，余世剛，馬小林，田 敏，趙勁松，卓 靜

(1.重慶交通大學(xué)，重慶400074;2.重慶永川區(qū)公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶402160;3.重慶市永川區(qū)交通局，重慶402160;4.重慶市永川區(qū)公路管理所，重慶402160;5.重慶交通科研設(shè)計院，重慶400067)

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力碳纖維板具有高強的抗拉性能，將其用于加固橋梁能充分發(fā)揮碳纖維板的各項優(yōu)勢［1－2］.然而，預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)仍有兩個關(guān)鍵性技術(shù)難題:一是預(yù)應(yīng)力的施加方法;二是錨具的研制［3］.近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力纖維加固技術(shù)的研究熱點是在加固構(gòu)件上設(shè)置永久性錨具，利用固定于加固梁的張拉設(shè)備直接進行張拉;張拉完畢后，將碳纖維黏結(jié)于梁底，錨具保留在原位.這種預(yù)應(yīng)力施加方式利用加固梁和張拉設(shè)備間的相互作用，構(gòu)成預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng)，符合現(xiàn)場施工條件，適宜實際工程應(yīng)用.現(xiàn)今，碳纖維板有各種各樣的錨夾具，如夾片式錨具［4］、應(yīng)力錨頭［5］、波形齒夾具錨(以下簡稱波形錨)等.其中波形錨由于其獨特的夾持原理，具有很好的現(xiàn)場組裝功能，是一種具有較大開發(fā)潛力的碳纖維板錨夾具.

在實際工程中，橋梁加固的局部地區(qū)可能存在高溫環(huán)境，例如沙漠地區(qū)在太陽暴曬情況下會出現(xiàn)短時間的極端高溫情況.因此有必要對錨夾具夾持FRP材料在高溫下的錨固性能進行研究，尤其要弄清楚在較高預(yù)應(yīng)力水平下，碳纖維板是否會因為高溫環(huán)境發(fā)生夾持不牢或者產(chǎn)生較大的應(yīng)力損失.筆者特別研究了高溫環(huán)境及高應(yīng)力水平雙重作用下波形錨對碳纖維板的錨固性能.

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

碳纖維板尺寸為1 400 mm×1.4 mm×50 mm，其抗拉強度為3 300 MPa(國家標(biāo)準(zhǔn)要求大于2 400 MPa)，彈性模量為170 GPa(國家標(biāo)準(zhǔn)要求大于160 GPa).碳纖維板兩端都用長200 mm的波形錨錨固，把做好的試件放在預(yù)先加工好的臺座上進行試驗，試驗裝置如圖1所示.

圖1 試驗裝置示意圖

試驗裝置一端設(shè)計為試驗端，在試驗過程中，采用加熱裝置對其加熱，并采用保溫措施，溫度采用溫度傳感器進行測量;另一端為固定端，該端的波形錨及碳板不加熱，處于自然環(huán)境狀態(tài).這樣設(shè)計可保證在較高應(yīng)力水平下的碳纖維板兩端的夾具所處環(huán)境溫度不一樣，但其它工作狀態(tài)相同，以便于對不同環(huán)境溫度的情況進行對比研究.

1.2 碳纖維板張拉控制應(yīng)力

考慮到碳纖維板的高強性能，一般取碳纖維板的抗拉強度的60%～65%作為預(yù)張拉控制應(yīng)力.對于該試驗采用的碳纖維板，其極限強度達3 300 MPa以上，為了考驗波形錨在長期高應(yīng)力水平下的工作性能，確定碳纖維板的張拉控制應(yīng)力為2 000 MPa.

1.3 試驗端環(huán)境溫度

在波形錨的上表面放置一塊恒溫加熱片持續(xù)加熱(恒溫220℃).同時，在波形錨的上、下表面安放溫度傳感器，取上、下表面溫度的平均值作為試驗端溫度.試驗中實測環(huán)境溫度為85℃左右，遠高于《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146∶2003)中關(guān)于長期使用環(huán)境溫度不高于60℃的規(guī)定.該試驗這樣做是基于這樣的分析:波形錨若能在85℃保持良好的錨固性能，那么在規(guī)定的60℃下使用也能保持良好的錨固性能.

除了試驗端外，試件的其余部分均處于自然環(huán)境中.

1.4 試驗方案

1)按圖1安裝儀器與試件，并對試件進行2～3次預(yù)張拉，張拉控制力為50 kN，檢查試件安裝是否偏心，確保碳纖維板處于均勻受力狀態(tài).

2)對安裝調(diào)整好的試件進行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉控制力為140 kN，即碳纖維板上應(yīng)力水平為2 000 MPa.為保證碳纖維板上應(yīng)力不少于2 000 MPa，在加載時應(yīng)采用超張拉，以彌補放張引起的應(yīng)力損失.

3)放張完成后，在常溫下碳纖維板持荷6 d，利用壓力傳感器連續(xù)觀測碳纖維板上的拉力.

4)6 d后不卸載，在試驗端安放恒溫加熱片，并量測試驗端的溫度，連續(xù)持荷4 d，觀察碳纖維板上荷載變化.

5)10 d后不卸載，撤去恒溫加熱片，恢復(fù)到常溫環(huán)境，連續(xù)持荷1 d，觀察碳纖維板上荷載變化.

6)對碳纖維板進行拉伸破壞試驗.

1.5 試驗數(shù)據(jù)采集

整個試驗采用手動千斤頂加載，加載時根據(jù)測試情況隨時調(diào)整.在碳纖維板的中間粘貼應(yīng)變片，試驗數(shù)據(jù)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行采集.在試驗過程中，除溫度外，其余數(shù)據(jù)的測量均為連續(xù)采集.

2 試驗結(jié)果及分析

1)試件在進行預(yù)應(yīng)力張拉過程中，整個裝置比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生異?，F(xiàn)象.張拉完成后進行放張時，碳纖維板上荷載略有下降.在張拉與放張過程中，碳纖維板上荷載變化如圖2所示.

圖2 碳纖維板加載與放張時荷載變化曲線

2)試件在高應(yīng)力(2 037.1 MPa)、常溫(30 ±10)℃下持荷6 d，碳纖維板上的拉力值略有下降，如圖3所示，總的下降值為0.37 kN，前面幾分鐘的下降段是由于放張引起的荷載下降引起的，下降值為2.7 kN.這說明碳纖維板用波形夾具錨固，在不太長的時間段內(nèi)錨固性能基本能保持穩(wěn)定.

圖3 常溫下荷載變化曲線

3)試件在高應(yīng)力、(85±2)℃下持荷4 d，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，碳纖維板上的拉力值略有下降，最后趨于穩(wěn)定，如圖4所示.碳纖維板上的荷載從142.2 kN降至138.8 kN，減小幅度約2.4%.波形錨未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.說明在85℃左右，碳纖維板及其錨夾具也能保持較高的預(yù)應(yīng)力水平，且預(yù)應(yīng)力損失較小.

圖4 高溫下荷載變化曲線

4)試件在撤去加熱片后在常溫下持荷1 d，整個過程碳纖維板上荷載基本保持穩(wěn)定，如圖5所示，其應(yīng)力水平基本保持不變.

圖5 恢復(fù)常溫下荷載隨時間的變化

5)試件在恢復(fù)到常溫(30±10)℃下，進行拉伸破壞試驗.碳纖維板從一側(cè)開始崩裂，并發(fā)出“砰”的響聲，繼續(xù)加載至極限狀態(tài)時，突然崩裂成纖維絲狀，破壞時聲響巨大.拉伸破壞試驗的荷載－應(yīng)變曲線如圖6所示.

圖6 拉伸破壞試驗荷載－應(yīng)變曲線

碳纖維板上的最大荷載為197.8 kN，該峰值拉力依然很高.在計算全截面的情況下，最高應(yīng)力水平達2 825.7 MPa.說明碳纖維板在高應(yīng)力作用下，高溫對波形夾具錨固性能影響不大.

根據(jù)以上的試驗數(shù)據(jù)分析可知，碳纖維板在(85±2)℃高溫及2 000 MPa左右的應(yīng)力水平作用下，波形錨對碳纖維板的錨固性能基本無影響，僅造成了不到3%的預(yù)應(yīng)力損失.這與偏心和安裝誤差相比，在工程應(yīng)用中基本上可以忽略不計.

3 結(jié)語

對高預(yù)應(yīng)力水平碳纖維板在高溫環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力損失及波形錨的錨固性能進行了試驗研究，該試驗結(jié)論具有較好的工程參考價值.但限于試驗條件，該次試驗高溫及高應(yīng)力的持續(xù)時間還不足夠長，將在后續(xù)試驗中深入研究.

［1］王興國.預(yù)應(yīng)力纖維片材加固混凝土梁抗彎性能研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2007.

［2］周禮平，卓靜.碳纖維板偏心受拉試驗研究［C］//第七屆全國建設(shè)工程FRP應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集，2011.

［3］周禮平.鉸式錨張拉預(yù)應(yīng)力碳纖維板的工藝研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2012.

［4］郭范波.碳纖維預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨具的研究及開發(fā)［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［5］ Gregor Schwegler，Thierry Berset.The use of prestressed CFRP-laminates post strengthening［R］.16th Congress of IABSE，2000.