河南省社会主义学院 河南郑州 450000
摘要：随着我国新建公路桥梁数量的不断增加，大量旧有桥梁的加固和维护问题日益突出，旧桥的典型病害形式包括：正截面抗弯承载力不足或受拉钢筋锈蚀；由于抗弯刚度不足导致梁的挠度超过规范规定或由于刚度太小导致梁的受拉区裂缝宽度超过规范规定；桥梁荷载等级不够等，体外预应力加固技术由于具有不中断交通、施工快捷、安全经济等优点，在旧桥加固中得到了广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效应。在传统的体外预应力加固技术中，通常采用钢绞线作为体外预应力筋，但裸露在外的钢绞线又极易受到腐蚀，为了从根本上解决这一问题，急需找到一种既能防腐又具有良好力学性能的替代材料，碳纤维增强复合材料（简称CFRP）以其抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳等优点，近年来正越来越多的应用于混凝土结构的加固改造工程中，并越来越被认为是体外预应力加固技术中体外筋的最佳替代材料。本文分析了土木工程用CFRP弯折问题，探讨了土木工程用CFRP筋弯折抗拉强度。
关键词：土木工程；CFRP；弯折；抗拉强度
针对碳纤维增强复合材料（CFRP）筋应用于土木工程过程中的弯折抗拉性能，开发了新型的抗拉强度测试技术对CFRP筋材真实抗拉强度进行了实测。利用模型试验对不同弯折角度下CFRP筋的弯折抗拉强度进行了测试，获得了CFRP筋应用于土木工程时对应弯折状态下的弯折抗拉强度折减系数，并拟合出该系数的经验公式。结果表明：现有的CFRP筋材抗拉强度测试技术的测试结果明显偏低，新开发的测试技术较之提高的幅度超过９%；给出的计算公式能预测不同折角下弯折抗拉强度的折减系数，当折角达到３°时，CFRP筋弯折抗拉强度较直线状态下降了18.9%。因此，在实际工程应用过程中，即使发生较小角度的弯折，也需考虑弯折对CFRP筋抗拉性能的折减。
一、弯折问题
工程实际中，CFRP缆索可能处于弯曲状态，也可能处于弯折状态，它们对应的抗拉强度是两个不同的概念。前者为缆索绕着一定半径圆弧时对应的弯曲抗拉强度，缆索紧贴圆弧，圆弧半径大者超过 10m，如超大跨悬索桥 CFRP主缆在鞍座处和 CFRP 预应力筋在混凝土梁中的弯曲等，小者可小到几十厘米，如CFRP 缆索应用时于大型膜式屋盖中的弯曲，CFRP筋作为箍筋时的弯曲等情况，CFRP 缆索在不同半径下的弯曲抗拉强度已有大量的试验和理论研究成果。而对于弯折问题，CFRP 缆索不紧贴着圆弧，几乎只与圆弧发生点接触，存在着相应的折角。实际工程中，CFRP筋发生弯折的现象较为普遍。如大跨度悬索桥 CFRP 缆索主缆在索夹处受吊索较大的竖向力作用而引起的弯折问题，悬索桥或拱桥在使用过程中线形发生变化而导致 CFRP吊索在锚固连接处发生的小角度弯折问题；悬索桥施工过程中，边跨散索套产生较大的竖向位移也会引起CFRP主缆索股在锚管口的弯折现象；作为拉索应用于大跨屋盖和海上采油平台时可能存在的小角度弯折问题等等。弯折现象会降低 CFRP 缆索的承载力，而通过理论计算又不能很好地解决此问题，因此需通过试验加以研究。
二、CFRP筋抗拉强度测试新技术
1.CFRP筋在弯折状态下抗拉强度折减系数根据弯折状态对应的弯折抗拉强度和直线状态下的抗拉强度进行计算，因此，需对这两种抗拉强度进行精确测试。其中，直线状态抗拉强度又是 CFRP 筋最主要的性能参数，其真实的抗拉强度就现有技术（包括发达国家的有关规范中的测试技术）而言很难测定，目前对 CFRP 筋材进行强度测试所需锚具主要采用以膨胀混凝土为填充介质的粘接型钢管锚，而膨胀混凝土硬度远大于 CFRP 材料，试件张拉时锚固区 CFRP 筋表面会因混凝土-筋界面的相对滑移而受到损伤，致使其极限抗拉强度不能获充分发挥，由此测得的抗拉强度偏小，为此，本文中开发了新型的施压粘结型锚具，用它对 CFRP 筋的抗拉强度进行测试可获得较为真实的结果。该锚固体系由开槽钢夹板及高强螺栓构成。CFPR 筋试件锚固端为环氧树脂胶，由灌注在钢管中的胶体凝固后脱模而得。
2.环氧树脂胶体硬度与 CFRP 筋相近，其化学和物理性质也与筋材中的基体材料相近，因此，只要施加在锚固区的压应力大小适度，施压粘结型锚具在理论上能使 CFRP筋的强度获充分发挥。试验表明，当锚固长度为 300mm时，只要对锚固区施加100MPa 的压应力即可使筋材的抗拉强度获充分发挥。试件加载方案参照相关规定，该规范对 CFRP 筋的加载速度建议为每分钟 100-500MPa/min，本试验采用的加载速度控制在 200MPa/min 左右，通过压力传感器数据采集仪控制加载速度。静载张拉试验开始后，先对试件施加 5%的极限承载力后再卸载，接着开始张拉，每一级荷载对应的荷载增量为 10%的CFRP 筋极限承载力，直至破坏。本试验中共有6个试件，试验模型见图 1。图1的破坏为爆断式破坏，说明施压粘结型锚具能使 CFRP 筋的抗拉强度获充分发挥。采用文中新型锚具测定的抗拉强度明显高于用普通的内填膨胀混凝土钢管锚具测定的强度，且高出 9.55%，说明当采用内普通测试技术测试筋材抗拉强度时，张拉过程中膨胀混凝土对筋会造成较大程度的损伤，而本文中开发的测试方法更加可靠，说明利用施压粘结型锚具测试 CFRP 筋抗拉强度更符合实际情况，建议厂商及相关研究参考该新技术测定 CFRP 筋抗拉强度。
三、试验设计
CFRP筋弯折抗拉性能测试结果可为评估发生一定弯折角情况下的缆索的弯折极限抗拉强度提供重要参考，它可通过模型试验测定。该强度在理论上小于笔直状态下的极限抗拉强度，对多种折角对应的弯折强度进行测定，可了解 CFRP 筋材在工程实际中发生弯折时其抗拉强度的折减情况。
1.试验模型。试验模型及安装作如下设计CFRP 筋试件长度为 3m，CFRP 筋两端采用新型夹片式锚具，考虑到较小的折角对抗拉强度的影响可能较小，若采用普通夹片式锚具（锚固效率一般小于 95%），则最后的破坏状态可能发生在锚固端，从而不能准确测定弯折抗拉强度，因此，需采用锚固效率较高的新型 CFRP 筋夹片式锚具，经测定，该锚具的锚固效率超过 95%。锚固端传力用工字型钢梁和钢台座均通过预应力钢绞线锚固在地锚上，在加载过程中为防止由于模型滑动而导致CFRP筋折角的变化，对所需的锚固力进行了计算，根据计算结果施加适当大小的锚固力；加载过程中，还对台座和钢梁的滑移情况进行了监控，以评估钢梁和台座是否发生了能改变弯折角大小的，不允许发生的位移。折角大小通过移动模型中的钢挂套进行调节。为避免应力集中现象的发生，实际工程中CFRP 缆索弯折处均作圆弧处理。由于弯折折角往往较小，为避免弯折处圆弧半径对测试结果的影响，试验模型弯折处采用较小的圆弧半径，为10mm。
2.抗弯承载力计算方法。对于体外预应力CFRP筋加固梁来说，体外预应力CFRP筋的变形不服从平截面假定，在荷载作用下，体外预应力CFRP筋的伸长量取决于锚固点间梁体的总变形，不能通过控制截面平面变形分析的方法计算。在极限状态下，体外CFRP筋的应力要小于材料设计强度.因此在进行计算抗弯承载能力时，首先要确定极限状态下体外预应力CFRP筋的应力极限状态下体外预应力FR 筋的应力可表示为：
3.试验工况及加载方案。试件加载采用 300kN 穿心式千斤顶，荷载大小由压力传感器记录，台座和钢梁的滑移量由位移传感器测定。为辅助确定试件在极限状态下的破坏位置，用高性能摄像机对加载过程进行了拍摄，事后通过慢镜头放映确定具体破坏位置。实际工程中弯折状态下 CFRP缆索的弯折角大多小于 2°，如在大跨悬索桥中，CFRP 主缆在索夹处的弯折角为1.5°左右，在大跨拱桥和悬索桥中，相对于纵桥向，CFRP吊索在横桥向发生的弯折更为不利，但其折角也不会超过 2°。为此，本试验对弯折角分别为 1.5°、2°、2.5°、3°情况下 CFRP 筋材的弯折抗拉强度进行了测试，每种工况均设置 3 个试件。通过实测可最终确定上述四种折角状态下 CFRP 筋材的弯折抗拉强度折减系数。加载方案同第二部分第三段。
4.试验结果。
（1）加载过程中，试验模型两侧钢梁和台座的滑移监测结果。对应试件折角为 3°，其它试件的监测结果相似。左侧钢梁发生了较为微小的滑移，最大值为 1.24mm，该滑移量相对试件长度可忽略不计，而右侧钢梁和台座几乎未发生滑移，所有构件的滑移量在试件发生破坏后恢复到加载前的初始状态，表明测得的滑移量为钢梁及台座的弹性变形而已，各构件的微小滑移不会造成弯折折角的变化，对试验结果不影响。呈爆断式破坏，说明在极限拉力下，筋材破断点发生在筋材自由段，而不发生在锚固区，进而说明夹片式锚具对筋材的细微损伤不影响弯曲抗拉强度的充分发挥；另外，摄像记录也表明，试件开始破坏的位置发生在弯折点处。因此，测得的极限状态对应的抗拉强度即为 CFRP 筋材的弯折抗拉强度。（CFRP 筋材弯折性能测试结果见表1）
（2）若 CFRP 筋材在应用过程中处于弯折状态时，弯折角对抗拉性能影响较大。当折角为1.5°时，较笔直状态抗拉强度低 11.2%，当折角为 3°时，较之低 18.9%，弯折抗拉强度随折角的增加而降低，srr 与 之间接近线性关系。筋材弯折抗拉强度之所以有随折角增加而呈明显下降的趋势，这是因为 CFRP 筋材的抗剪强度较低，只有其抗拉强度的 5%左右，当在弯折状态下受很大的拉力作用时，折角处产生了较大的剪力，剪力的存在致使弯折抗拉极限承载力明显下降，最终导致破坏的直接因素是剪力而非拉力。因此，在弯折状态下，折角处的剪力对破坏起控制作用。在极限实际工程应用时，CFRP 缆索弯折抗拉强度折减系数的计算建议参考（1）式。由此可见，发生弯折时，即使折角较小，也需考虑弯折对抗拉承载力的影响。
对碳纤维增强复合材料（CFRP）筋材的真实抗拉强度精确测试方法和筋材弯折性能进行了试验研究，得出如下结论：第一，现有的内填膨胀混凝土钢管锚具 CFRP 筋抗拉强度测试技术，其测试结果严重偏低，采用本文的新方法进行测试，其结果较前者至少提高了 9%。第二，CFRP 筋材发生弯折时，其抗拉性能较直线状态折减明显，当弯折角为 3°时，弯折抗拉强度折减系数为 0.811。第三，CFRP 筋材在土木工程应用过程中，即使存在较小的弯折角，弯折状态对抗拉性能的影响也不可忽略。
参考文献：
[1]李翠娟.超大跨径 CFRP 主缆悬索桥合理结构体系研究[D].成都：西南交通大学，2011.
[2]李翠娟.超大跨径 CFRP 主缆悬索桥合理结构体系研究[D].成都：西南交通大学，2011.
论文作者:呼燕杰
论文发表刊物:《基层建设》2015年21期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：抗拉强度论文; 锚固论文; 缆索论文; 预应力论文; 测试论文; 悬索桥论文; 钢梁论文; 《基层建设》2015年21期供稿论文;