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(jì)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(qiáng)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)［1－2］.然而，預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)仍有兩個(gè)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(duì)預(yù)應(yīng)力纖維加固技術(shù)的研究熱點(diǎn)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(jìn)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(chǎng)施工條件，適宜實(shí)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(dú)特的夾持原理，具有很好的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的極端高溫情況.因此有必要對(duì)錨夾具夾持FRP材料在高溫下的錨固性能進(jìn)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(huì)因?yàn)楦邷丨h(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(duì)碳纖維板的錨固性能.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

碳纖維板尺寸為1 400 mm×1.4 mm×50 mm，其抗拉強(qiáng)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(tái)座上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置一端設(shè)計(jì)為試驗(yàn)端，在試驗(yàn)過程中，采用加熱裝置對(duì)其加熱，并采用保溫措施，溫度采用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)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(jì)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(duì)不同環(huán)境溫度的情況進(jìn)行對(duì)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(qiáng)性能，一般取碳纖維板的抗拉強(qiáng)度的60%～65%作為預(yù)張拉控制應(yīng)力.對(duì)于該試驗(yàn)采用的碳纖維板，其極限強(qiáng)度達(dá)3 300 MPa以上，為了考驗(yàn)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(yàn)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(shí)，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(yàn)端溫度.試驗(yàn)中實(shí)測(cè)環(huán)境溫度為85℃左右，遠(yuǎn)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(yàn)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(yàn)端外，試件的其余部分均處于自然環(huán)境中.

1.4 試驗(yàn)方案

1)按圖1安裝儀器與試件，并對(duì)試件進(jìn)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(duì)安裝調(diào)整好的試件進(jìn)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(shí)應(yīng)采用超張拉，以彌補(bǔ)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(cè)碳纖維板上的拉力.

4)6 d后不卸載，在試驗(yàn)端安放恒溫加熱片，并量測(cè)試驗(yàn)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(duì)碳纖維板進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn).

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

整個(gè)試驗(yàn)采用手動(dòng)千斤頂加載，加載時(shí)根據(jù)測(cè)試情況隨時(shí)調(diào)整.在碳纖維板的中間粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行采集.在試驗(yàn)過程中，除溫度外，其余數(shù)據(jù)的測(cè)量均為連續(xù)采集.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)試件在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉過程中，整個(gè)裝置比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生異?，F(xiàn)象.張拉完成后進(jìn)行放張時(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)間的變化

5)試件在恢復(fù)到常溫(30±10)℃下，進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn).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(shí)，突然崩裂成纖維絲狀，破壞時(shí)聲響巨大.拉伸破壞試驗(yàn)的荷載－應(yīng)變曲線如圖6所示.

圖6 拉伸破壞試驗(yàn)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(jì)算全截面的情況下，最高應(yīng)力水平達(dá)2 825.7 MPa.說明碳纖維板在高應(yīng)力作用下，高溫對(duì)波形夾具錨固性能影響不大.

根據(jù)以上的試驗(yàn)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(duì)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(jì).

3 結(jié)語

對(duì)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(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)結(jié)論具有較好的工程參考價(jià)值.但限于試驗(yàn)條件，該次試驗(yàn)高溫及高應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間還不足夠長，將在后續(xù)試驗(yàn)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(yàn)研究［C］//第七屆全國建設(shè)工程FRP應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)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?yuàn)A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.