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预应力碳纤维布张拉、放张测试及分析

摘要：本文结合一端张拉（另一端先锚固）施工工艺对预应力碳纤维布张拉及放张时应力分布、预应力传递长度以及碳纤维布在预应力长期作用下的回缩量等作了测试。通过测试结果可基本掌握施加预应力后碳纤维布的应力分布情况，并可为以后的相关研究提供借鉴、参考。 
关键词：预应力碳纤维布 预应力传递长度 应力分布 回缩 测试
0 前言
　　为解决普通方法粘贴碳纤维布强度不能充分发挥的问题，国内外许多研究人员先后对预应力碳纤维布加固技术进行研究。本文结合一端张拉（另一端先锚固）施工工艺[1]对碳纤维布张拉、放张时的应力分布、预应力传递长度以及碳纤维布在预应力长期作用下的端部回缩量等作了测试研究。通过测试结果可基本掌握预应力碳纤维布的应力分布情况，并可为研究预应力碳纤维布加固构件的结构性能、施工工艺、预应力损失等提供借鉴、参考。
1 试验方案
1．1 试验设计
　　本次试验碳纤维布采用南京玻纤院生产的彤天牌 CFW200型，厚度0.111mm的碳纤维布及配套lica胶，两种材料制作的浸渍片材，抗拉强度标准值fcfk =3490Mpa，拉伸弹性模量Ecf=2.2×105 Mpa。制作截面为200×300长3000的钢筋混凝土梁6根作为张拉台座，混凝土实测强度34Mpa。张拉前将碳纤维布一端粘贴在混凝土梁端作为固定端，粘贴长度250mm，另一端粘贴在钢板上作为张拉端，粘贴长度也为250mm。粘贴碳纤维布按《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003规定操作，粘贴的碳纤维布宽度60mm，中间段张拉前不刷胶。两端的结构胶完全固化后，用手动千斤顶张拉固定在钢板上的钢筋的方法对碳纤维布进行张拉，张拉力通过压力传感器测定，张拉控制应力取0.45fcfk（经分析碳纤维布张拉控制应力取0.45fcfk较为合适），张拉力为10.45kN。张拉到预定力值后固定张拉端并粘贴碳纤维布，待结构胶完全固化后放张。试验装置见图1。

图1 试验装置示意
1．2 测试项目及仪表布置
1．在碳纤维布张固定端贴应变片，应变片标距50mm，连续布置，测试张拉时固定端应力传递及分布情况。
2．结构胶固化后，在碳纤维布上贴应变片，应变片标距50mm，连续布置，测试放张后张拉端应力传递及分布情况。
3．碳纤维布张拉端架设千分表测量放张后碳纤维布瞬时回缩量及长期回缩量。
4．碳纤维布张拉端内侧250mm处架设一个千分表，测量放张后应力传递长度内侧碳纤维布的长期回缩情况。
　　仪表布置见图2、图3。
图2应变片布置示意图

图3千分表布置示意图
2 试验结果及分析
2．1 张拉时固定端应变
　　张拉荷载级差为20%控制张拉力，每级荷载间隔5min。试验结果见图4，图中每个试件分别标出了各级张拉荷载下的应变变化曲线以距固定端粘贴末端距离相同的两片应变片平均值代表平均应变，距离为应变片中点至粘贴末端长度。

图4张拉阶段固定端实测应变
2．2 放张时张拉端应变
　　张拉结束，结构胶完全固化后，拧松固定螺帽放张，按图1所示切断张拉端碳纤维布，测量放张后的张拉端碳纤维布应变情况。测试结果见表1。
表1 放张后张拉端实测应变（10-6）
       应变片
试件
1
2
3
4
5
备注
试件1
-513
-8
0
0
0

试件2
-624
-13
0
0
0

试件3
-538
-10
0
0
0

试件4
-2219
-1609
-171
-49
0
胶层偏厚
试件5
/
/
/
/
/
胶层偏厚，放张后剥离破坏
试件6
-2014
-1477
-186
-19
0
胶层偏厚
注：表中数据为切断碳纤维布后5min时测试，随时间增加（4小时内）1、2号点应变略有增加，其它点应变基本不变。
　　放张时，碳纤维布产生回缩产生压应变，测试结果表明胶层厚度对预应力传递长度影响很大。试件5在切断碳纤维布时，切断处首先剥离破坏，随即的整条碳纤维布（锚固段除外）全部剥离。试件1、2、3碳纤维布紧贴混凝土粘贴，胶层厚度很小，放张后应力传递长度不大于200mm。
2．3 放张后碳纤维布回缩长期测试结果
　　放张切断碳纤维布前，读取初读数，碳纤维布放张切断后，定期测读端部千分表数据，测读结果见表2，试件5因破坏没有数据。
表2  放张后碳纤维布端部回缩测试结果（mm）
     试件编号
时间
试件1
试件2
试件3
试件4
试件6
初始
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
5min
0.147
0.153
0.115
0.171
0.265
10min
0.164
0.165
0.134
0.197
0.285
20min
0.172
0.176
0.156
0.235
0.323
30min
0.189
0.187
0.178
0.275
0.348
1h
0.202
0.198
0.199
0.314
0.367
2h
0.209
0.205
0.209
0.333
0.375
16 h
0.259
0.241
0.288
0.346
0.394
24 h
0.263
0.242
0.289
0.353
0.466
2天
0.266
0.244
0.292
0.363
0.487
3天
0.268
0.247
0.295
0.368
0.492
4天
0.269
0.248
0.294
0.371
0.497
5天
0.270
0.248
0.294
0.375
0.502
6天
0.270
0.250
0.295
0.375
0.505
7天
0.270
0.249
0.294
0.375
0.505
A
0.0166
0.0127
0.0244
0.0237
0.0316
B
0.1287
0.146
0.0893
0.1734
0.2263
　　回缩量随时间变化规律，可以用对数函数Y=Aln(x)+B很好的拟合，各试件测试结果拟合函数A、B值已列入表2， 各试件端部回缩量随时间变化曲线见图5。

图5放张后张拉端回缩量-时间曲线
　　各试件距张拉端内侧250mm处千分表读数从放张后至端部回缩完全稳定期间基本无变化或变化很小，测得的最大回缩量为0.007mm。
3 结论
　　对本次测试结果分析，可以得到以下一些有价值的结论：
1）测试中发现胶层厚度对张拉端和锚固端应力、应变分布及应力传递长度、端部回缩量各项指标影响都很大，胶层越厚碳纤维布应变越大，应力传递长度越长，张拉端回缩量越大。胶层厚度较大时，放张时甚至立即发生剥离破坏。本次测试试件数量不多且胶层厚度不易测量，胶层厚度对应力传递长度、回缩量的影响只能作定性分析，定量分析可以在以后的试验中进行。
2）各试件测试的张拉时锚固端应力传递长度均不超过200mm，这和文献[2]的试验结果基本相符。测试结果表明采用一端张拉施工工艺，碳纤维布锚固端锚固长度达到250mm，可以满足张拉时的锚固要求；各试件（除胶层厚度偏大的试件）测试的碳纤维布张拉端应力传递长度不超过200mm。若能确保碳纤维布紧贴混凝土表面粘贴，可以认为碳纤维布张拉端应力传递长度也不超过200mm。
采用预应力碳纤维布加固，预应力是靠结构胶和混凝土之间的粘接作用来传递的。预应力传递不是在端部集中完成，而必须通过一定的传递长度。本次测试及其他学者研究成果[2]表明传递长度不超过200mm。
3）预应力碳纤维布施工时，构件起拱导致中部胶层厚度增加，使碳纤维布更容易发生剥离破坏，对构件受力不利，此时端部的锚固显得更加重要。采用一端张拉施工工艺，锚固端粘贴时，碳纤维布未受力，混凝土表面处理及碳纤维布的粘贴操作方便，胶层厚度可以控制得很小，而张拉后张拉端碳纤维布的粘贴相对困难一些，因此应有可靠措施确保碳纤维布张拉端粘贴尽量紧贴混凝土粘贴减小胶层厚度以确保锚固性能。
4）放张后碳纤维布张拉端端部发生瞬时回缩，回缩量随时间增加逐渐增加，但趋势减缓，至第7天后回缩基本稳定；回缩主要集中在端部250mm范围内。这一测试结果表明，虽然碳纤维布在结构胶固化后放张，但胶层在预应力作用下仍发生了蠕变，碳纤维布端部产生回缩。胶层蠕变主要发生在端部锚固段，锚固段以外蠕变很小或不发生蠕变。