预应力CFRP带加固混凝土梁装置设计与性能分析★

董 啸 蒋 慧 李金虎 杨晓慧 王杨玚

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004)

1 研究背景

伴随时间的推移，大量的工民用建筑、交通桥梁等工程结构的混凝土梁由于材料老化、环境侵蚀、结构功能发生改变而使受荷变化，或者战争、火灾、台风、地震、洪水等自然灾害以及设计失误、施工不当等人为因素的发生而导致构件承载力不足或产生开裂等情况时有发生，因此对其加固修复十分必要[1]。在混凝土梁加固修复中，将CFRP带直接粘结在梁结构下表面以达到与梁共同受力[2]从而达到加固修复目的的方式极为普遍，但其存在明显的不足：CFRP带只有在完全拉紧绷直情况下才能够发挥其抗拉的作用，CFRP带与梁结构表面的直接粘结并不能让CFRP带长期处于绷直状态[3]，且两者不能长时间维持牢固结合的状态，一旦发生松弛，碳纤维带两端更易发生剥离，其承担的拉力将会迅速降低从而不能发挥出CFRP带的全部性能，对材料自身造成了浪费。

本结构设计将CFRP布的两端牢牢固定于梁底部，并且利用施加预应力的方式来提高其强度的利用率。考虑到锚具在常规生产应用等受到严重限制问题，结合加工过程进行简化设计，降低了加工难度并且较节省钢材，现场施工难度较低，可用人工或小型机械进行预应力施加，解决了传统锚具的弊端。

2 预应力CFRP带加固混凝土梁装置

2.1 结构设计

预应力CFRP带加固混凝土梁装置由锚固组件和张拉组件构成[4,5]。

锚固组件包括插块和锚固块。插块上设有与碳纤维带宽度匹配的穿孔，用于固定碳纤维带。锚固块上设有与混凝土梁连接的螺纹孔和与插块相匹配的通槽，使用时插块插接于通槽内。

张拉组件包括上下两个可拆卸连接的预应力板。背离锚固组件侧开设可供活动杆置入的开口，活动杆两端可滑动连接于开口两侧的滑槽中。活动杆两端设有防止活动杆轴向移动的定位凸台，张拉组件和活动杆对应开设垂直于活动杆轴间方向的螺纹安装孔。螺纹安装孔开设于定位凸台上，螺杆穿过螺纹旋转孔连接活动杆与预应力板。

2.2 安装流程

预应力CFRP带加固混凝土梁装置如图1所示。在安装时，将一条碳纤维带从中部对叠，分为碳纤维带上端和下端。

碳纤维带下端从张拉组件中的下部预应力板左侧进入，由上往下绕过活动杆右侧，由下往上穿过穿孔Ⅲ，接着穿过预应力板和杆之间的孔洞，由下往上绕过活动杆右侧回到顶应力板左侧，拉紧叠合，碳纤维带下端即可越拉越紧，达到自锁于装置内的效果，实现良好的固定。

碳纤维带上端从上部张拉组件的预应力板左侧进入，由下往上绕过活动杆右侧，由上往下穿过穿孔Ⅲ，接着穿过预应力板与杆之间的孔洞，由上往下绕过活动杆右侧回到预应力板左侧，拉紧叠合，碳纤维带上端即可越拉越紧，达到自锁于装置内的效果，实现良好的固定。

将碳纤维带中部对折端从锚固块的通槽穿过，从插块的右侧进入，由下往上穿过穿孔Ⅰ，由上往下穿过穿孔Ⅱ，绕过插块右侧后由上往下穿过穿孔Ⅱ，由下往上穿过穿孔Ⅰ，从插块左侧上方拉到插块的右侧上方穿出锚固块的通槽，将插块插入锚固块的通槽，拉紧叠合。

2.3 预应力施加

通过螺栓将锚固组件和张拉组件固定于混凝土梁底面，转动活动杆左侧螺母向右运动，活动杆同时向右运动进行预应力施加。

3 预应力CFRP带加固混凝土梁装置力学性能实验

3.1 拉伸试验

将预应力CFRP带加固混凝土梁装置竖直放入拉伸试验机中进行拉伸试验。 试验结果如表1所示，预应力CFRP带加固混凝土梁装置中的CFRP布破坏均发生在沿宽度方向边缘，在开缝锚板和楔形夹具中的CFRP布均完好，锚固装置可靠性较高。

表1 装置拉伸试验结果

3.2 受弯力学性能试验

将试验梁放置于静力试验台座上并布置荷载传感器与位移传感器[6]，预应力CFRP带加固混凝土梁装置锚固在钢筋混凝土梁下部，使用千斤顶分级加载，直至破坏，记录传感器读数(见表2)。

表2 装置受弯试验结果

对于试验②与试验③，当荷载分别增加到13.2 kN和20.5 kN时，开始出现第一条竖向裂缝，初裂荷载与试验①比较，分别提高了21.1%和88.1%，在荷载继续增加过程中，裂缝数量增加、原裂缝变宽并向上部延伸，当荷载达到21.1 kN和28.7 kN时，发生剥离和断裂，对比梁的极限荷载增加了9.9%和36.0%，由此可见，利用碳纤维带加固梁可提升梁的承载力，也能相应增加梁的刚度。

4 结语

该装置具有锚固能力强、体积轻巧、预应力施加方便、操作简单、易于加工等诸多优点，能应用于多种构件的加固[7]，有广泛的实用性和适用性。锚固组件与张拉组件能够完全避免CFRP粘贴片材与钢筋混凝土梁等构件发生脆性剥离，使构件破坏形态由粘结与混凝土表面的CFRP布剥离，变成CFRP布被拉断破坏，能充分发挥CFRP布材料的抗拉性能，保证构件持续有效的处于较高承载力状态。