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1、预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术徐新生王铁成(天津大学天津300072)魏晓东(山东省建筑设计研究院济南250022)摘要:碳纤维片,板材在结构工程中应用技术研究正引起我国土木工程界的普遍关注,并开始在加固工程中应用.以CFRP筋替代钢筋作为混凝土结构加强材方面研究较少,国内尚无应用实例.结合近年来研究体会,以日本爱知县南设乐郡郊区俱乐部内飞翔桥为例,探讨预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术.关键词:CFRP筋CFCC碳纤维CFRP筋混凝土试验技术ANCHORAGEMETHODANDTESTTECHNIQUEOFCONCRETESTRU
2、CTUREWITHPRESTRESSEDCFRPXuXinshengWangTiecheng(TianjinUniversityTianjin300072)WeiXiaodong(ShandongArchitectureDesignInstituteJinan250022)Abstract:Theresearchontheapplicationofcarbonfibersheetstostructuralprojectsiscausingtheconcemofthecivilreinforcementsforconcretestructuresisveryfewandthereisnocase
3、historyofitsuseathome.TheanchoragemethodandtesttechniqueofconcretestructureswithprestressedCFRPareexploredbycombiningrecentexperienceinresearchesandtakingtheflightbridgeforaclubinJapanforexample.Keywords:CFRPcarbonfibercompositecablecarbonfiberCFRPconcretetesttechnique0前言以碳纤维筋替代钢筋作为混凝土结构新的加强材料研究在国外已
4、有20多年的历史,并在桥梁,建筑,海工等工程中得到广泛的应用.我国开展该方面研究较晚,但已受到土木工程界的高度重视,近年来发展迅速.2002年7月在昆明召开了第二届中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术会议,会议上把FRP筋预应力混凝土结构作为今后重点发展方向之一.相应设计与施工规范也在制订之中.作为一种新型建材,如何保证工程应用的可靠性是极其重要的,在成熟的设计及施工规范颁布之前,必须通过试验解决工程中可能遇到的诸多问题,为设计施工提供可靠的力学性能和结构性能指标.本文结合近年的研究体会,以日本爱知县南设乐郡郊区俱乐部内飞翔桥为例,探讨预应力CFRP筋混凝土结构锚固方法及试验技术.1工程概
5、况飞翔桥全长111m,净跨75m,宽度3.6m,是一座采用CFRP筋(CarbonFiberReinforcedPlastics)作为张拉材料的预应力混凝土桥,施工方法采用悬臂法架设,1992年6月动工,IndustrialConstructionVo1.35,No.9,20051993年3月建成,构造如图1所示.预应力筋采用6根12.5mm的CFCC(CarbonFiberCompositeCable,有单股,7股,l9股,37股成品绳,其中最常用的是直径为12.5mm的17柬CFCC)组合而成,全桥共108根,按配筋位置分为外筋和内筋,外筋主要承担活荷载,内筋主要承担施工荷载和静荷载.设计
6、及施工详细情况在文献1中另有介绍,本文仅论述工程中的试验问题.2锚定系统开发及试验与钢筋相比,CFRP筋具有强度高,弹性模量小的特点,为充分发挥CFRP筋的高强作用,CFRP筋混凝土通常采用预应力结构形式.因此,开发高强,可靠,耐久的锚定系统是CFRP筋应用的一项技术要点,该工程针对内,外筋不同结构特点.开发了相应锚定系统.2.1内筋用锚定系统CFRP筋承受横向压力能力较弱,通过楔体直接锚定第一作者:徐新生男1963年3月出生济南大学教授收稿日期:20041117工业建筑2005年第35卷第9期101侧面1一内筋6-l2.5;2一外筋6-l2.5图1飞翔桥构造CFRP筋是十分困难的,因此,在该
7、桥中内筋采用了6根多头式压铸合金锚定方式.这种方式是把特殊合金通过压铸方式与CFRP筋端头融为一体,装入钢管,然后用楔体锚定而成.图2为内筋锚定系统.1一环形螺母;2一锚头;3一楔;4一十22压铸合金锚件;5一锚保护盖;6一支承板;7一十l2.5CFRP筋;8一漏斗状外套;9一缓冲材;10一聚乙烯套图2内筋锚固系统如图2所示,漏斗状外套颈部要约束6根CFCC,通常要设置尼龙,橡胶等缓冲材.因为在张拉过程中CFCC与CFCC之间,CFCC与缓冲材之间有可能擦伤,造成CFRP筋强度和疲劳性能降低,因此,需通过试验选定可靠,适用的缓冲材.试验装置如图3所示,对CFRP筋进行3次加荷,卸荷反复张拉试验
8、,张拉荷载为6根多股CFRP筋的0.75P.(650kN/6根),观察确认CFRP筋和缓冲材擦伤状况.缓冲材从聚亚氨基甲基酸酯橡胶,聚四氟乙烯,超高分子聚乙烯,MC尼龙,天然橡胶,硅酮橡胶等材料中比较确定,试件厚度取lOmm,试验标准为CFRP筋不损伤,缓冲材损伤要小,试验结果列于表1.通过试验,本工程缓冲材选用了高强,耐压的MC橡胶.枣1一锚头;2一固定侧;3一CFRP筋;4一支承板;5一千斤顶架;6一张拉侧;7一千斤顶;8一缓冲材图3缓冲材试验装置示意2.2外筋锚定系统外筋锚定采用多股集束,用树脂充填于套管的锚定方式(见图4).这种方式是把6根dP12.5CFCC集束,用树脂胶结在一起,充
9、填于一个管套.通过CFCC和树脂问粘结力进行102锚固.为有效地利用CFRP筋不生锈的特性,应采用防锈锚固系统,锚件全部采用镀锌处理,加活保护盖,并充填防锈剂.而且,锚定系统要能用于无粘结CFRP筋预应力系统,可更换和再紧固.表1缓冲材选定试验结果缓冲材材质6根多股CFRP筋O.75P3次反复试验CFRP损伤r缓冲材损伤注:O为压痕中(深1Inn1);为压痕小(深不足lmm);为表面有削痕;f为压痕大(深12mm).萎61一锚件;2一锚定螺母;3一橡胶板;4一缓冲材;5一CFRP筋;6一锚保护盖;7一套管;8一连接套管;9一保护套管图4外筋锚固系统3与设计相关的试验3.1静拉伸试验CFRP筋的
10、抗拉强度(P.:145kN/根)是在直线状态下,对一股CFRP筋进行拉伸试验测定.当CFRP筋为多股或弯曲配置时,由于CFCC之问,CFCC与外套之问产生摩擦,漏斗状外套颈部挤压处线材会出现擦痕,以及CFRP筋在弯曲状态下的张拉等因素,均有可能造成CFRP筋强度不同程度降低,因此在使用多股CFRP筋或弯曲配置时应通过试验重新测定CFRP筋抗拉强度.试验时,无论是内筋还是外筋均采用6股CFCC组合方式,采用多头锚固,而且内筋锚固还要按图2所示倾斜1.8.当内筋直线配置时,试验采用钢制试验框架,两端均采用图2所示的锚定系统,使用与实桥相同的张拉装置施加张拉力,测定破坏荷载.破坏荷载通过千斤顶液压传
11、感器测定;当内筋弯曲配置时,采用预制混凝土梁作为试验框架,在混凝土梁工业建筑2005年第35卷第9期内预埋弯曲波形聚乙烯套管,套管的弯曲半径为8m,弯曲角度为10.,重复上述试验测定破坏荷载;当测试外筋强度时,可直接采用3000kN卧式张拉试验机,两端设置锚具,施加张拉试验即可.该桥内,外筋破坏荷载试验结果列于表2.表2CFRP筋破坏荷载试件长:1):5.3m;2):7.3m;3)2.5m.从试验结果可以看出:1)多股CFRP筋比单股CFRP筋强度有不同程度的降低,可认为CFRP筋各股CFCC张力有偏差所致;2)弯曲配置使CFRP筋强度降低显着.因此,设计时,必须充分考虑多股CFRP筋强度降低
12、以及弯曲半径和弯曲角度对强度影响,保证结构安全.3.2拉伸疲劳试验单股cFRP筋拉伸疲劳试验较多,疲劳性能已经确认.但多股试验尚未有人做,无疲劳性能数据.在本桥中,内筋使用6股CFRP筋,挤压部疲劳强度降低尚不确定:而外筋,当其固有频率和桥梁的固有频率相近时,会产生共振现象,在锚定近处产生应力集中,使强度降低.因此,必须通过拉伸疲劳试验,确定CFRP筋的疲劳性能.试验时,采用与实桥相同的锚固系统在试验机上进行拉伸疲劳试验,试验条件见表3.疲劳试验后,观察CFRP筋外伤,再按与疲劳试验相同的锚定条件进行破坏试验,测定残余强度.表3拉伸疲劳强度条件下限荷载应力变化反复加荷频率反复加荷次数522kN
13、(0.6P)+looMPa2Hz上限2.0106次由试验结果可知,在进行200万次反复张拉试验后未发现CFRP筋断裂,外套颈部挤压部分也未发现外伤.而且试验后残余强度为870kN/6根,除其中1根在挤压部断裂外,其余5根没有外伤.由此可以认为:采用多股CFRP筋对疲劳强度没有太大影响,但是,弯曲状态下的疲劳和斜拉桥索的疲劳性能尚未充分试验研究,今后有继续研究的必要.3.3外套抗拔试验内筋是通过砂浆与管套结合,因此CFRP筋与混凝土以及套管与混凝土间要有充分的粘结性能.为不使CFRP筋受伤,本工程采用波形聚乙烯套管取代了以往的钢制套管,因此,必须通过试验确定波形聚乙烯套管与混凝土的粘结性能,确保
14、套管与混凝土为一体.试验如图5所示,把波形聚乙烯套管埋入混凝土试件中,插入CFRP筋后用砂浆充填.试件为3个,14d后进行抗拔试验,这时的混凝土强度为44.5MPa,砂浆的强度为24.4MPa预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术徐新生,等1一砂浆;2一波形聚乙烯套管;3一CFRP筋图5套管抗拔试验简图试验结果发现,套管及砂浆滑出之前,CFRP筋从砂浆中拔出,拔出荷重的平均值为163kN.由此可知,在低于CFRP筋和砂浆间的粘结强度时,套管不会拔出,而且套管与混凝土粘结性能好,可认为套管与混凝土为一体.4施工相关试验4.1外伤试验CFRP筋属于对外伤十分敏感的材料,损伤后其强度可能显着降低
15、,因此施工时应尽可能避免损伤CFRP筋,且施工前应通过外伤试验研究强度降低情况.飞翔桥工程中外伤试验主要考虑切削试验,静力侧压试验,冲击侧压试验等内容.4.1.1由切割引起的外伤试验这种试验的目的主要考虑CFRP筋在拉伸或插入预应力孔时有可能被承压板边缘割伤而使强度降低.试验方法是按图6所示方式选定cFcc中一股线材,在0.41.2mm范围内切割4种深度伤痕,分别进行抗拉试验,结果发现,仅伤痕1.2mm附近有部分纤维断裂,但并未发现强度降低现象.1一切割前直径;2一切割后直径;3一切割部分图6切割外伤试验4.1.2静压外伤试验考虑在施工过程中践踏或重压CFRP筋,有可能造成损伤,试验时采用150等边角钢的角部垂直接触挤压CFCC,分别施加60,100,150,350,500kN压力(见图7),每次施压需保持15s,对CFRP筋造成局部静压损伤,结果发现,压缩荷重60kN时无
