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基于预应力FRP加固钢筋混凝土受弯梁的一种锚固体系

摘要：采用外贴纤维增强聚合物（FRP）层板加强钢筋混凝土组合梁最近吸引了更多研究者的关注。通过对外贴FRP层板施加预应力，该材料被利用的更有效因其使用了它拉伸能力的较大部分，而且有利于梁在正常使用状态和极限状态的承重能力。这是一种理想的技术，因为它通过体外预应力张拉外贴FRP层板高效利用了该材料并结合了其抗腐蚀重量轻的优点。一种创新的机械锚固体系被开发出来通过顶推梁精确张拉FRP层板。在大比例钢筋混凝土受弯梁上我们通过两FRP层板来研究该系统的效能。所使用的玻璃钢复合材料包括碳纤维增强聚合（CFRP）板和钢纤维增强聚合物板（CFRP）。所开发的锚固/预应力系统易于使用，并证明对于两个CFRP板和SFRP板都是可行的、实用的。预拉FRP层板的预应力充分地保持，预应力损失并不明显。

CE数据库主题词：锚固；混凝土；延展性；纤维增强聚合物；符合材料；钢；梁。

关键字：锚固；碳；合成物；混凝土；延展性；系数；纤维增强聚合物；预应力；静止；钢；加固；

绪论

FRP叠层材料（片材、带、板）近年来因其优异的特性在加强钢结构方面受到了极大的关注。FRP在强度高、重量轻、无腐蚀性、非磁性、良好的抗疲劳性能上有很大的保障。很多学者就无预应力玻璃钢层板加固钢梁的特性做了研究。一项实验性研究在卡尔加里大学进行，测试用五份不同类型的玻璃钢材料加固五份6000毫米跨度钢 - 混凝土组合梁。所使用的FRP材料是钢纤维增强聚合物薄板（SFRP）、中模量碳纤维聚合物挤压板（IM CFRP）、单向预浸渍碳纤维布、高模量碳纤维复合材料挤压板（HM CFRP）、超高弹性模量碳纤维复合材料挤压板（CFRP UHM）。所有梁的FRP材料使用相同的轴向刚度。据制造商提供的报告，FRP材料的配筋率分别为8.1％、3.87％、21.4％、5.64％、6.45％（分别对应SFRP板、IM CFRP板、CFRP板、HM CFRP板、UHM CFRP板）。加固后梁的屈服荷载比未加固梁分别增强22.5％、29.0％、21.3％、52.4％、和70.8％，极限荷载相对增强31.0％、37.4％、24.3％、48.7％、42.9％。作者还得出结论，SFRP比CFRP更具成本效益。实验结果与从有限元软件ANSYS建模使用横梁获得数值结果比较，弯曲性能与实验结果有良好的相关性。尽管采用外贴FRP层板提高了梁的抗弯能力，但并不能提高梁的承载能力。然后，加强梁的承载能力是必要的，可通过预应力技术张拉FRP层板实现。

很少有研究人员调查了用预应力CFRP层板加固钢梁的特性。预应力CFRP条被用来修复钢梁的缺口。试验结果表明，这种技术可减少和停止现有裂缝的发展。该粘合剂厚度在粘结预应力CFRP条的有效性具有重要作用尤其是在一个较长的裂缝，因为剪切变形降低了裂缝桥接。采用预应力CFRP加强杆被用来改善一三跨钢箱梁桥在正弯矩区域的活承载能力。Schnerch等研究了用预应力高模量CFRP加强钢筋混凝土组合梁的响应分析。在粘接到钢梁之前，CFRP条被预应力张拉0.06％的应变（相当于CFRP材料最终容量的18％）。研究数据包括不同弹性模量的CFRP条和在不同横截面粘贴CFEP条的影响。试验结果表明，预应力碳纤维布条经济地利用了该材料，使梁在荷载作用下提高31％的刚度，同时保持原截面的延展性。

研究意义

EB FRP加强技术的效率能够提高如果CFRP层压板采用了特殊的预应力锚具系统。通过预应力技术张拉的碳纤维复合材料，该材料可用于更有效地利用其拉伸能力的较大部分。预张拉FRP层板有利于提高其正常使用状态和极限状态下的能力承载能力。采用预应力玻璃钢层压板加固是非常有吸引力的，因为它通过体外预应力高效地结合所提供的材料无腐蚀，重量轻的优点。本研究探讨开发一种利用预应力FRP压板的增强大比例钢筋混凝土组合梁的抗弯性能新的机械锚固系统。所开发的机械锚固系统的优点在于顶推梁本身。在这项研究中考虑的参数分别为FRP层合板的种类（CFRP板和SFRP板）和预应力水平。

试验计划

虽然本文描述了通过顶推钢筋混凝土组合梁本身的张拉FRP板开发的锚固系统的有效性，一个试验梁的简短描述如下文。

试件说明

六个6200毫米（计算跨径）用6000毫米FRP板进行预应力加强的混凝土组合梁。所用结构截面是W200times;19（W8times;13）型G40.21-M350W热轧工字钢。钢梁横截面的标准尺寸如下：总高度203毫米，凸缘宽度和厚度分别是102毫米和6.5毫米，翼缘厚度5.8毫米。该钢梁横截面的面积和惯性力矩分别为2480mm²和16.6times;106mm^4. 。钢的张力测试依据执行美国ASTM A370-02，标本根据ASTM E8-04加工。从测试来看，平均屈服强度和极限强度分别为352MPa、453MPa，标准偏差分别11.1MPa、7.6MPa。从制造商报告指定的屈服强度、极限强度、和断裂伸长率分别为395兆帕、496兆帕、0.0026，弹性杨氏模量为为200GPa。钢筋混凝土板是435毫米宽和56毫米厚。在混凝土板中间高度配有与152times;152mm的焊接钢丝网，钢丝之间纵向和横向的间隔为152毫米。该钢丝的横截面面积为13.3平方毫米的长度和横向。混凝土标准抗压强度是40兆帕。混凝土和钢梁的上翼缘之间的复合作用使焊接抗剪连接件用直径保证为6.35mm、长度28.56毫米。在梁的四个点进行压弯测试，施加两个相等的集中准静态负载对称，大约为1200毫米的间隔梁的中心（图1）。在梁跨中深度方向上安装应变仪来测量钢的应变、混凝土的应变（使用线性应变LSC模型转换），使用安装在沿梁长度方向上的不同位置的应变仪测量FRP材料的应变、在跨中的偏转，以及使用的弹簧电位器和LSCs集中合载。在张拉CFRP板和SFRP板时，每1秒，为期1天，读所有仪器仪表的数据。然后从所有仪器仪表的收集数据的频率改变为每600秒一次，为期7天，直到检测梁时数据测试又精确到每秒一次，直到梁破坏。梁被分为两组，采用FRP材料的SFRP板和CFRP板，每个组各有三片梁，分别用三种不同的预应力水平增强。压弯试验的结果，包括在采用预应力的FRP加固梁之间和不采用预应力FRP强梁之间对比，另外不采用预应力的FRP加固梁可以在伊马姆阿里的实验数据里发现。表1所示的测试数据矩阵包括目标，所施加项目的和有效预应力（来自荷载测试元件），和从应变仪测得的由预应力张拉CFRP的应变的SFRP的应变。浇筑前，顶部混凝土板和钢梁下翼缘的表面做喷砂处理，直到一个粗略的干净，银色金属表面呈实现，确保FRP和钢材之间良好的粘结。在凸缘底部的做喷砂处理直到形成的喷砂表面上无氧化，应用环氧树脂粘贴FRP层板。

图 1

FRP增强材料的属性

SFRP薄板

采用的是单向超高强度SFRP 3times;2-23型。数字23表示该表包含23英寸高碳钢绞线。3times;2是指钢绞线线是由三根被两根钢丝高度扭转包裹直钢丝组成。该钢丝具有一个超薄的黄铜镀层防腐。该SFRP片有0.442mm²净横截面和1.23毫米的厚度。根据ASTM D3039/ D3039-00进行直接拉伸SFEP。从三个张力测试结果显示该SFRP片具有线性应力- 应变行为直到破坏。平均极限抗拉强度，拉伸弹性模量，和极限拉伸应变分别为1,029.5兆帕、71359兆帕、0.01445，分别采用的标准差为61.5兆帕、1423兆帕、0.0011。根据生产商提供的其线性应力应变特性中，极限拉伸强度、抗拉弹性模量，和极限拉伸应变分别为1133兆帕、75,600兆帕、0.0149。梁被两层SFRP薄板加强，[82毫米宽、1.23毫米厚、总面积201.72平方毫米]。 Sikadur-330环氧树脂是用来粘结的SFRP和钢梁。

CFRP板

所采用的是挤压IM FRP板。该梁用一层CFRP板加强 [80 mm宽、1.2毫米厚、总面积96mm²]。根据ASTM D3039/ D3039-00对CFRP板进行直接拉伸试验。三个拉伸试验结果表明，该CFRP板直到破坏具有线性应力- 应变行为。平均极限抗拉强度、拉伸弹性模量、和极限应变分别为2,565兆帕、153752兆帕、0.0177，标准差分别为193兆帕、8,836兆帕、0.001。根据生产商提供用于线性应力 - 应变特性中，极限拉伸强度、拉伸弹性模量、极限应变分别为2800兆帕、165000兆帕、0.01696。 用Sikadur-30环氧树脂来粘贴CFRP板和钢梁。

CFRP 薄板

单向碳纤维布用于加固CFRP板与SFRP的两端，如描述的，锚后有（SikaWrap六角-230C2010）。根据制造商提供的特性，其拉伸强度和模量的设计值分别为715兆帕、61012兆帕。粘接到锚具的钢使用Sikadur-330环氧胶粘剂。

表 1

预应力锚固系统

开发了一种机械系统通过顶推钢梁自身来张拉FRP层板，并将FRP层板锚定到钢梁。新系统依赖在使用粘结环氧树脂胶粘剂把加强材料将用螺栓钢锚连接到钢梁。张拉之前，在每根梁顶端预留四个22毫米直径的孔。如图所示，锚固预应力张拉体系在图3下，由9个部分组成。FRP层板在其两端有两个锚连接，永久固定锚在固定端（在图2部分3）和可活动锚在顶端被使用（第3部分中图3）。

图 2

图 3

该系统的其他七个组件，包括在顶端被用于永久固定的角肢（第1部分在图3中），螺纹杆（4部分在图3中），液压千斤顶（5部分在图3中），负载传感器（6部分在图3中），钢座椅端（7部分在图3中），锁紧螺母（8部分在图3），和一个松螺母（9部分图3）。应当指出，锚固系统的所有部件的尺寸是基于有限元分析和锚测试结果来的。

固定式钢平板锚

如图3所示，中的②为永久固定钢锚。 细节如图4中展示， 由一块带四个22毫米直径孔的310times;102times;10 mm钢板，以允许四个直径19毫米的螺栓连接钢底部法兰。三个钢加劲肋（270times;20times;5毫米）焊接到钢板，以防止由于预应力影响产生的任何可能的弯曲。这是通过焊接一块小的锥形钢板（102times;40times;10mm）实现了锚的端部的厚度钢板逐渐降低到最小化的那部分的应力集中。

固定角钢锚

如图3所示1部分为永久固定角钢锚。细节如图5呈现， 由L152times;152times;13mm角钢用419mm直径的螺栓固定钢梁的底部下缘。四个加强件被焊接以防止垂直腿在预应力影响下的下弯曲。垂直腿切角以适合横梁的底部法兰。两个中空结构钢（HSS）被焊接到钢角，它用来指支撑底部的活动锚（在图3部分3）在施加预应力之前，以及抵抗可动锚的任何可能的由预应力CFRP偏心板与SFRP之间可能产生的内力引起的转动。两个在垂直腿中的21毫米直径的钻孔允许螺纹杆固定到连接件之间可移动的部分。

图 4

可移动的钢锚

如图3所示3部分是一个可移动的锚。如图6呈现的细节， 由L102times;152times;13mm型角钢组成，其中垂直腿切角以便角粘贴到钢梁底部凸缘。钢角用四根加强筋加固，防止竖向角肢在施加拉力的作用下弯曲。像永久平板固定钢锚一样，一块小的锥形钢板（102times;40times;10毫米）焊接到角的腿部带有两个21毫米，以允许所述螺纹钢杆通过。

预应力锚固系统其余组件

两个19毫米直径的螺纹钢筋（如图3第3部分，梁的每一侧一个）用于传送来自顶推可动钢锚的拉力（图7）。在梁的每一边，一个液压千斤顶（图3第5部分）用来提供的拉伸力，一个荷载传感器（图3第6部分）中的用于测量预应力大小。钢坐板（图3第7部分）用来当荷载传感器达到目标预应力后除去液压千斤顶。两个锁紧螺母（图 3第8 部分）被放置在固定的角之前当负载元件锁定之后保证可移动部分以仅在一个方向上移动。松螺母（图3第9部分）位于螺纹钢的刚坐板中， 这个螺母达到目标预应力后锁定可移动锚的以便负载和顶推力的输出。

图 5

图 6

梁的加固过程

粘接强化材料到锚

在FRP层压板切成所需的长度取决于加强材料和目标预应力引起FRP叠层不同伸长率。固定和可动端锚的表面和FRP层压板表面做喷砂处理以保证他们之间的良好粘结。在CFRP和SFRP板表面两端用溶剂丙酮清洗并用空气刷保证粘合到扁平钢板锚和在可动上钢角锚前去除所有的灰尘，之后将其留待固化7天。一个特殊的油灰刀用来保证环氧胶粘接剂铺展的厚度是由制造商推荐的。对FRP层板小幅按压以确保下环氧树脂的均匀分布到层板。该SFRP采用Sikadur-330环氧胶粘剂粘合到钢锚。该CFRP板使用Sikadur-30环氧树脂胶粘剂粘合到钢锚。单向碳纤维布有四个附加层（508毫米长times;80毫米宽），被环氧粘接在固定端钢锚和CFRP板的底表面和SFRP板之间的增加加强材料和钢锚的粘合区域（图8）。该CFRP增加一倍粘贴面积，这增加了锚抵抗任何在高负载下可能发生的滑移的容量。在施加预应力之前，FRP端锚在受保护的环境养护1周。

图 7

图 8

连接端锚到钢梁

此后，将固定端平钢板锚用419mm直径的螺栓固定在钢梁的底部凸缘。然后，在固定端角钢锚固是在另一端底部用四个直径19毫米的螺栓连接到钢梁的凸缘。与保税FRP粘贴的活动端角钢锚搁在焊接到固定角钢的钢导轨。

预应力张拉

在梁/锚固系统的每一侧，螺纹杆（第4部分在图3）穿过可动端上角锚（第3部分中图3）由此固定端角锚（在图1部分3）被锁定螺母锁定固定锚侧。用松动螺母（9部分在图3中）拧紧螺纹杆连接钢坐板（在图7部分3）、液压千斤顶（图5部分3）、负载

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