（廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 廣西 柳州 545006）

碳纖維預(yù)應(yīng)力棱柱體復(fù)合筋的應(yīng)用與研究

鐘卿瑜

（廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 廣西 柳州 545006）

碳纖維預(yù)應(yīng)力棱柱體復(fù)合筋（CFRP-PCPs復(fù)合筋）是一種由預(yù)應(yīng)力CFRP筋與超高性能混凝土復(fù)合而成的新型預(yù)應(yīng)力復(fù)合筋，該型筋材既能將預(yù)應(yīng)力有效儲存在CFRP筋中，又能減少CFRP筋運用于混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的撓度和裂縫過大的問題。本文對CFRP-PCPs復(fù)合筋在土木建筑工程中國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀作了介紹，并提出今后應(yīng)展開的研究方向和問題。

CFRP-PCPs復(fù)合筋；土木工程；預(yù)應(yīng)力；應(yīng)用；研究

1 CFRP-PCPs復(fù)合筋國外研究現(xiàn)狀

最早形成PCPs（Prestressed Concrete Prisms）棱柱體概念的是，1950年，德國人Fensterwalder首次將預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土棱柱體應(yīng)用在鋼筋混凝土橋面的施工中。1958年，Mikhailov針對水庫開裂問題進行了相關(guān)試驗，研究表明PCPs復(fù)合筋作為一種加固材料能有效延緩水庫開裂，且加固處滲透作用不明顯，加固后能起到有效保水作用。1998年，Nawy和Chen在改進PCPs的相關(guān)性能后，通過對4根改進后的PCPs（高強預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土棱柱體）混凝土梁的抗彎試驗研究分析得出：PCPs能有效延緩試驗梁裂縫的發(fā)展，且當(dāng)梁開裂后剛度下降幅值要小于普通鋼筋混凝土梁?？紤]到PCPs中使用鋼筋所引起的腐蝕新問題， Svecova和Razaqpul再次對PCPs的組成材料進行了改進，將預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土棱柱體（早期CFRP-PCPs）替代早先Nawy和Chen使用的高強預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土棱柱體，并進行了相關(guān)試驗研究，試驗結(jié)果表明，對復(fù)合筋施加的預(yù)應(yīng)力水平越高，相同荷載下復(fù)合筋混凝土梁的撓度越小，而極限承載力越大；相同荷載作用施加下，復(fù)合筋混凝土梁的剛度要大于普通鋼筋混凝土梁，撓度、裂縫等變形性能也優(yōu)于普通鋼筋混凝土梁。2000年，Svecova和Razaqpul 兩人通過一系列試驗研究分析后首次提出了CFRP-PCPs（CarbonFiber-Reinforced Polymer prestressed concrete prisms，即碳纖維筋預(yù)應(yīng)力混凝土棱柱體）復(fù)合筋的概念[54]。

2 CFRP-PCPs復(fù)合筋國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)有關(guān)CFRP-PCPs復(fù)合筋的試驗研究主要由本課題組在開展進行，并已經(jīng)取得了一定的研究成果：

（1）通過15個CFRP-PCPs復(fù)合筋和現(xiàn)澆對比梁的單調(diào)靜力荷載試驗，對CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土梁的破壞形態(tài)、極限承載力和構(gòu)造措施等進行了研究；在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下，CFRP-PCPs筋梁的受力性能優(yōu)于CFRP筋梁和鋼筋混凝土梁。在考慮CFRP筋不同張拉控制應(yīng)力，不同復(fù)合筋截面面積，不同復(fù)合筋根數(shù)等條件對構(gòu)件受力性能的影響時發(fā)現(xiàn)，提高CFRP筋預(yù)應(yīng)力水平在提高復(fù)合筋的開裂荷載和改善復(fù)合筋混凝土梁在正常使用狀態(tài)下的裂縫和撓度方面效果最為顯著[1]。

CFRP-PCPs復(fù)合筋梁板構(gòu)件的破壞模式分為受壓破壞、界限破壞及受拉破壞。其中又可根據(jù)構(gòu)件中普通鋼筋是否屈服將受壓破壞分為受壓破壞Ⅰ和受壓破壞Ⅱ，受壓破壞Ⅰ由于受力破壞前普通鋼筋已屈服，破壞征兆較明顯，是一種比較理想的“適筋”梁破壞模式[2]。

（2）通過6根預(yù)應(yīng)力CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土簡支梁抗震試驗，對其破壞形態(tài)、位移延性、滯回特性和耗能能力等進行了較系統(tǒng)的研究。正向加載時復(fù)合筋混凝土梁的開裂荷載均明顯高于普通混凝土梁，CFRP筋張拉控制應(yīng)力較大，反向加載時構(gòu)件的開裂荷載有顯著的提高；提高復(fù)合筋配筋率對正向和反向加載時復(fù)合筋混凝土梁的抗裂能力均有顯著提高[3]。

CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的滯回曲線均存在一定的捏攏效應(yīng)，但預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁滯回曲線的捏攏現(xiàn)象更為明顯，復(fù)合筋混凝土梁滯回曲線的捏攏趨勢相對平緩，因而復(fù)合筋梁的抗震性能要優(yōu)于預(yù)應(yīng)力CFRP筋梁。CFRP筋張拉控制應(yīng)力的提高對復(fù)合筋混凝土梁的延性有提高作用，復(fù)合筋配筋率越大，試件的變形恢復(fù)能力越好。

（3）通過16根CFRP-PCPs復(fù)合筋加固混凝土梁的試驗研究和理論分析，對CFRP-PCPs復(fù)合筋加固混凝土梁的破壞機理和CFRP-PCPs嵌入式加固的高性價比優(yōu)勢[4]。

對8根普通鋼筋混凝土梁進行CFRP-PCPs復(fù)合筋嵌貼抗彎加固試驗，試驗結(jié)果表明：由于復(fù)合筋的存在，延緩了加固梁的開裂進程，被加固梁的承載能力也隨著復(fù)合筋加固長度的增大而提高。

對8根普通鋼筋混凝土梁進行CFRP-PCPs復(fù)合筋嵌貼抗剪加固試驗，結(jié)果表明：被加固的混凝土梁承載力隨復(fù)合筋加固間距的減小而增大，復(fù)合筋加固角度為45度時，被加固梁的極限承載力高于復(fù)合筋加固角度為90度的被加固梁。加固后，混凝土梁的破壞模式分為三類：a.復(fù)合筋剝離而發(fā)生剪切破壞；b.復(fù)合筋斷裂而導(dǎo)致試驗梁發(fā)生剪切破壞；c.被加固梁發(fā)生彎曲破壞。

（4）通過6個CFRP-PCPs復(fù)合筋連續(xù)梁和現(xiàn)澆對比梁的單調(diào)靜力荷載試驗，對CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土連續(xù)梁梁的破壞形態(tài)、極限承載力和構(gòu)造措施等進行了研究；由試驗梁在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫分布狀態(tài)來看，復(fù)合筋在試驗梁開裂后其內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)開始逐步體現(xiàn)并發(fā)揮了較好的阻裂性能。其中復(fù)合筋的有效預(yù)應(yīng)力值越高裂縫發(fā)展形態(tài)（指已有裂縫的延伸速率及裂縫最大寬度的增長幅值）就越好，且具有一定的變形恢復(fù)性能。復(fù)合筋對其截面開裂彎矩的貢獻只與復(fù)合筋的截面尺寸有關(guān)（即僅改變開裂截面處的開裂剛度），與自身初始預(yù)應(yīng)力施加值的大小無關(guān)。

通過對6根復(fù)合筋兩跨連續(xù)梁從開裂、中支座控制截面受拉鋼筋屈服、跨中鋼筋屈服到最終承載能力極限狀態(tài)的全過程分析，得出：中支座控制截面處的復(fù)合筋參與了彎矩調(diào)幅的全過程，并對調(diào)幅值的大小產(chǎn)生了影響。

3 展望

綜上所述，CFRP-PCPs復(fù)合筋作為一種新型復(fù)合材料，與CFRP筋和普通鋼筋的物理力學(xué)性能方面存在很大不同。結(jié)合國內(nèi)外及本課題組目前對CFRP-PCPs復(fù)合筋的研究現(xiàn)狀，尚有許多需要深入探討的問題：作為一種新型復(fù)合材料，復(fù)合筋自身的本構(gòu)模型有待研究確定。復(fù)合筋在混凝土中的粘結(jié)滑移力學(xué)模型還需建立，相關(guān)的疲勞性能、長期使用性能有待研究。這些也關(guān)系到復(fù)合筋在實際工程中能否更好的運用。

[1]屈建. 新型CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土梁受力性能試驗研究與理論分析[D].廣西工學(xué)院,2012.

[2]聶威. 新型CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土梁抗震性能的試驗研究[D].廣西科技大學(xué),2013.

[3]牟曉輝. 混凝土梁側(cè)嵌貼CFRP-PCPs復(fù)合筋的抗彎及抗剪加固試驗研究[D].廣西科技大學(xué),2015.

[4]張鵬,張祥寧,鄧宇,等. CFRP-PCPs復(fù)合筋混凝土連續(xù)梁承載力試驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,(31):250-254+269.

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