盧春玲,張哲銘

(桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院;b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.廣西有色金屬礦產(chǎn)勘查與資源高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的推移與自然環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生一定的損傷與老化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降,降低建筑物的使用壽命。采用新型的FRP材料(fiber reinforced polymer, 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是一種簡(jiǎn)便、 有效的加固方法。 FRP材料20世紀(jì)40年代問(wèn)世于美國(guó), 首先應(yīng)用于航天業(yè), 隨著加工制造業(yè)不斷成熟, 因其產(chǎn)品耐腐蝕、 耐高溫、 質(zhì)輕、 熱容量小以及抗拉強(qiáng)度高等特性, 到20世紀(jì)80年代已經(jīng)開(kāi)始廣泛運(yùn)用于土木工程中[1-4]。 FRP種類較多, 可分為芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)、 玄武巖纖維增強(qiáng)材料(BFRP)、 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)等[5-8]。

FRP彈性模量較低,作為加固材料使用時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的提升有限,且存在應(yīng)力滯后的問(wèn)題,學(xué)者通過(guò)借鑒混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的基本原理提出了一種主動(dòng)提供約束應(yīng)力方式的預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)。目前有FRP布、FRP筋與FRP板,其中FRP筋與FRP板已有較成熟的加固技術(shù),CFRP板已經(jīng)較為廣泛地運(yùn)用在結(jié)構(gòu)加固中[9-11]。對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力會(huì)不可避免地產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的問(wèn)題,現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力FRP加固的預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，張拉裝置的變形滑移、溫度變化與加固構(gòu)件摩擦等會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力損失會(huì)降低FRP材料的加固效果,如何保持有效預(yù)應(yīng)力是FRP加固技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。

由于FRP材料種類較多、 試驗(yàn)條件及加固方法不盡相同, 相關(guān)理論研究并不完善。 本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的FRP加固應(yīng)力損失試驗(yàn)進(jìn)行綜述比較, 探討了加固錨具、 施工工藝、 材料特性、 外部環(huán)境等對(duì)FRP預(yù)應(yīng)力損失的影響, 在此基礎(chǔ)上, 對(duì)如何提高預(yù)應(yīng)力FRP的有效應(yīng)力進(jìn)行了展望。

1 FRP預(yù)應(yīng)力損失因素研究現(xiàn)狀

研究表明，F(xiàn)RP材料在施加預(yù)應(yīng)力過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失普遍發(fā)生在兩個(gè)階段: 第一階段是持荷前FRP與混凝土構(gòu)件接觸會(huì)產(chǎn)生摩擦損失; 第二階段為張拉完預(yù)應(yīng)力對(duì)FRP錨固后會(huì)使FRP產(chǎn)生持荷損失。FRP材料在張拉、持荷過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失路線如圖1所示。FRP材料在施加預(yù)應(yīng)力、持荷過(guò)程中,施工工藝的缺陷、錨具滑移變形、FRP材料特性、外部環(huán)境(溫度, 大氣中酸、 堿、 鹽含量)等因素都會(huì)使FRP產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。

1.1 預(yù)應(yīng)力FRP錨具的研究現(xiàn)狀

張拉裝置(錨具)的滑移變形造成FRP應(yīng)力損失較大,錨具與FRP銜接的緊密度、錨具自身剛度與錨具張拉的施工工藝是錨固過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失的主要因素。Yamakawa等[12]研究出一種鉗式錨夾具，當(dāng)其對(duì)FRP布施加預(yù)應(yīng)力時(shí),通過(guò)同步擰動(dòng)上下螺栓使夾鉗式錨具向內(nèi)移動(dòng),從而對(duì)FRP施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力。由于研究初期夾鉗式錨具中所使用的鋼材強(qiáng)度較差,不能提供較大的預(yù)應(yīng)力,也不能在現(xiàn)場(chǎng)均勻、精確地控制FRP片材中的預(yù)應(yīng)力。Mortazavi等[13]通過(guò)將膨脹砂漿灌注入CFRP 套管與混凝土之間來(lái)施加預(yù)應(yīng)力對(duì)混凝土柱主動(dòng)提供環(huán)向約束, 并通過(guò)改變膨脹砂漿配合比來(lái)控制預(yù)應(yīng)力大小, 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌入法雖然能施加預(yù)應(yīng)力, 但砂漿配合比不易控制, 會(huì)使FRP受力不均勻。 周長(zhǎng)東、 李季等[14-15]研究出了一種新型自鎖式錨具,其施加預(yù)應(yīng)力的方法為將CFRP布的兩端浸漬膠體, 然后粘貼于兩半組成的錨身, 待膠固化穿插螺栓對(duì)錨具進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加， 此法粘貼流程較慢, 且施加較大預(yù)應(yīng)力時(shí)錨具中螺桿會(huì)發(fā)生彎曲變形, 造成FRP損失過(guò)大。 程?hào)|輝等[16]和易亞敏[17]研制出了一套對(duì)FRP布施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力的張拉裝置, 該張拉裝置施工工序較復(fù)雜, 不利于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行受損墩柱的快速加固。 盧春玲等[18]研發(fā)了一種對(duì)多層FRP施加預(yù)應(yīng)力的楔片式錨具,如圖2所示。此錨具利用楔片式原理,配上結(jié)構(gòu)膠使FRP片材與夾片錨固于錨具內(nèi),此錨具可對(duì)2層及以上偶數(shù)層FRP進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。

圖1 FRP應(yīng)力損失路線圖

圖2 預(yù)應(yīng)力張拉裝置

1.2 張拉過(guò)程中FRP預(yù)應(yīng)力損失

1.2.1 FRP與混凝土構(gòu)件摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失 FRP筋在預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)會(huì)與管道壁間產(chǎn)生摩擦損失,其原理與混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼筋的摩擦損失類似,根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)規(guī)定,FRP筋在張拉過(guò)程中由摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失σl1為

(1)

式中:Ncon為鋼筋錨固下張拉控制應(yīng)力;Nx為距張拉端為x的計(jì)算截面處鋼筋實(shí)際的張拉力;Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積;σcon為預(yù)應(yīng)力FRP筋對(duì)錨下張拉控制應(yīng)力;θ為從張拉端至計(jì)算截面曲線管道部分切線的夾角之和;k為管道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù);μ為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁間的摩擦系數(shù);x為從張拉端至計(jì)算截面的管道長(zhǎng)度。

周長(zhǎng)東等[19]用自鎖式錨具對(duì)混凝土圓柱進(jìn)行CFRP布加固,發(fā)現(xiàn)摩擦損失為張拉過(guò)程中的主要應(yīng)力損失,圖3是碳纖維布環(huán)向加固混凝土圓柱的受力簡(jiǎn)圖,預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土圓柱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦損失,且隨著張拉端越遠(yuǎn)摩擦損失越大,聯(lián)立方程有

(2)

式中:F為錨具端部的張拉力;θ為距離張拉端的圓心角;μ為碳纖維布與柱表面的摩擦系數(shù); 在dl段由摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失為df, 因此摩擦損失產(chǎn)生的f為

(3)

圖3 碳布受力圖

式中:R為圓柱半徑;x為圓柱表面的弧長(zhǎng)。

盧毅等[20]通過(guò)預(yù)應(yīng)力玄武巖纖維布鋼管發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程中纖維布與試件表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦損失σl1,圖4為纖維布受力分析,根據(jù)受力平衡得到

(4)

根據(jù)彈性力學(xué)分析,最后得到微分方程

(5)

盧春玲等[21]對(duì)有倒角處理的混凝土方柱進(jìn)行預(yù)應(yīng)力CFRP布損失試驗(yàn), 研究發(fā)現(xiàn)隨著張拉端距離的增加,碳纖維布的摩擦損失越大,在倒角處引起的摩擦損失比占總摩擦損失比50%以上,且隨著控制預(yù)應(yīng)力越大、柱表面越粗糙、倒角半徑越小摩擦損失值越大。吳章勇[22]在對(duì)CFRP板張拉過(guò)程中發(fā)現(xiàn),碳纖維板呈直線張拉時(shí)應(yīng)力分布均勻不存在摩擦損失;對(duì)碳纖維板依次呈曲線張拉,張拉角度為2°、4°、6°、8°時(shí),摩擦損失率分別為1.18%、2.00%、2.58%、3.29%,CFRP板摩擦損失隨張拉角度的增加而增大,摩擦損失為張拉過(guò)程中FRP與結(jié)構(gòu)表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而引起的主要損失,張拉過(guò)程中控制應(yīng)力越大、張拉距離長(zhǎng)、張拉角度大、接觸面越粗糙FRP摩擦損失值越大。

圖4 碳布受力分析

1.2.2 張拉錨具變形對(duì)FRP的預(yù)應(yīng)力損失 軸向張拉FRP放張后錨具將承受巨大的壓力,會(huì)使錨具壓縮變形產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失,參照J(rèn)TG 3362—2018,FRP回縮引起預(yù)應(yīng)力損失σl2為

(6)

其中: Δl為FRP張拉端錨具變形FRP回縮值和接縫壓縮值;l為張拉端至錨固端之間的距離;Ep為FRP材料的彈性模量。

Costa等[23]對(duì)NSM-CFRP層合板加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)， 研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變損失主要位于粘合長(zhǎng)度的末端, 而在張拉中心區(qū)域, 大部分初始應(yīng)變隨時(shí)間保持良好。 Saadatmanesh等[24]對(duì)CFRP筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉, 認(rèn)為預(yù)應(yīng)力施加后的初始階段應(yīng)力損失主要由1 h內(nèi)的錨具端滑移變形與樹脂基體的滑移造成的, 由錨固端造成的張拉力損失ΔPS為

ΔPS=E0A(ε0-ε1),

(7)

式中:E0為FRP的彈性模量;ε0為FRP的初始應(yīng)變;ε1為1 h后FRP的應(yīng)變;A為FRP的截面面積。

盧毅等[20]認(rèn)為， 錨具造成FRP損失并不是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程, 放張后預(yù)應(yīng)力在20 min內(nèi)損失最快, 80 min后逐漸趨于平緩， 且張拉預(yù)應(yīng)力越大錨具損失越大。 郭馨艷等[25]用預(yù)應(yīng)力CFL(碳纖維薄板)加固鋼筋混凝土梁, 在張拉階段試件CFL的平均預(yù)應(yīng)力損失為7.4%, 粘結(jié)層與CFL箍完全固化后進(jìn)行放張, 放張后CFL各試件的應(yīng)力損失率均值為3%。 王文煒等[26]通過(guò)對(duì)浸漬環(huán)氧樹脂的后張法預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)，研究認(rèn)為預(yù)應(yīng)力損失主要是由放張后的CFRP布與錨具間的滑移與錨具滑移變形組成的, 張拉并持荷72 h放張, 預(yù)應(yīng)力損失占初始應(yīng)力的12.6%～18.2%； 環(huán)氧樹脂膠養(yǎng)護(hù)72 h時(shí)再放張與即刻放張相比較, 即刻放張的碳布與錨具之間的膠體處于流動(dòng)狀態(tài)更容易發(fā)生滑移損失。

黃金林等[27]對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維板損失試驗(yàn),結(jié)果表明當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平為0.2、0.3時(shí),碳纖維板張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失為3.76%、6.59%;在粘貼碳纖維板過(guò)程中不同步升降造成應(yīng)力損失為1.49%～1.82%；碳纖維板放張過(guò)程中預(yù)應(yīng)力損失在50 s內(nèi)完成,之后預(yù)應(yīng)力損失增加緩慢,損失率為2.97%～3.73%。尚守平等[28]通過(guò)千斤頂對(duì)2根12 m長(zhǎng)的工字形鋼上進(jìn)行碳纖維板張拉，待千斤頂卸載后預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失率為2.2%,卸載1 h后損失率為2.3%，試驗(yàn)表明這部分預(yù)應(yīng)力損失主要由卸載后錨具壓縮變形與碳纖維布回縮引起,其損失量與施加的預(yù)應(yīng)力大小以及端部的錨固效果有關(guān)。鄧宗才等[29]對(duì)4個(gè)不同初始應(yīng)力水平的芳綸纖維布進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)， 在施加應(yīng)力1 h后, 錨固端造成的應(yīng)力損失損失率為4.82%～5.46%。 楊勇新等[30]利用滾軸式錨具對(duì)2組不同長(zhǎng)度的碳纖維布進(jìn)行張拉試驗(yàn),張拉過(guò)程中裝置的轉(zhuǎn)向軸摩擦及變形損失率為1%～3%,螺栓變形造成的預(yù)應(yīng)力損失率在1.5%左右,粘貼碳纖維布的過(guò)程中提升平板裝置會(huì)發(fā)生變形損失,此損失占初始應(yīng)力的7%～8%。

綜上所述,無(wú)論是FRP加固鋼筋混凝土梁、FRP加固柱或通過(guò)張拉裝置對(duì)FRP軸向張拉,FRP的預(yù)應(yīng)力損失都隨張拉控制應(yīng)力的增加而增大,其錨具滑移變形產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失也是如此。

1.3 持荷過(guò)程中FRP預(yù)應(yīng)力損失

1.3.1 FRP材料特性造成的預(yù)應(yīng)力損失 FRP由增強(qiáng)纖維和基體組成,一般用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂作基體。纖維的直徑很小一般在10 μm以下,屬于脆性材料易斷裂。FRP布在受力的過(guò)程中,FRP內(nèi)應(yīng)力重分布,短纖維先受力,隨著持荷時(shí)間的增長(zhǎng),稍短纖維所承擔(dān)的荷載通過(guò)碳纖維布的編織經(jīng)線傳遞給稍長(zhǎng)纖維,導(dǎo)致FRP應(yīng)力松弛。

Saadatmanesh等[24]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得CFRP筋的松弛率在1 h內(nèi)可達(dá)總損失率的50%, 且應(yīng)力松弛的損失速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)變慢。 Zou[31]測(cè)試了AFRP與CFRP筋在0.5預(yù)應(yīng)力度條件下1 000 h的松弛性能, 發(fā)現(xiàn)AFRP筋的應(yīng)力松弛損失率為7%, CFRP筋的松弛率為1%。 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析擬合得到AFRP筋應(yīng)力松弛損失率β與時(shí)間t的關(guān)系式為

β=0.796 2lnt+1.467 7。

(8)

孟履祥等[32]參照日本《測(cè)量纖維塑料筋應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》(JSCE-E 534—1995), 同時(shí)參照國(guó)內(nèi)測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋松弛的方法對(duì)國(guó)產(chǎn)CFRP筋在0.4、 0.5、 0.6預(yù)應(yīng)力度條件進(jìn)行了松弛測(cè)試, 100 h后觀測(cè)到CFRP筋的松弛損失率分別為1.64%、 2.12%和2.47%。 李世宏[33]設(shè)置了4組預(yù)應(yīng)力碳纖維布張拉試件, 試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)PLS-500伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行， 試件的預(yù)應(yīng)力分別取0.45fcfk、 0.5fcfk(fcfk為碳纖維布抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)， 并認(rèn)為對(duì)碳纖維布張拉完24 h后的預(yù)應(yīng)力損失為碳纖維布的松弛損失, 24 h后預(yù)應(yīng)力損失率為0.59%～1.52%, 且應(yīng)力變化較小, 6 d后應(yīng)力損失值很小及變化幅度趨于平穩(wěn)。 Wang等[34]對(duì)3組涂抹環(huán)氧樹脂膠的碳纖維片材在張拉臺(tái)進(jìn)行張拉,分別張拉至預(yù)應(yīng)力0.40ffu、0.48ffu、0.56ffu,在控制恒溫恒濕的條件下監(jiān)控2 500 h發(fā)現(xiàn)松弛損失在2.2%～6.6%,通過(guò)簡(jiǎn)單的最小二乘回歸,假定碳纖維布的松弛在2 500 h后沒(méi)有變化,有效預(yù)應(yīng)力與初始預(yù)應(yīng)力比值β為

(9)

式中:fpR為放張某時(shí)間t后碳纖維片材的殘余應(yīng)力;fpi為初始應(yīng)力;ffu為碳纖維片材的極限抗拉強(qiáng)度。

鄧宗才等[29]認(rèn)為預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布的松弛損失發(fā)生在1 h后,放張10 h松弛損失發(fā)展最快,且應(yīng)力松弛損失隨應(yīng)力水平的增加而增大。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到以1 a為基準(zhǔn)的芳綸纖維布應(yīng)力松弛損失σl5計(jì)算式為

σl5=0.08(σi/ftu+1.64)σi,

(10)

式中:σi為初始應(yīng)力;ftu為名義極限抗拉強(qiáng)度。

楊勇新等[30]認(rèn)為碳纖維布的蠕變?yōu)镕RP材料特性造成的長(zhǎng)期損失的原因之一, 并對(duì)放張后的碳纖維布進(jìn)行50 h的監(jiān)測(cè), 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在放張15 h后穩(wěn)定在某一定值, 隨時(shí)間的增長(zhǎng)應(yīng)力基本保持不變。 郭馨艷等[25]對(duì)預(yù)應(yīng)力CFL(碳纖維薄板)進(jìn)行30 d預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)張拉控制應(yīng)力水平為8%、15%、22%時(shí)試件應(yīng)力損失率為1.8%、1.9%、2.5%,放張后CFL在穩(wěn)定階段的應(yīng)力損失與預(yù)應(yīng)力大小有關(guān),預(yù)應(yīng)力越大即穩(wěn)定階段的預(yù)應(yīng)力損失越大。黃金林等[27]對(duì)放張20 d的5組每組51碳纖維板試評(píng)進(jìn)行監(jiān)測(cè), 如圖5所示, 發(fā)現(xiàn)大部分預(yù)應(yīng)力損失在50 h內(nèi)完成, 其后預(yù)應(yīng)力損失增加緩慢, 損失率為2.63%(預(yù)應(yīng)力水平30%的10個(gè)試件)～3.43%(預(yù)應(yīng)力水平20%的15個(gè)試件),并對(duì)試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析, 現(xiàn)碳板的長(zhǎng)期松弛損失與初始應(yīng)力和時(shí)間有關(guān), 對(duì)松弛部分預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到碳纖維板的松弛損失σl5公式為

σl5=0.009 6σcon+8.43lgt,

(11)

式中:σcon為張拉初始應(yīng)力,t為應(yīng)力松弛的時(shí)間。

圖5 CFRP板放張20 d的預(yù)應(yīng)力損失

1.3.2 外界條件對(duì)FRP的預(yù)應(yīng)力損失 Saadamanesh等[24]研究表明，在相同預(yù)應(yīng)力水平及溫度下,CFRP絞線在酸溶液、堿溶液、鹽溶液、大氣中10 h的松弛率為6.34%、6.27%、6.81%、5.02%,FRP在酸、堿、鹽中的松弛量大于在空氣中松弛量,其原因是OH-或Cl-會(huì)滲透到環(huán)氧樹脂中破壞其樹脂基體結(jié)構(gòu)。El-Hacha等[35]在室溫(+22 ℃)與低溫(-22 ℃)條件下對(duì)T型梁張拉預(yù)應(yīng)力CFRP布, 在室溫(+22 ℃)下放張5 h后CFRP布預(yù)應(yīng)力幾乎保持不變, 在低溫(-22 ℃)下暴露的CFRP布預(yù)應(yīng)力變化高達(dá)4.0%,將低溫恢復(fù)到室溫時(shí),由于低溫暴露引起的預(yù)應(yīng)力損失完全恢復(fù),可知相比室溫條件下,低溫會(huì)增大FRP的預(yù)應(yīng)力損失。李知兵[36]在不同溫度下對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，認(rèn)為碳纖維作為補(bǔ)強(qiáng)材料,其熱膨脹系數(shù)比混凝土、鋼筋的熱膨脹系數(shù)小得多,當(dāng)溫度變化時(shí)碳纖維的變形量與混凝土的變形量差距較大,界面兩側(cè)的兩種材料相互約束,碳纖維內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生溫差應(yīng)力,其溫差分布與截面換算后的幾何參數(shù)如圖6所示。

圖6 溫差分布與截面幾何參數(shù)

溫度場(chǎng)分布下碳纖維板的應(yīng)變?chǔ)舊為

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí), 碳纖維板應(yīng)力增量Δσf及應(yīng)變差Δεf為

Δσf=EfΔεf；

(17)

(18)

式中: Δt1=T1′-T1, Δt2=T2′-T2,T1、T2與T1′、T2′分別為工況1、2下梁上表面與下表面的溫度;εf為加固后碳纖維板應(yīng)變;Ef、αf、Af分別為碳板的彈性模量、線膨脹系數(shù)以及截面面積;Ec、αc、Ac、Ic分別為混凝土的彈性模量、線膨脹系數(shù)、混凝土主梁截面面積和慣性矩。

1.3.3 加固構(gòu)件變形對(duì)FRP預(yù)應(yīng)力損失[26]參照J(rèn)TJ 3362—2018中混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法，混凝土收縮徐變引起的FRP預(yù)應(yīng)力損失為

(19)

美國(guó)AASHTO規(guī)范[37]給出了不同的理論計(jì)算方法,根據(jù)AASHTO規(guī)范混凝土FRP因收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失為

σl6=σSR+σCR;

(20)

σSR=εshEcfKid;

(21)

(22)

(23)

式中:Acf為CFRP布截面面積;Ag為混凝土梁毛截面面積;Ig為混凝土梁毛截面慣性矩;ecf為CFRP布偏心距;σSR為混凝土收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失;σCR為混凝土徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失;σpc構(gòu)件受拉區(qū)全部縱向鋼筋截面重心處由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的混凝土法向壓應(yīng)力。

王文煒等[26]根據(jù)中國(guó)規(guī)范與AASHTO規(guī)范對(duì)CFRP布加固鋼筋混凝土梁由混凝土徐變與梁的壓縮變形而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行的計(jì)算發(fā)現(xiàn),不同規(guī)范計(jì)算出存在一定的差值,但差值占總損失比例較小。黃金林等[27]認(rèn)為碳纖維板放張且膠粘結(jié)固化后,張拉應(yīng)力會(huì)通過(guò)界面剪應(yīng)力傳遞給梁,使梁底部獲得預(yù)壓力,按彈性理論及CFRP板與混凝土梁截面無(wú)相對(duì)滑移的假設(shè),混凝土最大預(yù)壓力σc為

(24)

σl4=αcfσc。

(25)

2 存在的問(wèn)題與研究展望

FRP加固技術(shù)是結(jié)構(gòu)加固中的前沿技術(shù), 采用預(yù)應(yīng)力加固方法可以提高構(gòu)件的疲勞承載力、 減小裂縫寬度、 改善結(jié)構(gòu)延性等。 FRP的高強(qiáng)度、 無(wú)污染、 耐腐蝕等材料特性在實(shí)際工程中對(duì)于老化構(gòu)件、 震損構(gòu)件的加固仍是迫切需要的。 國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP預(yù)應(yīng)力損失研究以及FRP加固結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究較多, 但是由于試驗(yàn)方法、 試驗(yàn)條件、 選用材料不盡相同, 在許多方面理論也并不完善, 表1為本文對(duì)FRP損失數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)匯總, 并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)錨具滑移或變形損失仍為FRP在加固過(guò)程中主要損失,FRP材料構(gòu)造的不同,如FRP板、FRP布、FRP筋等,會(huì)使材料在放張的預(yù)應(yīng)力損失不同,整體性較好的FRP板相對(duì)損失較小,編織類FRP布相對(duì)損失較大。張拉裝置(錨具)變形滑移會(huì)導(dǎo)致FRP產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失,且錨具滑移產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失并不是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程, 前期損失最快,1 h左右損失值逐漸趨于穩(wěn)定,且隨張拉應(yīng)力的增加錨具變形產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失越大。摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失與錨具變形滑移產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失占FRP總損失比例較大,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于FRP張拉裝置的研究較少,如何研發(fā)方便快捷的張拉裝置并降低摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

(2)與錨具損失相比, 松弛損失、 外界因素、 構(gòu)件變形等造成的FRP損失占比較小, FRP材料松弛損失是依存時(shí)間變化, 且材料構(gòu)造、 初始應(yīng)力的大小都會(huì)成為松弛率變化的因素。 FRP在長(zhǎng)期持荷作用下會(huì)產(chǎn)生一定的松弛損失, 這是由材料屬性與制作工藝所致, 且預(yù)應(yīng)力越大FRP松弛損失越大。 FRP材料是一種熱縮冷脹的材料, 溫度的變化會(huì)造成FRP的預(yù)應(yīng)力損失, 在實(shí)際工程中溫度變化是不可避免的。 加固構(gòu)件的變形會(huì)也使FRP材料產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失, 相比較摩擦損失與錨具滑移造成的預(yù)應(yīng)力損失, 溫差造成的預(yù)應(yīng)力損失、 松弛損失與構(gòu)件變形損失總損失比例較小。盡管預(yù)應(yīng)力FRP加固會(huì)產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失, 但FRP材料低耗無(wú)污染的材料特性, 使預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷壯大, 對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性、 抗疲勞與延性要求的不斷提高,大量的建筑結(jié)構(gòu)急需預(yù)應(yīng)力加固, 其施工效率高、 施工質(zhì)量高、 對(duì)后期的維護(hù)要求較小且加固效果和綜合效益好。 研發(fā)方便快捷的新型張拉裝置是預(yù)應(yīng)力加固系統(tǒng)的基礎(chǔ), 保持長(zhǎng)期有效的預(yù)應(yīng)力是加固技術(shù)中的重點(diǎn)。 由于試驗(yàn)條件、 方法與選材的不同,所以目前FRP損失試驗(yàn)研究理論尚且不足, 對(duì)張拉過(guò)程中的摩擦損失與持荷后預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算都是基于試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式,并沒(méi)有取得一致認(rèn)識(shí)。 如何構(gòu)造可以量化的FRP張拉系統(tǒng)用于FRP加固,完善加固過(guò)程中FRP的預(yù)應(yīng)力損失理論,都需要在得到充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和精確模型分析結(jié)果后展開(kāi)深入研究。

表1 FRP預(yù)應(yīng)力損失研究匯總

3 結(jié) 論

本文將現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力FRP試驗(yàn)與應(yīng)用案例的最近進(jìn)展進(jìn)行了比較,對(duì)不同施工工藝與FRP在材料特性下產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行歸納總結(jié),并對(duì)如何有效保持FRP預(yù)應(yīng)力研究方向進(jìn)行展望,得到如下主要結(jié)論:

(1)錨具變形滑移損失為FRP持荷后的主要預(yù)應(yīng)力損失,且損失時(shí)間較快,預(yù)應(yīng)力越大錨具變形產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失越大。不同材料會(huì)使FRP損失存在差異,編織類的FRP損失相對(duì)較大。

(2)FRP自身的材料特性會(huì)產(chǎn)生一定的松弛損失,CFRP筋在酸、堿、鹽中的應(yīng)力損失量大于在空氣中的。FRP在低溫條件下的預(yù)應(yīng)力損失高于室溫條件下的預(yù)應(yīng)力損失;混凝土結(jié)構(gòu)在壓縮變形與徐變的條件下會(huì)引起FRP的損失,相比較錨具變形損失與摩擦產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失,FRP材料松弛損失、溫差變化與構(gòu)件變形等產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失占FRP總損失比例較小。

(3)FRP加固技術(shù)作為加固結(jié)構(gòu)中的前沿技術(shù),在土木工程未來(lái)的發(fā)展中扮演著重要角色,其中預(yù)應(yīng)力的發(fā)展是加固技術(shù)中的重點(diǎn),由于工程界對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)的研究起步較晚,其施工技術(shù)與理論研究并不完善。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨具的研發(fā)仍是加固技術(shù)中研究的熱點(diǎn),增加預(yù)應(yīng)力錨具的錨固性能、降低預(yù)應(yīng)力損失、有效提高預(yù)應(yīng)力FRP的錨固效率是至關(guān)重要的。相信隨著研究的不斷深入,預(yù)應(yīng)力FRP加固可以達(dá)到理想的加固效果,FRP加固技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟。