工程案例
業務范圍
CFRP布材預應力平板的結構可行性試驗研究
發布時間：2014-07-15
【摘要】CFRP布材的生產工藝相當成熟，廣泛用于混凝土結構的加固。利用CFRP布施加預應力可更加充分發揮其高強耐腐蝕性能。本文對CFRP布材施加預應力的可行性進行了分析和說明，并通過了具體試驗介紹了進行的CFRP布材預應力平板的試驗情況。并對有待深入研究的內容作了歸納。 關鍵詞 CFRP布 錨具 預應力平板 預應力張拉
1、概述
工程實踐表明，CFRP復合材料能適應現代工程結構向大跨、高聳、重載、高強和輕質發展以及承受惡劣條件的需要，符合現代施工技術的工業化要求，正被越來越廣泛的應用于橋梁、各類民用建筑、海洋和近海、地下工程等結構中。應用的方式有兩種：一是直接應用于新建結構中，二是用于舊有結構的維修加固，以取得良好的經濟效益[1]～[3]。
我國于1996-1997年正式對CFRP用于土木建筑結構進行研究，并在1998所開始了實際的工程應用，至今國內已有近十個科研院所、十余所高等院校，對其技術性能進行了研究，取得了大量的科研成果。但國內的研究成果和對象基本上以結構加固和修復為主。與國外已開展采用CFRP代替鋼筋和預應力筋或索的使用相比已明顯落后，有必要開展相關的應用研究[2][4]。
雖然抗拉強度高和彈性模量低使得CFRP筋束非常適合于施加預應力，但它還有高度的非均質性和脆性的缺點，這非均質性使其極易在預應力錨固時發生破壞，而其脆性則在施加預應力時比鋼材更加危險。迄今為止還沒有一種錨固系統能保證所有的CFRP力筋達到最佳預應力傳遞，這也是在對CFRP預應力錨固體系研究內容之一。
目前對CFRP作為預應力材料的研究主要集中在開發相關預應力錨具的同時，進行高性能CFRP材料的研制與開發。而作為較先應用于結構工程的CFRP片材，其應用和開發已十分成熟，而且應用相當普遍。高性能混凝土的應用，尤其是自流平混凝土的應用，借助已成熟的布材CFRP和預應力技術的結合，將會給CFRP材料和預應力技術提供新的應用方式和思路。本文主要介紹作者正在研制的CFRP材料，進行平板結構性能的研究和施工工藝的研究。采用CFRP布作為預應力材料的研究目前尚未見相關報道[5]～[8]。
2、CFRP布材預應力的優點及意義
碳纖維增強塑料（CFRP）由于其高強度和優良的抗腐蝕和耐久性等優點，國內外都在開展其替代鋼材的應用研究，但多局限于將CFRP作為體外加固材料使。隨著近年來CFRP材料開發技術的成熟，其價格的迅速下落給CFRP在結構上的應用提供了很好的機遇。 CFRP作為預應力筋的想法也由來又久，但是由于CFRP表現出來的脆性使得對其錨固相當困難[4][7]。為此，作者在避開需要預應力錨具的CFRP筋材，改用技術成熟的CFRP布材進行施加預應力的研究。
如果采用布狀CFRP形式施加預應力，具有如下優點：
（1） 不需要錨具，或開發出相關的垂直加壓設備代替筋材所需要的錨具，從而節省錨具費用；
（2） 利用片狀材料自身施加預應力，能避免采用常規錨具時的斷裂現象；
（3） 布狀CFRP由于具有較大的表面積，可提供與混凝土間的足夠接觸面積，因此可以很好地保證CFRP與混凝土完全充分的粘結；
（4） 通過織物布狀交錯張拉可方便實現縱向和橫向施加預應力；
（5） 布狀CFRP靈活的布置和相對少的空間占用，可避免因過多鋼筋所導致的施工不便。
國內外對CFRP布材作為預應力材料使用的研究目前尚未見到報道。本文公將混凝土平板作為研究對象，對采用布材施加預應力時平板受力和截面性能作一介紹，為CFRP布材作為預應力的更大范圍推廣使用提供理論依據。在結構工程和橋梁工程中的平板結構中，包括預制和現澆法，采用先張法對CFRP布材預應力技術可起到更加理想的效果。這一方法對采用CFRP布進行預應力張拉的結構加固也具有借鑒意義。
3、CFRP布材施加預應力效果
試驗采用上海怡昌碳纖維材料有限公司生產的同固牌的CFRP布，型號為CFC2-2。
材料參數如下：
產品厚度 碳纖維種類 抗拉強度 抗拉彈性模量 斷裂延伸率 單位面積重量 布寬度
0.17mm T-700-12K ≥3500MPa 220GPa 1.8% 200g/m2 100mm
與CFRP筋材不同，由于CFRP布薄而寬，對CFRP布施加預應力必須克服其張拉不均勻性。試驗張拉采用作者設計的裝置進行，并由柳州歐維姆機械股份有限責任公司加工。圖1中的照片1和2分別顯示了不均勻張力所導致的CFRP布部分纖維發生破壞時的情況。圖2中的照片顯示了克服不均勻張拉的效果。圖3中的照片顯示是3條CFRP張拉后埋置于混凝土平板中進行加載前的情景
根據CFRP廠家提供的材料性能參數，在進行了兩次試張拉后，進行CFRP布預應力混凝土平板施工。該平板尺寸為2040×600×80mm，采用兩條CFRP布作為預應力材料，縱向有4根φ6的構造鋼筋，橫向設有間距為190mm的構造鋼筋，如圖4所示。
通過測試，CFRP布張拉應力為2117Mpa，約為抗拉強度的0.6。通過實時監測，得到最終有效張拉力為1529MPa，約為抗拉強度的0.45。通過對有效跨度為2000mm的三分點加載抗彎試驗。圖5中的照片顯示了CFRP布材預應力平板靜力加載破壞時的情景。
4、 結論及展望
1） 研究的關鍵在于CFRP布材施加預應力的效果及預應力混凝土平板的結構行為特性。為達到這一目的，需要解決采用CFRP布材施加預應力的有效途徑。
2） 通過兩次試張拉和最后預應力混凝土平板的施工時的第三次張拉，表明對CFRP布施加預應力完全可行。
3） 常規的CFRP材料作為預應力材料通常是采用棒材，相應會出現生產相關的特殊錨具的問題。采用布材后，利用自身摩擦力施加預應力對于混凝土構件預制行業來說可實現不需要 預應力錨具的優點。
4） 由于CFRP只在一個方向的抗拉性能突出，又為避免采用整片CFRP布導致混凝土施工困難的問題，采用CFRP布條作為預應力材料，通過布條交錯，實現傳統式的鋼筋網的效果。
5） 若對布材施加預應力時，正交布置CFRP布材可實現垂直兩個方向同時施加預應力的效果，且這種方式更有利于CFRP布材的布置和混凝土的施工。同時更有利于CFRP布材與混凝土間的粘結，保證CFRP與混凝土間有效的共同受力。
6） 采用CFRP布材施加單向或雙向預應力時，已無傳統布筋時的鋼筋保護層厚度要求，根據需要可配置一層或多層片材，但需要確定與普通鋼筋混凝土合理配置。
以上 CFRP新型材料與預應力技術相結合，將其應用于較為合理配置平板結構中，能充分發揮CFRP材料性能、預應力技術、混凝土平板三部分的優點。考慮到片材與平板結構的結合可能會帶來施工的不便，需要結合高性能混凝土------自流平混凝土進行配合施工。即當基層凝土澆筑完后，再鋪設CFRP布材并進行張拉，然后再在其上澆筑混凝土面層。這種先張法對于工廠大規模預制具有較高的經濟效益。
5、有待深入研究內容
要真正將CFRP布作為預應力材料應用于混凝土結構中，還需要深入研究，包括CFRP片材對平板結構施加預應力后的結構行為、受力基本特征和破壞機理，以及相關計算方法等。因此需要對下述內容開展深入研究：
（1） 對CFRP布材施加預應力相關技術的研究，包括施加預應力的更合理方式，施加預應力裝置的設計和加工，預應力大小的計算和監測，相應鋼筋配置計算。
（2） 進行不同CFRP布預應力大小的結構受力性能試驗研究，提出合理的平板受力行為特性和計算模式。
（3） 合理的設計方法與施工工藝研究，有利于盡快將CFRP布材這一成熟材用于料結構中，開展CFR布材用于梁式結構或其他結構中的可行性。為CFRP布材預應力平板結構的推廣使用提供更充分的理論依據。
感謝柳州歐姆機械股分有限責任公司加工和提供的全套張拉裝置。
感謝上海怡昌碳纖維材料有限公司提供試驗用CFRP布材
參考文獻
[1] 鄭宏，戴自強，趙彤。纖維增強塑料材料在預應力混凝土結構中的應用·建筑開發，1991（10）：13-14，37
[2] 顧履恭。混凝土結構用纖維增強聚合物在國外的開發和應用。2001，32（5）：310-313
[3] 于清。FRP的特點及其在土木工程的應用。哈爾濱建筑大學學報，2000，33（6）：26-30
[4] 玻璃纖維增強塑料拉伸性能試驗方法，中華人民共和國國家標準GB/T 1447---1983
[5] Dolan C . FRP development in the United States [A].Fibre-reinforced-lastic reinforcement for concrete structures;properties and applications[C]. Amsterdam,Elsevier,1993
[6] Clark J L. Alternative materials for the reinforcement and prestressing of concrete[M]. Blackie Academic and Profession,1993
[7]"Composite Constructin-Conventional and Innovative"Conference Report. International Conference, Innsbruck,Austria,Austuia, Aeptember 16-18,1997.
[8] 魏廣勝譯.美國的纖維增強組合橋面板. 國外公路，2001.2：21-23
相關施工技術文章
-
2014-08-05地下室結構縫防水維修及施工方法 - 2014-08-09防水卷材直接決定防水的工程質量
- 2014-08-09在建筑防水滲漏中的應用
- 2014-12-12噴涂聚脲材料在防水工程中的應用
- 2014-08-05用防水涂料打造衛生間時尚墻面裝飾
- 2014-08-05拱橋加固原理及方法
- 2014-08-05聚氨酯和SBS卷材防水
- 2014-08-09房屋滲漏防水法規標準規范實施
- 2014-08-05古建筑加固修復的合理性
- 2014-08-09高壓灌注補漏施工方法爆料