劉 君，周朝陽(yáng)?，韓殿牧原,2，趙波涌，任 達(dá),3

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010；3. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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抗剪加固用U形纖維布條帶預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

劉 君1，周朝陽(yáng)1?，韓殿牧原1,2，趙波涌1，任 達(dá)1,3

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010；3. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

針對(duì)傳統(tǒng)純粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)抗剪加固鋼筋混凝土梁技術(shù)中，F(xiàn)RP強(qiáng)度利用率低、端部極易發(fā)生剝離和被動(dòng)受力等問(wèn)題，自主研發(fā)了抗剪加固用U形纖維布條帶預(yù)應(yīng)力系統(tǒng).它由錨固裝置、張拉裝置和轉(zhuǎn)角圓鋼3部分組成.詳細(xì)給出了各部件尺寸的設(shè)計(jì)方法和預(yù)應(yīng)力施工工藝.設(shè)計(jì)制作了適用于2層50 mm寬FRP的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，分別進(jìn)行了1組直線(xiàn)條帶的承載力試驗(yàn)和8組抗剪U形條帶的預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)研究．結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)能夠有效錨固FRP并實(shí)現(xiàn)拉斷破壞，使其強(qiáng)度利用率最大可達(dá)到96.1%；各部件尺寸設(shè)計(jì)方法是安全可靠的；施工工藝能夠在確保FRP兩側(cè)應(yīng)力的均勻性和對(duì)稱(chēng)性的基礎(chǔ)上施加不同大小的預(yù)應(yīng)力值；預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)適用于施加244.84 MPa以上預(yù)應(yīng)力值的抗剪FRP，其長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失比約為15%.

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)；U形纖維布；抗剪加固；錨固；預(yù)應(yīng)力損失

由于材料老化、環(huán)境侵蝕、設(shè)計(jì)失誤、施工出錯(cuò)、功能改變等因素，當(dāng)混凝土梁抗剪承載力不足，或抗彎加固后梁的抗剪承載力小于抗彎承載力時(shí)，就需要進(jìn)行抗剪加固[1].采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)片材對(duì)混凝土梁進(jìn)行抗剪加固是目前最常用的形式之一.

雖然FRP傳統(tǒng)純粘貼方法簡(jiǎn)便易行且應(yīng)用廣泛[2-3]，國(guó)內(nèi)外也制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4-5]，但是該技術(shù)的以下缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了其在抗剪加固中進(jìn)一步的發(fā)展：1)FRP端部缺乏可靠的錨固措施，在纖維應(yīng)力水平尚低時(shí)，加固結(jié)構(gòu)極易發(fā)生因FRP端部剝離而導(dǎo)致的受剪脆性破壞.幾乎所有的側(cè)面粘貼和絕大多數(shù)U形粘貼抗剪加固梁都發(fā)生這種破壞[6]；2)FRP被動(dòng)受力，纖維應(yīng)力明顯滯后于加固梁的應(yīng)力，只有加固梁變形足夠大時(shí)才能逐漸發(fā)揮其高強(qiáng)特性.

近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者積極探索了抗剪加固中FRP端部錨固技術(shù)[7]和預(yù)應(yīng)力技術(shù)[8-9]以解決其端部剝離和應(yīng)力滯后的問(wèn)題.雖有不少進(jìn)益，但鮮有學(xué)者能夠?qū)㈠^固技術(shù)和預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合.最引人注目的是劍橋大學(xué)Lees團(tuán)隊(duì)[10-11]所開(kāi)發(fā)的一種環(huán)包FRP預(yù)應(yīng)力技術(shù)，該技術(shù)采用了一種熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)條帶，通過(guò)加熱熔焊形成環(huán)形封閉條帶后，再提升內(nèi)置鋼墊塊高度以對(duì)封閉條帶施加預(yù)應(yīng)力.文獻(xiàn)[10-11]利用此技術(shù)分別對(duì)矩形梁和T形梁進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力CFRP抗剪加固，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠較大幅度提高CFRP的強(qiáng)度利用率和構(gòu)件的抗剪承載能力.但值得注意的是，T形梁試驗(yàn)中CFRP條帶穿過(guò)的孔槽均為預(yù)留的折線(xiàn)孔槽，試驗(yàn)比較容易實(shí)現(xiàn)；而實(shí)際待加固梁上方通常布置有配筋較密的現(xiàn)澆板、預(yù)制板或墻，鉆取環(huán)形孔槽會(huì)非常困難，且該過(guò)程極易對(duì)原結(jié)構(gòu)造成內(nèi)部損傷.這也是該技術(shù)難以推廣應(yīng)用的根本原因.

其實(shí)，只要采用U形條帶就可避開(kāi)形成封閉條帶的實(shí)際困難或其衍生的問(wèn)題.為此，本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了抗剪加固用U形纖維布條帶的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，以解決U形條帶端部錨固及預(yù)應(yīng)力實(shí)施等技術(shù)難題.設(shè)計(jì)制作適用于2層50 mm寬FRP的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，分別進(jìn)行1組承載力試驗(yàn)和8組持續(xù)23 d(552 h)的抗剪FRP預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)研究，探究該預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)部件尺寸設(shè)計(jì)方法的安全性，預(yù)應(yīng)力施加方法的可靠性，施工工藝的可行性，預(yù)應(yīng)力損失的基本特性和預(yù)應(yīng)力大小對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響.

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)U形無(wú)粘貼預(yù)應(yīng)力FRP布抗剪加固鋼筋混凝土梁.該預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)由錨固裝置(2個(gè))、張拉裝置(1個(gè))和轉(zhuǎn)角圓鋼(2個(gè))3部分組成，具體如圖1所示.

圖1 纖維布預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)Fig.1 Prestressing system for FRP sheet

1.1 錨固裝置

錨固裝置安裝在梁兩側(cè)，由2塊自鎖錨板和2根植筋螺桿組成，如圖1(a)所示.待FRP與2塊自鎖錨板分別繞結(jié)并裝配成整體后，再用2根植筋螺桿將自鎖錨板固定到混凝土梁側(cè)面.其主要目的是防止FRP端部的法向剝離和切向剝離，形成可靠的傳力機(jī)制，將FRP所受軸向應(yīng)力有效傳遞到混凝土基材中.

圖2給出自鎖錨板示意圖和FRP繞結(jié)方法[12-13].該錨板充分考慮了FRP布的柔性、金屬材質(zhì)的剛性以及鋼筋混凝土梁的構(gòu)造特點(diǎn)；巧妙利用摩擦原理，僅需將FRP端部繞結(jié)在錨具上，即可使FRP達(dá)到錨固狀態(tài).

圖2 自鎖錨板Fig.2 Self-locking anchor plate

自鎖錨板不同于其它錨具的顯著特征如下：1)不用(也不排斥)粘膠即可很方便地通過(guò)自鎖獲得越拉越緊的錨固效果；2)通常所需厚度可以薄至幾個(gè)毫米，故對(duì)加固構(gòu)件外觀影響很?。?)十分緊湊，無(wú)需拼裝，錨固時(shí)梁每側(cè)開(kāi)孔2個(gè)即可，且孔距調(diào)整方便，有利于防止錨固孔成列對(duì)梁體錨固區(qū)造成局部損傷.4)片材到構(gòu)件表面的距離可為包括零在內(nèi)的任何值，實(shí)現(xiàn)有粘貼或無(wú)粘貼加固方式.

1.2 張拉裝置

張拉裝置安裝在梁底面，由2塊對(duì)稱(chēng)楔形錨板和2根張拉螺桿組成，如圖1(b)所示.在錨固裝置安裝完成后，將兩側(cè)FRP分別繞結(jié)在2塊楔形錨板上，再通過(guò)2根張拉螺桿將楔形錨板裝配成整體.楔形錨板主要目的是對(duì)FRP中部進(jìn)行錨固，作為施加預(yù)應(yīng)力的傳力裝置；同時(shí)保證梁底與梁側(cè)FRP的平齊，使得梁底FRP所受軸向力能夠有效傳遞到兩側(cè)FRP.

圖3給出楔形錨板示意圖和FRP繞結(jié)方法.FRP預(yù)應(yīng)力的施加是通過(guò)對(duì)稱(chēng)緊固2根張拉螺桿的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力值的大小則通過(guò)梁兩側(cè)FRP表面應(yīng)變讀數(shù)來(lái)控制.

1.3 轉(zhuǎn)角圓鋼

轉(zhuǎn)角圓鋼安裝在梁底轉(zhuǎn)角處，如圖1(c)所示.其主要目的是實(shí)現(xiàn)側(cè)面和底面FRP所受軸向力的光滑過(guò)渡，緩解FRP轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中；同時(shí)與其余兩個(gè)部件共同保證各處FRP與梁表面均留有相同寬度的空隙，實(shí)現(xiàn)無(wú)粘貼加固.另外，為保證轉(zhuǎn)角區(qū)域混凝土不被壓碎，轉(zhuǎn)角圓鋼外形采用“L”形，以增加受力接觸面積，減少應(yīng)力集中.

圖3 楔形錨板Fig.3 Wedge anchor plate

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)研發(fā)的核心是FRP端部錨固裝置和預(yù)應(yīng)力張拉裝置的研制，其設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：

1)不損害加固原梁的基本性能；

2)適用于不同截面類(lèi)型梁式構(gòu)件；

3)各部件均有足夠大的剛度，確保FRP受力均勻及FRP拉斷破壞先于錨具破壞；

4)能夠有效防止FRP端部的剝離破壞；

5)能夠?qū)RP有效施加定值預(yù)應(yīng)力；

6)施工工藝簡(jiǎn)潔明確，適用于實(shí)際工程.

2.2 部件尺寸

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)各部件尺寸應(yīng)根據(jù)不同F(xiàn)RP抗剪加固方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì).圖4和5分別給出錨固裝置和張拉裝置受力示意圖.

2.2.1 植筋螺桿

植筋螺桿主要承受剪力作用，其抗剪強(qiáng)度和截面面積應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式(1)和(2)；其長(zhǎng)度應(yīng)主要考慮錨固深度及自鎖錨板厚度的影響，錨固深度的要求可參考相關(guān)技術(shù)規(guī)程[14].

2TS1≥Ffrp1,Ffrp1=2nbtσfrp,TS1=AS1τS1

(1)

(2)

式中：σfrp表示FRP抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ffrp1表示錨固端FRP所受軸向合力；TS1,τS1和AS1分別表示單根植筋螺桿所受剪力、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和截面面積；n表示單塊自鎖錨板上繞結(jié)FRP層數(shù)；b和t分別表示單層FRP寬度和厚度.

圖4 錨固裝置受力分析Fig.4 Force analysis of anchor device

2.2.2 張拉螺桿

張拉螺桿主要承受拉力作用，其抗拉強(qiáng)度和截面面積應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式(3)和(4)；其長(zhǎng)度應(yīng)主要考慮楔形錨板寬度及螺桿伸縮長(zhǎng)度的影響，螺桿伸縮量可根據(jù)預(yù)應(yīng)力值的大小計(jì)算.

FS2≥cos αFfrp2,Ffrp2=nbtσfrp,FS2=AS2σS2

(3)

(4)

式中：Ffrp2表示張拉端FRP所受軸向合力；FS2,σS2和AS2分別表示單根張拉螺桿所受軸向力、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和截面面積；α代表楔形錨板傾斜角度.

圖5 張拉裝置受力分析Fig.5 Force analysis of tension device

2.2.3 自鎖錨板和楔形錨板

在充分考慮待加固構(gòu)件尺寸(寬度、高度等)的條件下，制定相應(yīng)部件設(shè)計(jì)方案，并確定部件尺寸設(shè)計(jì)范圍；再根據(jù)圖4和圖5對(duì)自鎖錨板和楔形錨板建立相應(yīng)有限元模型進(jìn)行具體尺寸設(shè)計(jì)和材料強(qiáng)度驗(yàn)算，文中不再詳細(xì)展開(kāi).此外，各錨板設(shè)計(jì)中，F(xiàn)RP纏繞處寬度都應(yīng)略大于纖維帶實(shí)際寬度，所有孔徑均應(yīng)略大于實(shí)用螺桿直徑.

2.3 施工工藝

預(yù)應(yīng)力FRP抗剪加固的施工工藝主要分為以下5個(gè)步驟：

1)定位植筋.根據(jù)加固方案及原梁配筋圖定位放線(xiàn)，確定纖維帶粘貼位置以及植筋位置.在相應(yīng)位置鉆孔，并對(duì)各孔洞內(nèi)壁殘?jiān)M(jìn)行清理.隨后在孔洞注滿(mǎn)植筋膠并快速植入螺桿，同時(shí)保證植筋螺桿垂直于混凝土基面.

2)梁面處理.清除加固構(gòu)件表面的剝落、碳化、腐蝕等劣化混凝土，直至完全露出結(jié)構(gòu)新面，清理干凈并保持干燥，然后在相應(yīng)轉(zhuǎn)角處粘貼轉(zhuǎn)角圓鋼.

3)部件裝配.根據(jù)FRP的定位，確認(rèn)加固條帶所需長(zhǎng)度，下料并涂抹纖維浸漬膠.然后將條帶兩端和中部分別繞結(jié)在自鎖錨板和楔形錨板上，再把錨固裝置和張拉裝置分別固定在加固構(gòu)件側(cè)面和底面.最后，通過(guò)緊固張拉螺桿使條帶繃緊，防止其固化后扭曲變形.

4)施加預(yù)應(yīng)力.待FRP固化成型后，在條帶側(cè)面粘貼應(yīng)變片.然后對(duì)稱(chēng)緊固張拉螺桿，直到預(yù)應(yīng)力值達(dá)到預(yù)期值并穩(wěn)定.該過(guò)程中，技術(shù)員應(yīng)及時(shí)反饋測(cè)試數(shù)據(jù)和條帶受力情況，以保證兩側(cè)纖維帶施加預(yù)應(yīng)力的對(duì)稱(chēng)性和均勻性.

5)后期防護(hù).實(shí)際應(yīng)用中，建議對(duì)錨板和螺桿進(jìn)行鍍鋅或發(fā)黑處理，且宜在預(yù)應(yīng)力施加完成后采用膠凝材料封蓋，防止各部件過(guò)快的腐蝕銹化.

3 承載力試驗(yàn)

3.1 材性實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)均采用西格瑪T700SC型碳纖維布和固特邦JN-C3P型浸漬膠粘劑.按照《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[15]制作長(zhǎng)230 mm和寬15 mm 的8個(gè)試樣，并在兩端粘貼鋁片以便張拉夾持，如圖6(a)所示.待試樣浸漬養(yǎng)護(hù)7 d后，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行張拉試驗(yàn)，如圖6(b)所示，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表1.

圖6 CFRP材性試驗(yàn)Fig.6 Material test of CFRP表1 CFRP性能參數(shù)Tab.1 Material properties of CFRP

纖維方向厚度/mm抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa極限應(yīng)變/με單向0.16733192.3×10514430

3.2 承載力試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作適用于2層50 mm寬FRP的預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，取預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的一半(2塊自鎖錨板、1塊楔形錨板、2根植筋螺桿和2根張拉螺桿)與FRP進(jìn)行裝配制樣，試樣長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為430 mm，50 mm和0.334 mm，詳見(jiàn)圖7(a)所示.待試樣浸膠養(yǎng)護(hù)7 d后，在中部粘貼3個(gè)應(yīng)變片，再將其安裝在預(yù)先設(shè)計(jì)的配套夾持塊上，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行張拉試驗(yàn)，詳見(jiàn)圖7(b)所示.該試驗(yàn)的主要目的是測(cè)試預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的錨固效果及FRP的極限承載力，驗(yàn)證各部件尺寸設(shè)計(jì)方法的安全性.

圖7 承載力試驗(yàn)Fig.7 Bearing capacity test

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)加載至4.37 kN之前時(shí)，F(xiàn)RP荷載和應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)穩(wěn)定，無(wú)明顯異常試驗(yàn)現(xiàn)象.加載至4.37 kN時(shí)，F(xiàn)RP間或出現(xiàn)“噼噼啪啪”膠層開(kāi)裂的響聲，此時(shí)荷載和應(yīng)變?nèi)匀豢梢苑€(wěn)定增長(zhǎng).加載至5.47 kN時(shí)，F(xiàn)RP最先在距離自鎖錨板端部10 cm處一側(cè)突然劈裂破壞，然后瞬間斷裂為若干塊，圖8為破壞示意圖.錨固端FRP始終未發(fā)生任何滑移和破壞，且自鎖錨板、楔形錨板、植筋螺桿和張拉螺桿均未發(fā)生明顯變形.

試驗(yàn)測(cè)試FRP中部截面的最大平均應(yīng)變?yōu)?3 867 με，換算應(yīng)力為3 189.4 MPa，達(dá)FRP抗拉強(qiáng)度的96.1%；采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)負(fù)載換算FRP最大平均應(yīng)力為3 280 MPa，達(dá)FRP抗拉強(qiáng)度的98.8%.

上述試驗(yàn)結(jié)果充分表明：自鎖錨板能夠有效錨固FRP，防止其端部的剝離，并實(shí)現(xiàn)拉斷破壞，使FRP的強(qiáng)度利用率最大可達(dá)到96.1%；各部件尺寸設(shè)計(jì)方法是安全可靠的，能夠確保FRP受力均勻及FRP拉斷破壞先于錨具破壞.

圖8 破壞示意圖Fig.8 Damage diagram

4 預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用該預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，參照3.3節(jié)所述的施工工藝，對(duì)澆筑已完成1年的250 mm×500 mm的鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗剪加固，并進(jìn)行23 d(552 h)預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)研究.試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)均為下午15時(shí)，期間溫度基本穩(wěn)定為32 ℃.混凝土實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度值為39.6 MPa，F(xiàn)RP材性參數(shù)如表1所示.試驗(yàn)共布置8根2層50 mm寬的FRP條帶，在各條帶兩側(cè)面的上部、中部和下部位置分別粘結(jié)2個(gè)應(yīng)變片，具體加固方案如圖9所示.通過(guò)人工緊固張拉螺桿的形式，對(duì)編號(hào)為F1～F8的8根FRP條帶分別施加不同預(yù)應(yīng)力水平的8種預(yù)應(yīng)力，如表2所示.另外，選取條帶F8施加不同大小的11種預(yù)應(yīng)力來(lái)研究條帶應(yīng)力的均勻性和對(duì)稱(chēng)性.該試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力施加方法的可行性，研究該系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力損失的基本特點(diǎn)和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響.

表2 FRP預(yù)應(yīng)力初始值Tab.2 Initial prestress values of FRPs

圖9 預(yù)應(yīng)力FRP抗剪加固鋼筋混凝土梁Fig.9 Shear strengthening of RC beam with prestressed FRPs

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 FRP應(yīng)力均勻性

測(cè)試F8兩側(cè)(左、右側(cè))上部、中部和下部位置應(yīng)力平均值的大小，研究條帶應(yīng)力的均勻性.表3給出F8左側(cè)3個(gè)部位應(yīng)力平均值的實(shí)測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)：下部應(yīng)力始終大于中部應(yīng)力，中部應(yīng)力始終大于上部應(yīng)力；狀態(tài)1中，最大相對(duì)誤差較大為8.80%.除狀態(tài)1外，其余各狀態(tài)中3個(gè)部位應(yīng)力值均非常接近，最大相對(duì)誤差均小于4.76%.

表3 F8左側(cè)預(yù)應(yīng)力值Tab.3 Prestress values of F8’s left side

注：相對(duì)誤差=ABS(實(shí)測(cè)值-總平均值)/總平均值×100%

F8右側(cè)3個(gè)部位應(yīng)力平均值的變化規(guī)律與表3所示規(guī)律基本一致，文中不再詳細(xì)給出.表4給出了F8兩側(cè)中部應(yīng)力平均值的對(duì)比結(jié)果.可見(jiàn)，條帶右側(cè)應(yīng)力均略大于左側(cè)應(yīng)力；狀態(tài)1中，應(yīng)力較小時(shí)相對(duì)誤差較大為11.46%；除狀態(tài)1外，其余狀態(tài)兩側(cè)中部相對(duì)誤差均小于6.40%.

綜上所述，在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，該預(yù)應(yīng)力施加方法能夠?qū)RP施加不同大小的預(yù)應(yīng)力值，且基本能夠保證FRP兩側(cè)應(yīng)力的均勻性和對(duì)稱(chēng)性，證實(shí)了該施工工藝的可行性.

表4 F8兩側(cè)中部預(yù)應(yīng)力值對(duì)比Tab.4 Comparison of two sides prestress-values in F8

注：相對(duì)誤差=差值/右側(cè)中部值×100%

4.2.2 FRP預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力損失主要由系統(tǒng)的變形損失、張拉螺桿應(yīng)力松弛損失、纖維自身應(yīng)力松弛損失、混凝土收縮徐變和溫度變化引起的應(yīng)力損失所組成.由于條帶兩側(cè)三部位的應(yīng)力均勻性和對(duì)稱(chēng)性均較好，因此，在預(yù)應(yīng)力損失測(cè)試中均以條帶兩側(cè)中部應(yīng)力的總平均值作為條帶預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值.

圖10給出條帶F1～F8預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)：F1規(guī)律性不強(qiáng)，其預(yù)應(yīng)力值隨時(shí)間幾乎保持同樣的速率持續(xù)下降，應(yīng)力損失比明顯最大.除F1外，其余各條帶預(yù)應(yīng)力損失明顯可分為3個(gè)階段，0～1 d的初期階段，1～10 d的中期階段和10～23 d的后期階段.在初期階段預(yù)應(yīng)力值下降斜率最大，應(yīng)力損失值較大；在中期階段預(yù)應(yīng)力值下降斜率逐漸減緩，應(yīng)力損失值持續(xù)增長(zhǎng)；在后期階段，各預(yù)應(yīng)力曲線(xiàn)不再有明顯下降趨勢(shì)，幾乎水平發(fā)展，預(yù)應(yīng)力值基本穩(wěn)定.

時(shí)間/d圖10 FRP預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值Fig.10 Measured prestress values of FRPs

圖11給出初期階段、中期階段和后期階段的FRP應(yīng)力損失比的具體情況，可見(jiàn)：F1在中期階段的預(yù)應(yīng)力損失比最大，后期階段次之，初期階段最小，總預(yù)應(yīng)力損失比最大.除F1外，其余各條帶初期階段預(yù)應(yīng)力損失比最大，約為總損失比的55%；中期階段的預(yù)應(yīng)力損失比小于初期階段，約占總損失比的40%；后期階段的預(yù)應(yīng)力損失比最小，約占總損失比的5%.

FRP 注：預(yù)應(yīng)力損失比=預(yù)應(yīng)力初值-實(shí)測(cè)值/初值×100%圖11 FRP應(yīng)力損失比Fig.11 Prestress loss ratios of FRPs

表5給出23 d后F1～F8預(yù)應(yīng)力損失實(shí)測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)：預(yù)應(yīng)力水平最小的F1實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力損失量為63.83 MPa，損失比最大，為50.36%；除F1外其余條帶預(yù)應(yīng)力損失比均在21.24%以下，其中F5性能表現(xiàn)最好， 實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力損失量為50.72 MPa，損失比最小，為9.92%.

上述試驗(yàn)表明：

1)FRP預(yù)應(yīng)力的損失主要集中在初期和中期階段，這兩階段損失量之和約占總損失量的95%以上，而后期階段FRP預(yù)應(yīng)力值基本穩(wěn)定.這說(shuō)明預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的變形損失、張拉螺桿應(yīng)力松弛損失及纖維自身應(yīng)力松弛損失均在初期和中期階段內(nèi)表現(xiàn)明顯.但在后期階段，各類(lèi)松弛損失基本穩(wěn)定不再增長(zhǎng)，此時(shí)FRP預(yù)應(yīng)力損失主要由影響較小的混凝土收縮徐變和溫度變化引起的纖維松弛損失組成，使得后期預(yù)應(yīng)力值基本穩(wěn)定.

2)該施工工藝適合對(duì)FRP施加244.84 MPa以上的預(yù)應(yīng)力值，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失比約為9.92%～21.24%；而施加較小預(yù)應(yīng)力值(≤126.73 MPa)的FRP，長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失比相對(duì)較大.其主要原因是由于人工緊固張拉螺桿的方法對(duì)較小預(yù)應(yīng)力值的控制精度不高且不夠穩(wěn)定，容易導(dǎo)致兩側(cè)FRP應(yīng)力均勻性和對(duì)稱(chēng)性較差(如表3和4所示)，從而造成各類(lèi)松弛損失均較大.若加固工程對(duì)FRP預(yù)應(yīng)力損失的控制較為嚴(yán)格，可通過(guò)適當(dāng)?shù)某瑥埨蜓a(bǔ)張拉對(duì)其長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行彌補(bǔ).

表5 FRP預(yù)應(yīng)力損失Tab.5 Prestress losses of FRPs

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)所研發(fā)抗剪加固用U形纖維布條帶預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)的承載力試驗(yàn)和預(yù)應(yīng)力損失試驗(yàn)研究，得出以下5個(gè)結(jié)論：

1)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)能夠有效錨固FRP，防止其端部的剝離以實(shí)現(xiàn)拉斷破壞，使FRP的強(qiáng)度利用率最大可達(dá)到96.1%.

2)各部件尺寸設(shè)計(jì)方法是安全可靠的，能夠確保FRP的均勻受力及其拉斷破壞先于錨具的破壞.

3)施工工藝是可行的，能夠?qū)RP施加不同大小的預(yù)應(yīng)力值，且基本能夠保證FRP兩側(cè)應(yīng)力的均勻性和對(duì)稱(chēng)性.

4)FRP預(yù)應(yīng)力的損失主要集中在0～1 d的初期和1～10 d中期階段，這兩階段損失量之和約占總損失量的95%以上，而10 d以后的后期階段FRP預(yù)應(yīng)力值基本穩(wěn)定.

5)預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)適用于施加244.84 MPa以上預(yù)應(yīng)力值的抗剪加固FRP，且其長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失比約為15%.

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Design and Experiment Study of Prestressing System for U-shaped FRP Sheet in Shear Strengthening

LIU Jun1, ZHOU Chao-yang1?, HAN Dian-mu-yuan1，2, ZHAO Bo-yong1, REN Da1，3

(1. School of Civil Engineering, Central South Univ, Changsha, Hunan 410075, China;2. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co Ltd, Guangzhou, Guangdong 510010, China;3. School of Civil Engineering, Guangzhou Univ, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

In the shear strengthened reinforced concrete (RC) beams by externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composite, there are some main shortcomings including low fiber utilization, premature debonding, and stress hysteresis of the FRP, etc. In order to address these problems, this paper independently developed a novel prestressing system for U-shaped FRP sheet in shear strengthening, which consists of three parts: anchor device, tension device, and steel angle. The design method of component size and the prestress construction technology were presented. Furthermore, a prestressing system for 2-ply and 50-mm-wide FRP sheet was designed and manufactured. One bearing capacity test of linear FRP sheet and eight prestressing loss tests of shear-strengthened FRP strips were conducted in this system. The test results show that: the prestressing system can effectively anchor FRP and result in rupture failure; fiber strength increases up to 96.1%; design method of component size is safe and reliable; prestressing construction technology can exert different prestress values to FRP strip based on the uniformity and symmetry of the strip stress; the system is applicable to exert the prestress more than 244.84 MPa to the FRP; and the long-term prestress loss ratio is about 15%.

prestressing system; U-shaped FRP sheet; shear strengthening; anchorage; prestress loss

1674-2974(2016)11-0047-08

2015-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378507), National Natural Science Foundation of China(51378507)；中南大學(xué)教師研究基金資助項(xiàng)目(2013JSJJ019)

劉 君(1988-)，男，山西大同人，中南大學(xué)博士研究生?通訊聯(lián)系人，E-mail:cyzhou@csu.edu.cn

TU375；TU317

A