裝配式預應力CFRP板錨具有限元分析與施工技術(shù)

黃僑， 萬世成， 關(guān)健， 宋世剛

(1.東南大學 交通學院， 江蘇 南京 211189； 2.深圳市威士邦建筑新材料科技有限公司)

中國基礎設施建設已從新建的高峰期過渡到建養(yǎng)并重的階段，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在現(xiàn)代土木工程中的重要性愈發(fā)凸顯。在橋梁領(lǐng)域，早期常用粘貼鋼板法作為結(jié)構(gòu)修復補強的手段。20世紀90年代末，高強纖維復合材料加固技術(shù)引入中國后盛行一時，主要應用形式為外貼碳纖維布或碳纖維板。而工程師們逐漸發(fā)現(xiàn)，這種“被動加固法”不能充分利用碳纖維材料的受拉特性，且容易在早期產(chǎn)生剝離破壞，因此結(jié)合體外預應力技術(shù)形成“預應力CFRP加固法”。

碳纖維板相比碳纖維布能提供更大的加固量，同時碳纖維板的制造工藝能保證其質(zhì)量、性能更穩(wěn)定。該方法的關(guān)鍵技術(shù)在于預應力錨具的強度可靠、傳力模式合理，以及現(xiàn)場安裝、張拉的施工性良好。其次，對于張拉空間的要求、各零部件的造價及重復利用率均為評價錨固體系的重要指標。雖然目前市場上預應力碳纖維板錨具及張拉裝置的生產(chǎn)廠家較多，但因相關(guān)的規(guī)范標準不完善，同時受限于研究水平或利益驅(qū)使，其質(zhì)量良莠不齊。

文獻[9]提出的預應力碳纖維板張拉裝置主體采用長方形結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造簡單、易于加工制造，但楔形槽孔的入口處較薄，受力時容易變形和產(chǎn)生裂縫，故錨具壁厚一般設計較大，導致碳纖維板與混凝土表面的間隙較大，在生產(chǎn)和安裝中的用鋼量、用膠量成本偏高。文獻[10]提出的波形齒紋錨具主要由上下波形齒板、壓緊及鎖定裝置構(gòu)成，該類錨具主要適用于張拉碳纖維布材，具有一定的局限性。該文在已有研究基礎上提出一套新型預應力碳纖維板錨固體系。

1 錨固體系構(gòu)造及原理設計

該文結(jié)合工程實踐，基于實用性和經(jīng)濟性提出了一套預應力CFRP板錨固體系，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及橋梁加固。錨固體系包括張拉組件、張拉端錨具、固定端錨具和錨固板。張拉組件包括鎖緊螺母、穿心式千斤頂、球面墊圈、反力架、牽引螺桿和導軌壓板，其整體構(gòu)造參見圖1。

錨具蓋板和底板在工廠中由高強合金鋼精鑄成型，可現(xiàn)場裝配構(gòu)成錨具外殼。楔形夾片包括上、下兩塊，外表面光滑，內(nèi)表面帶細齒紋，使用時嵌入錨具內(nèi)的楔形空腔。錨具蓋板頂部設有水平螺紋通孔，由牽引螺桿將張拉力從穿心式千斤頂傳遞到錨具上，進而在碳纖維板內(nèi)部產(chǎn)生預應力。錨固板在張拉端和固定端各安裝一塊，張拉完成后，擰緊螺栓將碳纖維板兩端錨固，拆除其余所有零部件(圖2)。

楔形夾片夾持于碳纖維板端部，張拉時楔形夾片擠壓錨具內(nèi)壁，根據(jù)反作用原理，碳纖維板與楔形夾片之間產(chǎn)生摩阻而無法回縮。轉(zhuǎn)向塊底面為光滑弧面，使碳纖維板從傾斜受拉過渡到水平狀態(tài)。導軌壓板用于抵抗由穿心式千斤頂中心線與碳纖維板錯位產(chǎn)生的偏心力矩。加固過程中，球面墊圈起到自主調(diào)節(jié)受力中心的作用。

圖1 裝配式預應力碳纖維板錨固體系整體構(gòu)造圖

圖2 加固完成后的錨固體系示意圖

上述錨固體系的特色在于：① 整體為裝配式結(jié)構(gòu)，零部件重復利用率高，工程應用潛力大；② 制造成本和施工成本較低，經(jīng)濟性好；③ 采用環(huán)氧膠與錨固板共同錨固，可靠度高；④ 張拉時依靠楔形夾片的機械摩擦傳力，錨固力大；⑤ 張拉空間小，傳力流暢，施工便捷。

2 有限元數(shù)值計算與分析

可靠的數(shù)值模型和精確的計算分析是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)和機械設計的基礎。為驗證錨固體系各零部件的強度和變形滿足設計要求，該文采用空間有限元分析軟件Abaqus對其進行數(shù)值模擬，獲得碳纖維板達到抗拉強度標準值(ffk=2 400 MPa)時的錨具應力分布。

對錨具進行三維實體建模，單元采用C3D8R。鋼材的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比0.3；碳纖維板的彈性模量為1.6×105MPa，泊松比0.45。建立空間坐標系形成裝配件，為各零部件的界面建立合適的接觸和綁定關(guān)系。有限元模型的外形尺寸與真實結(jié)構(gòu)一致，并進行精細化網(wǎng)格劃分，計算結(jié)果見表1、圖3。

表1 錨固體系主要部件有限元分析結(jié)果

Q345鋼綜合力學性能良好，用作機械零件、一般金屬結(jié)構(gòu)件的熱軋或正火狀態(tài)，選為本套裝置的主要材料；球墨鑄鐵有良好的塑性與韌性，焊接性與切削性均較好，用于加工錨具蓋板和反力架(張拉支架)；45號鋼強度較高，用于制作承受載荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件，選為轉(zhuǎn)向塊和圓柱銷的材料。

經(jīng)后處理分析，可知受力危險區(qū)域基本位于孔道邊緣、過渡斜面及薄壁尖端。其中，反力架和楔形夾片的個別危險點已經(jīng)超過材料的屈服強度，但危險點進入塑性后產(chǎn)生變形，應力變化平穩(wěn)，遠低于材料破壞強度；經(jīng)實踐證明，各零部件在預加力下的變形值極小，不影響錨具正常使用。根據(jù)應力狀態(tài)的不同并綜合考慮經(jīng)濟效益，按照現(xiàn)行碳素鋼規(guī)范和合金鋼規(guī)范選擇材料試制成型(圖4)。

圖3 錨具各零部件有限元分析結(jié)果(單位：MPa)

圖4 裝配式預應力碳纖維板錨固體系各零部件加工

3 施工工藝流程及技術(shù)要點

3.1 施工工藝流程

在錨具的設計和調(diào)試過程中，一方面為了檢驗上述新型錨固體系的安全性和實用性；另一方面為了探索和總結(jié)該套裝置的施工技術(shù)，筆者進行了一批受損鋼-混凝土組合梁試件的室內(nèi)加固試驗，加固效果良好。加固使用的CFRP板為深圳市威士邦公司生產(chǎn)的WSB-TB雙向碳纖維復合板，配套膠黏劑為WSB-QT碳纖維復合板材膠。施工過程分為“安裝—張拉—錨固”3個階段，具體工藝流程如下：① 將碳纖維板兩端用砂布打磨，楔形夾片內(nèi)表面涂膠，外表面涂蠟油；② 利用水平反力架，將碳纖維板的兩端壓入錨具內(nèi)部；③ 在被加固構(gòu)件表面劃線定位、鉆孔，并清除孔內(nèi)粉塵；④ 植入螺紋鋼筋，固化期內(nèi)不得擾動，待2 d后受荷；⑤ 將混凝土表面和碳纖維板的接觸區(qū)域分別打磨粗糙，清除灰塵和油污；⑥ 調(diào)配、拌勻碳板膠，涂覆在反力架、碳纖維板和錨固板的底面；⑦ 安裝張拉組件、張拉端錨具、固定端錨具、碳纖維板和錨固板；⑧ 旋緊鎖緊螺母Ⅰ，放松鎖緊螺母Ⅱ，張拉千斤頂至目標預應力；⑨ 旋緊鎖緊螺母Ⅱ，卸載千斤頂，放松鎖緊螺母Ⅰ，拆除張拉組件；⑩ 待7 d后將碳纖維板沿錨固板外側(cè)裁斷，拆除張拉端錨具和固定端錨具。

而在室外加固工程中，為避免錨具發(fā)生銹蝕和CFRP板受紫外線侵蝕，在張拉檢驗合格后應使用黏結(jié)性、防腐性和耐久性好的環(huán)氧樹脂砂漿對錨具及CFRP板表面進行封閉防護。

3.2 施工技術(shù)要點

預應力CFRP板加固技術(shù)對操作水平的要求較高，在安裝、張拉和錨固過程中，常見的問題包括安裝不當造成裝置預應力損失過大，錨具中心線偏差造成碳纖維板張拉時發(fā)生扭曲或破裂，涂膠時黏結(jié)層出現(xiàn)空洞不飽滿導致結(jié)合面滑移，錨固區(qū)混凝土發(fā)生拉拔破壞致使端部錨具脫落等。為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，同時保證施工安全和操作流暢，針對加固各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)要點總結(jié)如下：

(1) 施工前仔細檢查錨具及碳纖維板的外觀質(zhì)量和數(shù)量，確保滿足安裝要求。

(2) 鉆孔位置避開混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋，必要時借助鋼筋探測儀放線鉆孔。

(3) 碳纖維板中線與梁平行并通長標記，嚴格控制兩端錨具中心線同軸誤差。

(4) 對反力架區(qū)域混凝土進行切槽處理和涂膠找平，保證牽引螺桿水平傳力。

(5) 清理植筋孔內(nèi)灰塵碎渣，再用壓縮空氣吹出浮塵，最后用丙酮清潔孔壁。

(6) 分段刮抹碳板膠，使黏結(jié)面均勻密實，避免出現(xiàn)空洞、扭曲或起伏現(xiàn)象。

(7) 張拉碳纖維板時應分級、平穩(wěn)、緩慢加壓，嚴禁快速沖、放千斤頂行程。

(8) 操作過程中若植筋膠或碳板膠不慎沾到皮膚，先用酒精擦拭后清水沖洗。

4 結(jié)語

該文提出的裝配式預應力碳纖維板錨固體系，強度和變形滿足要求，施工工藝簡單可靠，可在工程實踐中推廣應用。該錨固體系的優(yōu)勢包括：① 作用原理清晰，傳力明確，能夠提供強大的預加力和可靠錨固；② 整套裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，重復利用率高，工程應用價值大；③ 錨具尺寸和張拉空間小，對橋下凈空影響甚微。

預應力碳纖維板的加固效果極大程度上取決于施工工藝是否科學合理以及現(xiàn)場操作水平的優(yōu)劣。碳纖維復合材料引入中國交通建筑行業(yè)經(jīng)歷過初期的熱潮、反思，以及向歐美日學習的階段，目前正處于邁向規(guī)范化、標準化、成熟化的階段，最終目標是實現(xiàn)其生產(chǎn)、研發(fā)、施工的全面國產(chǎn)化，使中國的碳纖維技術(shù)達到世界先進水平。

隨著JTG/T J22-2008《公路橋梁加固設計規(guī)范》的新一輪修編，預應力碳纖維加固技術(shù)正受到管養(yǎng)領(lǐng)域越來越多的重視。雖然中國經(jīng)歷10余年的不懈努力，已基本掌握預應力CFRP加固的基礎技術(shù)，也取得了一些橋梁加固經(jīng)驗，但其錨固關(guān)鍵技術(shù)的研究、張拉裝置的開發(fā)運用、施工過程中的工藝技巧及質(zhì)量保障還有待創(chuàng)新和加強。