1、對土木工程中碳纖維筋抗拉性討論 一、彎折問題分析工程實際中，CFRP纜索可能處于彎曲狀態，也可能處于彎折狀態，它們對應的抗拉強度是兩個不同的概念。前者為纜索繞著一定半徑圓弧時對應的彎曲抗拉強度，纜索緊貼圓弧(見圖1a)，圓弧半徑大者超過10米，如超大跨懸索橋CFRP主纜在鞍座處和CFRP預應力筋在混凝土梁中的彎曲等，小者可小到幾十厘米，如CFRP纜索應用時于大型膜式屋蓋中的彎曲，CFRP筋作為箍筋時的彎曲等情況，CFRP纜索在不同半徑下的彎曲抗拉強度已有大量的試驗和理論研究成果。而對于彎折問題，CFRP纜索不緊貼著圓弧，幾乎只與圓弧發生點接觸，存在著相應的折角。實際工程中，CFRP筋發生彎折的

2、現象較為普遍。如大跨度懸索橋CFRP纜索主纜在索夾處受吊索較大的豎向力作用而引起的彎折問題，懸索橋或拱橋在使用過程中線形發生變化而導致CFRP吊索在錨固連接處發生的小角度彎折問題；懸索橋施工過程中，邊跨散索套產生較大的豎向位移也會引起CFRP主纜索股在錨管口的彎折現象；作為拉索應用于大跨屋蓋和海上采油平臺時可能存在的小角度彎折問題等等。彎折現象會降低CFRP纜索的承載力，而通過理論計算又不能很好解決此問題，因此需通過試驗加以研究。二、CFRP筋抗拉強度測試新技術CFRP筋在彎折狀態下抗拉強度折減系數根據彎折狀態對應的彎折抗拉強度和直線狀態下的抗拉強度進展計算，因此，需對這兩種抗拉強度進展準確測

3、試。其中，直線狀態抗拉強度又是CFRP筋最主要的性能參數，其真實的抗拉強度就現有技術包括興旺國家的有關標準中的測試技術而言很難測定，目前對CFRP筋材進展強度測試所需錨具主要采用以膨脹混凝土為填充介質的粘接型鋼管錨，而膨脹混凝土硬度遠大于CFRP材料，試件張拉時錨固區CFRP筋外表會因混凝土-筋界面的相對滑移而受到損傷，致使其極限抗拉強度不能獲充分地發揮，由此測得的抗拉強度偏小，為此，本文開發了新型的施壓粘結型錨具，用它對CFRP筋的抗拉強度進展測試可獲得較為真實的結果。該錨固體系由開槽鋼夾板及高強螺栓構成，如圖2a所示。CFPR筋試件錨固端為環氧樹脂膠，由灌注在鋼管中的膠體凝固后脫模而得，如

4、圖2b所示。組裝后的錨固體系件圖2c。環氧樹脂膠體硬度與CFRP筋相近，其化學和物理性質也與筋材中的基體材料相近，因此，只要施加在錨固區的壓應力大小適度，施壓粘結型錨具在理論上能使CFRP筋的強度獲充分發揮。試驗說明，當錨固長度為300mm時，只要對錨固區施加100MPa的壓應力即可使筋材的抗拉強度獲充分發揮。試件加載方案參照日本JSCE-E531-1995的相關規定，該標準對CFRP筋的加載速度建議為每分鐘100500MPa/min，本試驗采用的加載速度控制在200MPa/min左右，通過壓力傳感器數據采集儀控制加載速度。靜載張拉試驗開場后，先對試件施加5%的極限承載力后再卸載，接著開場張拉

5、，每一級荷載對應的荷載增量為10%的CFRP筋極限承載力，直至破壞。本試驗共有6個試件，試驗模型見圖3a，試件破壞狀態見圖3b。試驗結果見表1圖3b的破壞為爆斷式破壞，說明施壓粘結型錨具能使CFRP筋的抗拉強度獲充分發揮。表1說明，采用文中新型錨具測定的抗拉強度明顯高于用普通的內填膨脹混凝土鋼管錨具測定的強度，且高出9.55%，說明當采用內普通測試技術測試筋材抗拉強度時，張拉過程中膨脹混凝土對筋會造成較大程度的損傷，而本文開發的測試方法更加可靠，說明利用施壓粘結型錨具測試CFRP筋抗拉強度更符合實際情況，建議廠商及相關研究參考該新技術測定CFRP筋抗拉強度。三、試驗設計CFRP筋彎折抗拉性能測

6、試結果可為評估發生一定彎折角情況下的纜索的彎折極限抗拉強度提供重要參考，它可通過模型試驗測定。該強度在理論上小于筆直狀態下的極限抗拉強度，對多種折角對應的彎折強度進展測定，可理解CFRP筋材在工程實際中發生彎折時其抗拉強度的折減情況。試驗模型及安裝作如下設計見圖4。CFRP筋試件長度為3m，CFRP筋兩端采用新型夾片式錨具，考慮到較小的折角對抗拉強度的影響可能較小，假設采用普通夾片式錨具錨固效率一般小于95%，那么最后的破壞狀態可能發生在錨固端，從而不能準確測定彎折抗拉強度，因此，需采用錨固效率較高的新型CFRP筋夾片式錨具，經測定，該錨具的錨固效率超過95%。錨固端傳力用工字型鋼梁和鋼臺座均

7、通過預應力鋼絞線錨固在地錨上，在加載過程中為防止由于模型滑動而導致CFRP筋折角的變化，對所需的錨固力進展了計算，根據計算結果施加適當大小的錨固力；加載過程中，還對臺座和鋼梁的滑移情況進展了監控，以評估鋼梁和臺座是否發生了能改變彎折角大小的，不允許發生的位移。折角大小通過挪動模型中的鋼掛套進展調節。為防止應力集中現象的發生，實際工程中CFRP纜索彎折處均作圓弧處理。由于彎折折角往往較小，為防止彎折處圓弧半徑對測試結果的影響，試驗模型彎折處采用較小的圓弧半徑，為10mm。試件加載采用300kN穿心式千斤頂，荷載大小由壓力傳感器記錄，臺座和鋼梁的滑移量由位移傳感器測定。為輔助確定試件在極限狀態下的

8、破壞位置，用高性能攝像機對加載過程進展了拍攝，事后通過慢鏡頭放映確定詳細破壞位置。實際工程中彎折狀態下CFRP纜索的彎折角大多小于2，如在大跨懸索橋中，CFRP主纜在索夾處的彎折角為1.5左右，在大跨拱橋和懸索橋中，相對于縱橋向，CFRP吊索在橫橋向發生的彎折更為不利，但其折角也不會超過2。為此，本試驗對彎折角分別為1.5，2，2.5和3情況下CFRP筋材的彎折抗拉強度進展了測試，每種工況均設置3個試件，本文第2局部直線狀態對應的測試結果即為折角為0時的結果。通過實測可最終確定上述四種折角狀態下CFRP筋材的彎折抗拉強度折減系數。加載方案同第二局部第三段。四、試驗結果加載過程中，試驗模型兩側鋼

9、梁和臺座的滑移監測結果見圖5，對應試件折角為3，其它試件的監測結果相似。圖5說明，左側鋼梁發生了較為微小的滑移，最大值為1.24mm，該滑移量相對試件長度可忽略不計，而右側鋼梁和臺座幾乎未發生滑移，所有構件的滑移量在試件發生破壞后恢復到加載前的初始狀態，說明測得的滑移量為鋼梁及臺座的彈性變形而已，各構件的微小滑移不會造成彎折折角的變化，對試驗結果不影響。試件的破壞形態如圖6，呈爆斷式破壞，說明在極限拉力下，筋材破斷點發生在筋材自由段，而不發生在錨固區，進而說明夾片式錨具對筋材的細微損傷不影響彎曲抗拉強度的充分發揮；另外，攝像記錄也說明，試件開場破壞的位置發生在彎折點處。因此，測得的極限狀態對應

10、的抗拉強度即為CFRP筋材的彎折抗拉強度。CFRP筋材彎折性能測試結果見表2和圖7。圖7中，srr為彎折抗拉強度折減系數，srbfacutrff，為折角。根據試驗結果，擬合出了CFRP筋材彎折抗拉強度折減系數經歷公式(式1)，擬合曲線見圖7，呈線性分布。10.065srr(1)結果說明，假設CFRP筋材在應用過程中處于彎折狀態時，彎折角對抗拉性能影響較大。當折角為1.5時，較筆直狀態抗拉強度低11.2%，當折角為3時，較之低18.9%，彎折抗拉強度隨折角的增加而降低，srr與之間接近線性關系。筋材彎折抗拉強度之所以有隨折角增加而呈明顯下降的趨勢，這是因為CFRP筋材的抗剪強度較低，只有其抗拉強

11、度的5%左右，當在彎折狀態下受很大的拉力作用時，折角處產生了較大的剪力，剪力的存在致使彎折抗拉極限承載力有較為明顯地下降，最終導致破壞的直接因素是剪力而非拉力。因此，在彎折狀態下，折角處的剪力對破壞起控制作用。在極限實際工程應用時，CFRP纜索彎折抗拉強度折減系數的計算建議參考(1)式。由此可見，發生彎折時，即使折角較小，也需考慮彎折對抗拉承載力的影響。五、結語對CFRP筋材的真實抗拉強度準確測試方法和筋材彎折性能進展試驗研究后得出如下結論：(1)現有的內填膨脹混凝土鋼管錨具CFRP筋抗拉強度測試技術，其測試結果嚴重偏低，采用本文的新方法進展測試，其結果較前者至少進步了9%。(2)CFRP筋材發生彎折時，其抗拉性能較直線狀態折減