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1、预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术徐新生王铁成(天津大学天津300072)魏晓东(山东省建筑设计研究院济南250022)摘要:碳纤维片,板材在结构工程中应用技术研究正引起我国土木工程界的普遍关注,并开始在加固工程中应用.以CFRP筋替代钢筋作为混凝土结构加强材方面研究较少,国内尚无应用实例.结合近年来研究体会,以日本爱知县南设乐郡郊区俱乐部内飞翔桥为例,探讨预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术.关键词:CFRP筋CFCC碳纤维CFRP筋混凝土试验技术ANCHORAGEMETHODANDTESTTECHNIQUEOFCONCRETESTRU
2、CTUREWITHPRESTRESSEDCFRPXuXinshengWangTiecheng(TianjinUniversityTianjin300072)WeiXiaodong(ShandongArchitectureDesignInstituteJinan250022)Abstract:TheresearchontheapplicationofcarbonfibersheetstostructuralprojectsiscausingtheconcemofthecivilengineeringcirclesinChina.Thismaterialisstartedtobeusedforst
3、rengthenings.ThestudyonusingCFRPasthereinforcementsforconcretestructuresisveryfewandthereisnocasehistoryofitsuseathome.TheanchoragemethodandtesttechniqueofconcretestructureswithprestressedCFRPareexploredbycombiningrecentexperienceinresearchesandtakingtheflightbridgeforaclubinJapanforexample.Keywords
4、:CFRPcarbonfibercompositecablecarbonfiberCFRPconcretetesttechnique0前言以碳纤维筋替代钢筋作为混凝土结构新的加强材料研究在国外已有20多年的历史,并在桥梁,建筑,海工等工程中得到广泛的应用.我国开展该方面研究较晚,但已受到土木工程界的高度重视,近年来发展迅速.2002年7月在昆明召开了第二届中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术会议,会议上把FRP筋预应力混凝土结构作为今后重点发展方向之一.相应设计与施工规范也在制订之中.作为一种新型建材,如何保证工程应用的可靠性是极其重要的,在成熟的设计及施工规范颁布之前,必须通过试验解决工
5、程中可能遇到的诸多问题,为设计施工提供可靠的力学性能和结构性能指标.本文结合近年的研究体会,以日本爱知县南设乐郡郊区俱乐部内飞翔桥为例,探讨预应力CFRP筋混凝土结构锚固方法及试验技术.1工程概况飞翔桥全长111m,净跨75m,宽度3.6m,是一座采用CFRP筋(CarbonFiberReinforcedPlastics)作为张拉材料的预应力混凝土桥,施工方法采用悬臂法架设,1992年6月动工,IndustrialConstructionVo1.35,No.9,20051993年3月建成,构造如图1所示.预应力筋采用6根12.5mm的CFCC(CarbonFiberCompositeCable
6、,有单股,7股,l9股,37股成品绳,其中最常用的是直径为12.5mm的17柬CFCC)组合而成,全桥共108根,按配筋位置分为外筋和内筋,外筋主要承担活荷载,内筋主要承担施工荷载和静荷载.设计及施工详细情况在文献1中另有介绍,本文仅论述工程中的试验问题.2锚定系统开发及试验与钢筋相比,CFRP筋具有强度高,弹性模量小的特点,为充分发挥CFRP筋的高强作用,CFRP筋混凝土通常采用预应力结构形式.因此,开发高强,可靠,耐久的锚定系统是CFRP筋应用的一项技术要点,该工程针对内,外筋不同结构特点.开发了相应锚定系统.2.1内筋用锚定系统CFRP筋承受横向压力能力较弱,通过楔体直接锚定第一作者:徐
7、新生男1963年3月出生济南大学教授收稿日期:20041117工业建筑2005年第35卷第9期101侧面1一内筋6-l2.5;2一外筋6-l2.5图1飞翔桥构造CFRP筋是十分困难的,因此,在该桥中内筋采用了6根多头式压铸合金锚定方式.这种方式是把特殊合金通过压铸方式与CFRP筋端头融为一体,装入钢管,然后用楔体锚定而成.图2为内筋锚定系统.1一环形螺母;2一锚头;3一楔;4一十22压铸合金锚件;5一锚保护盖;6一支承板;7一十l2.5CFRP筋;8一漏斗状外套;9一缓冲材;10一聚乙烯套图2内筋锚固系统如图2所示,漏斗状外套颈部要约束6根CFCC,通常要设置尼龙,橡胶等缓冲材.因为在张拉过程
8、中CFCC与CFCC之间,CFCC与缓冲材之间有可能擦伤,造成CFRP筋强度和疲劳性能降低,因此,需通过试验选定可靠,适用的缓冲材.试验装置如图3所示,对CFRP筋进行3次加荷,卸荷反复张拉试验,张拉荷载为6根多股CFRP筋的0.75P.(650kN/6根),观察确认CFRP筋和缓冲材擦伤状况.缓冲材从聚亚氨基甲基酸酯橡胶,聚四氟乙烯,超高分子聚乙烯,MC尼龙,天然橡胶,硅酮橡胶等材料中比较确定,试件厚度取lOmm,试验标准为CFRP筋不损伤,缓冲材损伤要小,试验结果列于表1.通过试验,本工程缓冲材选用了高强,耐压的MC橡胶.枣1一锚头;2一固定侧;3一CFRP筋;4一支承板;5一千斤顶架;6
9、一张拉侧;7一千斤顶;8一缓冲材图3缓冲材试验装置示意2.2外筋锚定系统外筋锚定采用多股集束,用树脂充填于套管的锚定方式(见图4).这种方式是把6根dP12.5CFCC集束,用树脂胶结在一起,充填于一个管套.通过CFCC和树脂问粘结力进行102锚固.为有效地利用CFRP筋不生锈的特性,应采用防锈锚固系统,锚件全部采用镀锌处理,加活保护盖,并充填防锈剂.而且,锚定系统要能用于无粘结CFRP筋预应力系统,可更换和再紧固.表1缓冲材选定试验结果缓冲材材质6根多股CFRP筋O.75P3次反复试验CFRP损伤r缓冲材损伤注:O为压痕中(深1Inn1);为压痕小(深不足lmm);为表面有削痕;f为压痕大(
10、深12mm).萎61一锚件;2一锚定螺母;3一橡胶板;4一缓冲材;5一CFRP筋;6一锚保护盖;7一套管;8一连接套管;9一保护套管图4外筋锚固系统3与设计相关的试验3.1静拉伸试验CFRP筋的抗拉强度(P.:145kN/根)是在直线状态下,对一股CFRP筋进行拉伸试验测定.当CFRP筋为多股或弯曲配置时,由于CFCC之问,CFCC与外套之问产生摩擦,漏斗状外套颈部挤压处线材会出现擦痕,以及CFRP筋在弯曲状态下的张拉等因素,均有可能造成CFRP筋强度不同程度降低,因此在使用多股CFRP筋或弯曲配置时应通过试验重新测定CFRP筋抗拉强度.试验时,无论是内筋还是外筋均采用6股CFCC组合方式,采
11、用多头锚固,而且内筋锚固还要按图2所示倾斜1.8.当内筋直线配置时,试验采用钢制试验框架,两端均采用图2所示的锚定系统,使用与实桥相同的张拉装置施加张拉力,测定破坏荷载.破坏荷载通过千斤顶液压传感器测定;当内筋弯曲配置时,采用预制混凝土梁作为试验框架,在混凝土梁工业建筑2005年第35卷第9期内预埋弯曲波形聚乙烯套管,套管的弯曲半径为8m,弯曲角度为10.,重复上述试验测定破坏荷载;当测试外筋强度时,可直接采用3000kN卧式张拉试验机,两端设置锚具,施加张拉试验即可.该桥内,外筋破坏荷载试验结果列于表2.表2CFRP筋破坏荷载试件长:1):5.3m;2):7.3m;3)2.5m.从试验结果可
12、以看出:1)多股CFRP筋比单股CFRP筋强度有不同程度的降低,可认为CFRP筋各股CFCC张力有偏差所致;2)弯曲配置使CFRP筋强度降低显着.因此,设计时,必须充分考虑多股CFRP筋强度降低以及弯曲半径和弯曲角度对强度影响,保证结构安全.3.2拉伸疲劳试验单股cFRP筋拉伸疲劳试验较多,疲劳性能已经确认.但多股试验尚未有人做,无疲劳性能数据.在本桥中,内筋使用6股CFRP筋,挤压部疲劳强度降低尚不确定:而外筋,当其固有频率和桥梁的固有频率相近时,会产生共振现象,在锚定近处产生应力集中,使强度降低.因此,必须通过拉伸疲劳试验,确定CFRP筋的疲劳性能.试验时,采用与实桥相同的锚固系统在试验机
13、上进行拉伸疲劳试验,试验条件见表3.疲劳试验后,观察CFRP筋外伤,再按与疲劳试验相同的锚定条件进行破坏试验,测定残余强度.表3拉伸疲劳强度条件下限荷载应力变化反复加荷频率反复加荷次数522kN(0.6P)+looMPa2Hz上限2.0106次由试验结果可知,在进行200万次反复张拉试验后未发现CFRP筋断裂,外套颈部挤压部分也未发现外伤.而且试验后残余强度为870kN/6根,除其中1根在挤压部断裂外,其余5根没有外伤.由此可以认为:采用多股CFRP筋对疲劳强度没有太大影响,但是,弯曲状态下的疲劳和斜拉桥索的疲劳性能尚未充分试验研究,今后有继续研究的必要.3.3外套抗拔试验内筋是通过砂浆与管套
14、结合,因此CFRP筋与混凝土以及套管与混凝土间要有充分的粘结性能.为不使CFRP筋受伤,本工程采用波形聚乙烯套管取代了以往的钢制套管,因此,必须通过试验确定波形聚乙烯套管与混凝土的粘结性能,确保套管与混凝土为一体.试验如图5所示,把波形聚乙烯套管埋入混凝土试件中,插入CFRP筋后用砂浆充填.试件为3个,14d后进行抗拔试验,这时的混凝土强度为44.5MPa,砂浆的强度为24.4MPa预应力碳纤维筋混凝土结构锚固方法及试验技术徐新生,等1一砂浆;2一波形聚乙烯套管;3一CFRP筋图5套管抗拔试验简图试验结果发现,套管及砂浆滑出之前,CFRP筋从砂浆中拔出,拔出荷重的平均值为163kN.由此可知,
15、在低于CFRP筋和砂浆间的粘结强度时,套管不会拔出,而且套管与混凝土粘结性能好,可认为套管与混凝土为一体.4施工相关试验4.1外伤试验CFRP筋属于对外伤十分敏感的材料,损伤后其强度可能显着降低,因此施工时应尽可能避免损伤CFRP筋,且施工前应通过外伤试验研究强度降低情况.飞翔桥工程中外伤试验主要考虑切削试验,静力侧压试验,冲击侧压试验等内容.4.1.1由切割引起的外伤试验这种试验的目的主要考虑CFRP筋在拉伸或插入预应力孔时有可能被承压板边缘割伤而使强度降低.试验方法是按图6所示方式选定cFcc中一股线材,在0.41.2mm范围内切割4种深度伤痕,分别进行抗拉试验,结果发现,仅伤痕1.2mm
16、附近有部分纤维断裂,但并未发现强度降低现象.1一切割前直径;2一切割后直径;3一切割部分图6切割外伤试验4.1.2静压外伤试验考虑在施工过程中践踏或重压CFRP筋,有可能造成损伤,试验时采用150等边角钢的角部垂直接触挤压CFCC,分别施加60,100,150,350,500kN压力(见图7),每次施压需保持15s,对CFRP筋造成局部静压损伤,结果发现,压缩荷重60kN时无损伤,500kN时,可目测损伤痕迹,这时断裂荷重为145kN,恰与容许断裂荷重相同,并从损伤处断裂.图7静压外伤试验4.1.3冲击侧压外伤试验主要考虑施工作业中铁锤等工具或其他重物落下砸伤103CFRP筋.试验时把CFCC
17、放在平台上,用LSO角钢的角部垂直对准CFCC,重锤(1.5kg或4.Okg)从其上方lm高处落下,冲击cFcc(见图8),结果发现1.5kg时就造成一根线束断裂,断裂荷重降低30%,4.Okg时造成2根线束断裂,断裂荷重降低58%.1一重锤;2一L50角钢;3一CFRP筋图8冲击侧压外伤试验通过上述试验可知,由割伤造成强度降低可以由损伤CFRP筋断面程度考虑.一般情况下因为强度降低较小,因此施工中应注意防止割伤CFRP筋,但不必过分要求.但是,由重物下落引起冲击损伤使强度降低十分明显,因此在施工中必须引起足够重视.4.2CFCC交叉试验把cFRP筋插入组合锚件时,CFCC会出现交叉,在扭转状
18、态下实施张拉会使强度降低,因此需试验研究交叉情况下强度的降低情况.试验如图9所示,把3根cc端部交叉配置,进行张拉试验.结果发现2个试件的破坏荷载分别是167kN/根和157kN/根,由此可见,CFCC交叉并没有使强度明显降低,但CFCC上留有压痕,因此施工中应尽量避免CFCC交叉.莹1一固定侧;2一约束;3一张拉侧;4一锚件;5一套管图9线材交叉试验简图5结语碳纤维高强,轻质,耐腐蚀,无磁性等优点,作为抗拉筋材可用于混凝土结构中,是一种理想的钢筋替代品.国外发达国家在20世纪8O年代就开始CFRP筋混凝土的理论与应用技术的开发,并积极推广应用于实际工程中.在我国,使用碳纤维片材,板材用于加固
19、工程中实例较多,替代钢筋用于新建结构研究较少.日本爱知县飞翔桥工程全面采用了CFRP筋替代钢绞线作为承受施工及使用荷载的主要预应力筋,在设计,施工及试验技术方面均处于世界领先水平.本文对飞翔桥工程中采用的试验技术进行了介绍,旨在引起我国工程界对CFRP筋混凝土的重视,积极开展该方面的研究和应用工作,缩短与发达国家的距离.参考文献1徐新生,等.碳纤维筋混凝土结构设计及施工技术探讨.山东建材学院,2000(4)2明文夫,等.力/手,一一7,炭素黛雉楠强材老用,Pc一/檑.j/夕IJ一1-工单,1993,31(12)3徐新生,等.连续纤维增强混凝土的研究及应用.建筑技术开发,1996(6)(上接第4
20、9页)约15m,为摩擦型桩,一柱一桩.地铁隧道正好从该建筑物桩底通过,桩尖距隧道顶面约1m.隧道采用盾构法施工.由于该建筑物上部荷载较小,且隧道通过无须切断桩身,故对该建筑物桩基采用桩筏式托换结构进行了托换.筏板采用C25混凝土,筏板厚500mm.盾构施工开始前,先浇筑筏板并对桩侧及桩底进行化学灌浆,盾构施工完成后,对隧道顶部的土体进行了注浆加固.现场实测情况见表1.桩基托换后建筑物未出现倾斜,开裂等现象.表1建筑物沉降观测结果4结语1)桩梁式托换结构体系适用于地铁隧道施工显着降低桩基承载力或地铁隧道施工需穿越桩身的情况;桩筏式托换结构体系适用于桩基建筑物上部结构荷载不大,地铁隧道穿104越无
21、需切断原桩,完全在桩基底部穿越的情况.2)桩梁式托换结构中,应按柱与托换大梁固接,托换桩与托换大梁铰接,被托换桩与原建筑物分离的条件进行建筑物与托换结构整体空间结构分析,用主动托换加载预顶的方式来减少托换结构的竖向变形,达到新老结构协同工作的目的.3)桩筏式托换结构中,桩与筏板荷载分担问题是一个复杂的桩土共同作用的过程.这一过程的理论分析和试验数据尚待进一步完善和实践.文中给出的经验公式只考虑了土层较为均匀的一般粘性土中桩距,桩入土深度,桩径及基础宽度的影响,未考虑其他持力土层的情况,设计时应根据具体情况予以调整.4)桩梁式托换结构体系竖向变形较小,桩筏式托换结构体系竖向变形相对较大.具体设计时应根据建筑物的重要性及结构变形控制标准采用.参考文献1唐业清,等.建筑物改造与病害处理.北京:中国建筑工业出版社,2000.4324402张正先.等.新旧混凝土界面连接试验研究.华南理工大学(自然科学版),2000,28(10)3杨克己,等.基础一桩一土共同作用的性状与承载力研究.岩土工程,1998(1)4地基处理手册编委会.地基处理手册.北京:中国建筑工业出版社.1998.8工业建筑2005年第35卷第9期