【摘要】CFRP布材的生產(chǎn)工藝相當(dāng)成熟，廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固。利用CFRP布施加預(yù)應(yīng)力可更加充分發(fā)揮其高強耐腐蝕性能。本文對CFRP布材施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力平板的試驗情況。并對有待深入研究的內(nèi)容作了歸納。
　　關(guān)鍵詞 CFRP布 錨具 預(yù)應(yīng)力平板 預(yù)應(yīng)力張拉
　　1、概述
　　工程實踐表明，CFRP復(fù)合材料能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、高強和輕質(zhì)發(fā)展以及承受惡劣條件的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求，正被越來越廣泛的應(yīng)用于橋梁、各類民用建筑、海洋和近海、地下工程等結(jié)構(gòu)中。應(yīng)用的方式有兩種：一是直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)中，二是用于舊有結(jié)構(gòu)的維修加固，以取得良好的經(jīng)濟效益[1]～[3]。
　　我國于1996-1997年正式對CFRP用于土木建筑結(jié)構(gòu)進行研究，并在1998所開始了實際的工程應(yīng)用，至今國內(nèi)已有近十個科研院所、十余所高等院校，對其技術(shù)性能進行了研究，取得了大量的科研成果。但國內(nèi)的研究成果和對象基本上以結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)為主。與國外已開展采用CFRP代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋或索的使用相比已明顯落后，有必要開展相關(guān)的應(yīng)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(yù)應(yīng)力，但它還有高度的非均質(zhì)性和脆性的缺點，這非均質(zhì)性使其極易在預(yù)應(yīng)力錨固時發(fā)生破壞，而其脆性則在施加預(yù)應(yīng)力時比鋼材更加危險。迄今為止還沒有一種錨固系統(tǒng)能保證所有的CFRP力筋達到最佳預(yù)應(yīng)力傳遞，這也是在對CFRP預(yù)應(yīng)力錨固體系研究內(nèi)容之一。
　　目前對CFRP作為預(yù)應(yīng)力材料的研究主要集中在開發(fā)相關(guān)預(yù)應(yīng)力錨具的同時，進行高性能CFRP材料的研制與開發(fā)。而作為較先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程的CFRP片材，其應(yīng)用和開發(fā)已十分成熟，而且應(yīng)用相當(dāng)普遍。高性能混凝土的應(yīng)用，尤其是自流平混凝土的應(yīng)用，借助已成熟的布材CFRP和預(yù)應(yīng)力技術(shù)的結(jié)合，將會給CFRP材料和預(yù)應(yīng)力技術(shù)提供新的應(yīng)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(jié)構(gòu)性能的研究和施工工藝的研究。采用CFRP布作為預(yù)應(yīng)力材料的研究目前尚未見相關(guān)報道[5]～[8]。
　　2、CFRP布材預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點及意義
　　碳纖維增強塑料（CFRP）由于其高強度和優(yōu)良的抗腐蝕和耐久性等優(yōu)點，國內(nèi)外都在開展其替代鋼材的應(yīng)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(fā)技術(shù)的成熟，其價格的迅速下落給CFRP在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了很好的機遇。　　　　CFRP作為預(yù)應(yīng)力筋的想法也由來又久，但是由于CFRP表現(xiàn)出來的脆性使得對其錨固相當(dāng)困難[4][7]。為此，作者在避開需要預(yù)應(yīng)力錨具的CFRP筋材，改用技術(shù)成熟的CFRP布材進行施加預(yù)應(yīng)力的研究。
　　如果采用布狀CFRP形式施加預(yù)應(yīng)力，具有如下優(yōu)點：
　　（1） 不需要錨具，或開發(fā)出相關(guān)的垂直加壓設(shè)備代替筋材所需要的錨具，從而節(jié)省錨具費用；
　�。�2） 利用片狀材料自身施加預(yù)應(yīng)力，能避免采用常規(guī)錨具時的斷裂現(xiàn)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(jié)；
　　（4） 通過織物布狀交錯張拉可方便實現(xiàn)縱向和橫向施加預(yù)應(yīng)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(dǎo)致的施工不便。
　　國內(nèi)外對CFRP布材作為預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力時平板受力和截面性能作一介紹，為CFRP布材作為預(yù)應(yīng)力的更大范圍推廣使用提供理論依據(jù)。在結(jié)構(gòu)工程和橋梁工程中的平板結(jié)構(gòu)中，包括預(yù)制和現(xiàn)澆法，采用先張法對CFRP布材預(yù)應(yīng)力技術(shù)可起到更加理想的效果。這一方法對采用CFRP布進行預(yù)應(yīng)力張拉的結(jié)構(gòu)加固也具有借鑒意義。
　　3、CFRP布材施加預(yù)應(yīng)力效果
　　試驗采用上海怡昌碳纖維材料有限公司生產(chǎn)的同固牌的CFRP布，型號為CFC2-2。
　　材料參數(shù)如下：
　　產(chǎn)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(yù)應(yīng)力必須克服其張拉不均勻性。試驗張拉采用作者設(shè)計的裝置進行，并由柳州歐維姆機械股份有限責(zé)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(dǎo)致的CFRP布部分纖維發(fā)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(jù)CFRP廠家提供的材料性能參數(shù)，在進行了兩次試張拉后，進行CFRP布預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力材料，縱向有4根φ6的構(gòu)造鋼筋，橫向設(shè)有間距為190mm的構(gòu)造鋼筋，如圖4所示。

　　通過測試，CFRP布張拉應(yīng)力為2117Mpa，約為抗拉強度的0.6。通過實時監(jiān)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(yù)應(yīng)力平板靜力加載破壞時的情景。

　　4、 結(jié)論及展望
　　1） 研究的關(guān)鍵在于CFRP布材施加預(yù)應(yīng)力的效果及預(yù)應(yīng)力混凝土平板的結(jié)構(gòu)行為特性。為達到這一目的，需要解決采用CFRP布材施加預(yù)應(yīng)力的有效途徑。
　　2） 通過兩次試張拉和最后預(yù)應(yīng)力混凝土平板的施工時的第三次張拉，表明對CFRP布施加預(yù)應(yīng)力完全可行。
　　3） 常規(guī)的CFRP材料作為預(yù)應(yīng)力材料通常是采用棒材，相應(yīng)會出現(xiàn)生產(chǎn)相關(guān)的特殊錨具的問題。采用布材后，利用自身摩擦力施加預(yù)應(yīng)力對于混凝土構(gòu)件預(yù)制行業(yè)來說可實現(xiàn)不需要 預(yù)應(yīng)力錨具的優(yōu)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(dǎo)致混凝土施工困難的問題，采用CFRP布條作為預(yù)應(yīng)力材料，通過布條交錯，實現(xiàn)傳統(tǒng)式的鋼筋網(wǎng)的效果。
　　5） 若對布材施加預(yù)應(yīng)力時，正交布置CFRP布材可實現(xiàn)垂直兩個方向同時施加預(yù)應(yīng)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(jié)，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(yù)應(yīng)力時，已無傳統(tǒng)布筋時的鋼筋保護層厚度要求，根據(jù)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(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合，將其應(yīng)用于較為合理配置平板結(jié)構(gòu)中，能充分發(fā)揮CFRP材料性能、預(yù)應(yīng)力技術(shù)、混凝土平板三部分的優(yōu)點�？紤]到片材與平板結(jié)構(gòu)的結(jié)合可能會帶來施工的不便，需要結(jié)合高性能混凝土------自流平混凝土進行配合施工。即當(dāng)基層凝土澆筑完后，再鋪設(shè)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(guī)模預(yù)制具有較高的經(jīng)濟效益。
　　5、有待深入研究內(nèi)容
　　要真正將CFRP布作為預(yù)應(yīng)力材料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，還需要深入研究，包括CFRP片材對平板結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力后的結(jié)構(gòu)行為、受力基本特征和破壞機理，以及相關(guān)計算方法等。因此需要對下述內(nèi)容開展深入研究：
　�。�1） 對CFRP布材施加預(yù)應(yīng)力相關(guān)技術(shù)的研究，包括施加預(yù)應(yīng)力的更合理方式，施加預(yù)應(yīng)力裝置的設(shè)計和加工，預(yù)應(yīng)力大小的計算和監(jiān)測，相應(yīng)鋼筋配置計算。
　�。�2） 進行不同CFRP布預(yù)應(yīng)力大小的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)中，開展CFR布材用于梁式結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)中的可行性。為CFRP布材預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)的推廣使用提供更充分的理論依據(jù)。

　　 感謝柳州歐姆機械股分有限責(zé)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用·建筑開發(fā)，1991（10）：13-14，37
　　[2] 顧履恭。混凝土結(jié)構(gòu)用纖維增強聚合物在國外的開發(fā)和應(yīng)用。2001，32（5）：310-313
　　[3] 于清。FRP的特點及其在土木工程的應(yīng)用。哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)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(biāo)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