2021-4-13 | 土木工程论文
一、弯折问题分析
工程实际中，CFRP缆索可能处于弯曲状态，也可能处于弯折状态，它们对应的抗拉强度是两个不同的概念。前者为缆索绕着一定半径圆弧时对应的弯曲抗拉强度，缆索紧贴圆弧(见图1a)，圆弧半径大者超过10米，如超大跨悬索桥CFRP主缆在鞍座处和CFRP预应力筋在混凝土梁中的弯曲等，小者可小到几十厘米，如CFRP缆索应用时于大型膜式屋盖中的弯曲，CFRP筋作为箍筋时的弯曲等情况，CFRP缆索在不同半径下的弯曲抗拉强度已有大量的试验和理论研究成果。而对于弯折问题，CFRP缆索不紧贴着圆弧，几乎只与圆弧发生点接触，存在着相应的折角。
实际工程中，CFRP筋发生弯折的现象较为普遍。如大跨度悬索桥CFRP缆索主缆在索夹处受吊索较大的竖向力作用而引起的弯折问题，悬索桥或拱桥在使用过程中线形发生变化而导致CFRP吊索在锚固连接处发生的小角度弯折问题；悬索桥施工过程中，边跨散索套产生较大的竖向位移也会引起CFRP主缆索股在锚管口的弯折现象；作为拉索应用于大跨屋盖和海上采油平台时可能存在的小角度弯折问题等等。弯折现象会降低CFRP缆索的承载力，而通过理论计算又不能很好解决此问题，因此需通过试验加以研究。
二、CFRP筋抗拉强度测试新技术
CFRP筋在弯折状态下抗拉强度折减系数根据弯折状态对应的弯折抗拉强度和直线状态下的抗拉强度进行计算，因此，需对这两种抗拉强度进行精确测试。其中，直线状态抗拉强度又是CFRP筋最主要的性能参数，其真实的抗拉强度就现有技术（包括发达国家的有关规范中的测试技术）而言很难测定，目前对CFRP筋材进行强度测试所需锚具主要采用以膨胀混凝土为填充介质的粘接型钢管锚，而膨胀混凝土硬度远大于CFRP材料，试件张拉时锚固区CFRP筋表面会因混凝土-筋界面的相对滑移而受到损伤，致使其极限抗拉强度不能获充分地发挥，由此测得的抗拉强度偏小，为此，本文开发了新型的施压粘结型锚具，用它对CFRP筋的抗拉强度进行测试可获得较为真实的结果。该锚固体系由开槽钢夹板及高强螺栓构成，如图2a所示。
CFPR筋试件锚固端为环氧树脂胶，由灌注在钢管中的胶体凝固后脱模而得，如图2b所示。组装后的锚固体系件图2c。环氧树脂胶体硬度与CFRP筋相近，其化学和物理性质也与筋材中的基体材料相近，因此，只要施加在锚固区的压应力大小适度，施压粘结型锚具在理论上能使CFRP筋的强度获充分发挥。试验表明，当锚固长度为300mm时，只要对锚固区施加100MPa的压应力即可使筋材的抗拉强度获充分发挥。试件加载方案参照日本JSCE-E531-1995的相关规定，该规范对CFRP筋的加载速度建议为每分钟100～500MPa/min，本试验采用的加载速度控制在200MPa/min左右，通过压力传感器数据采集仪控制加载速度。
静载张拉试验开始后，先对试件施加5%的极限承载力后再卸载，接着开始张拉，每一级荷载对应的荷载增量为10%的CFRP筋极限承载力，直至破坏。本试验共有6个试件，试验模型见图3a，试件破坏状态见图3b。试验结果见表1图3b的破坏为爆断式破坏，说明施压粘结型锚具能使CFRP筋的抗拉强度获充分发挥。表1表明，采用文中新型锚具测定的抗拉强度明显高于用普通的内填膨胀混凝土钢管锚具测定的强度，且高出9.55%，说明当采用内普通测试技术测试筋材抗拉强度时，张拉过程中膨胀混凝土对筋会造成较大程度的损伤，而本文开发的测试方法更加可靠，说明利用施压粘结型锚具测试CFRP筋抗拉强度更符合实际情况，建议厂商及相关研究参考该新技术测定CFRP筋抗拉强度。
三、试验设计
CFRP筋弯折抗拉性能测试结果可为评估发生一定弯折角情况下的缆索的弯折极限抗拉强度提供重要参考，它可通过模型试验测定。该强度在理论上小于笔直状态下的极限抗拉强度，对多种折角对应的弯折强度进行测定，可了解CFRP筋材在工程实际中发生弯折时其抗拉强度的折减情况。
1.试验模型
试验模型及安装作如下设计（见图4）。CFRP筋试件长度为3m，CFRP筋两端采用新型夹片式锚具，考虑到较小的折角对抗拉强度的影响可能较小，若采用普通夹片式锚具（锚固效率一般小于95%），则最后的破坏状态可能发生在锚固端，从而不能准确测定弯折抗拉强度，因此，需采用锚固效率较高的新型CFRP筋夹片式锚具，经测定，该锚具的锚固效率超过95%[14]。锚固端传力用工字型钢梁和钢台座均通过预应力钢绞线锚固在地锚上，在加载过程中为防止由于模型滑动而导致CFRP筋折角的变化，对所需的锚固力进行了计算，根据计算结果施加适当大小的锚固力；加载过程中，还对台座和钢梁的滑移情况进行了监控，以评估钢梁和台座是否发生了能改变弯折角大小的，不允许发生的位移。折角大小通过移动模型中的钢挂套进行调节。为避免应力集中现象的发生，实际工程中CFRP缆索弯折处均作圆弧处理。由于弯折折角往往较小，为避免弯折处圆弧半径对测试结果的影响，试验模型弯折处采用较小的圆弧半径，为10mm。
2.试验工况及加载方案
试件加载采用300kN穿心式千斤顶，荷载大小由压力传感器记录，台座和钢梁的滑移量由位移传感器测定。为辅助确定试件在极限状态下的破坏位置，用高性能摄像机对加载过程进行了拍摄，事后通过慢镜头放映确定具体破坏位置。实际工程中弯折状态下CFRP缆索的弯折角大多小于2°，如在大跨悬索桥中，CFRP主缆在索夹处的弯折角为1.5°左右，在大跨拱桥和悬索桥中，相对于纵桥向，CFRP吊索在横桥向发生的弯折更为不利，但其折角也不会超过2°。为此，本试验对弯折角分别为1.5°，2°，2.5°和3°情况下CFRP筋材的弯折抗拉强度进行了测试，每种工况均设置3个试件，本文第2部分直线状态对应的测试结果即为折角为0°时的结果。通过实测可最终确定上述四种折角状态下CFRP筋材的弯折抗拉强度折减系数。加载方案同第二部分第三段。
四、试验结果
加载过程中，试验模型两侧钢梁和台座的滑移监测结果见图5，对应试件折角为3°，其它试件的监测结果相似。图5表明，左侧钢梁发生了较为微小的滑移，最大值为1.24mm，该滑移量相对试件长度可忽略不计，而右侧钢梁和台座几乎未发生滑移，所有构件的滑移量在试件发生破坏后恢复到加载前的初始状态，表明测得的滑移量为钢梁及台座的弹性变形而已，各构件的微小滑移不会造成弯折折角的变化，对试验结果不影响。试件的破坏形态如图6，呈爆断式破坏，说明在极限拉力下，筋材破断点发生在筋材自由段，而不发生在锚固区，进而说明夹片式锚具对筋材的细微损伤不影响弯曲抗拉强度的充分发挥；另外，摄像记录也表明，试件开始破坏的位置发生在弯折点处。因此，测得的极限状态对应的抗拉强度即为CFRP筋材的弯折抗拉强度。CFRP筋材弯折性能测试结果见表2和图7。图7中，srr为弯折抗拉强度折减系数，srbfacutrff，为折角。根据试验结果，拟合出了CFRP筋材弯折抗拉强度折减系数经验公式(式1)，拟合曲线见图7，呈线性分布。10.065srr(1)结果表明，若CFRP筋材在应用过程中处于弯折状态时，弯折角对抗拉性能影响较大。
当折角为1.5°时，较笔直状态抗拉强度低11.2%，当折角为3°时，较之低18.9%，弯折抗拉强度随折角的增加而降低，srr与之间接近线性关系。筋材弯折抗拉强度之所以有随折角增加而呈明显下降的趋势，这是因为CFRP筋材的抗剪强度较低，只有其抗拉强度的5%左右，当在弯折状态下受很大的拉力作用时，折角处产生了较大的剪力，剪力的存在致使弯折抗拉极限承载力有较为明显地下降，最终导致破坏的直接因素是剪力而非拉力。因此，在弯折状态下，折角处的剪力对破坏起控制作用。在极限实际工程应用时，CFRP缆索弯折抗拉强度折减系数的计算建议参考(1)式。由此可见，发生弯折时，即使折角较小，也需考虑弯折对抗拉承载力的影响。
五、结语
对CFRP筋材的真实抗拉强度精确测试方法和筋材弯折性能进行试验研究后得出如下结论：(1)现有的内填膨胀混凝土钢管锚具CFRP筋抗拉强度测试技术，其测试结果严重偏低，采用本文的新方法进行测试，其结果较前者至少提高了9%。(2)CFRP筋材发生弯折时，其抗拉性能较直线状态折减明显，当弯折角为3°时，弯折抗拉强度折减系数为0.811，该系数与弯折角之间可用线性关系进行表示，实际工程应用时，筋材弯折抗拉强度折减系数的评估建议参考(1)式。(3)CFRP筋材在土木工程应用过程中，即使存在较小的弯折角，弯折状态对抗拉性能的影响也不可忽略。
作者：诸葛萍 章子华 丁勇 卢彭真 单位：宁波大学建筑工程与环境学院 西南交通大学土木工程学院