1引言
隨著CFRP材料向土木工程領(lǐng)域的逐漸滲透，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用經(jīng)歷了纖維片材、纖維棒材和纖維型材等幾種材料形式。CFRP材料在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，其優(yōu)越性也逐步發(fā)揮出來(lái)，受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此開(kāi)展關(guān)于CFRP在土木工程中應(yīng)用的課題十分有必要。土木工程中應(yīng)用的CFRP產(chǎn)品形式主要有短纖維、片材(纖維布材和板材)、棒材和索材、拉擠型材、纏繞型材、格柵及手糊制品。根據(jù)CFRP材料制成的產(chǎn)品形式的不同主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:①C-亂向短纖維，加入混凝土中，可大大提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性、延性和承載力等多種性能;②CFRP片材，用于既有結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)，有大量的工程應(yīng)用，其技術(shù)已基本成熟;③將碳纖維長(zhǎng)絲制成棒材，在混凝土中代替鋼筋用于新建結(jié)構(gòu)，主要用于海洋工程結(jié)構(gòu)及需電磁波透過(guò)的工程結(jié)構(gòu)，國(guó)外已有較多研究，并開(kāi)始應(yīng)用，也可制成桿件，建造各種空間結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)架、網(wǎng)殼以及拱、殼和穹頂?shù)�，形成大跨空間建筑結(jié)構(gòu)體系;④將碳纖維加工成束狀或繩狀形成索材，用于大型土木工程的拉索或懸索結(jié)構(gòu)，該方面應(yīng)用在錨具連接上尚未能很好地解決，但仍有一定的應(yīng)用;⑤CFRP拉擠型材，可做成工字形、槽形、管形、箱形等基本型材，形成輕質(zhì)樓板、橋板;⑦CFRP格柵，可用于補(bǔ)強(qiáng)飛機(jī)場(chǎng)跑道、橋面和公路，早在1996年，美國(guó)通往加拿大的401#高速公路的數(shù)座橋面上采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)。本文主要從以下幾個(gè)方面綜述CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用:CFRP片材在加固混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究;CFRP棒材在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究;CFRP索材在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究;CFRP錨固系統(tǒng)的應(yīng)用研究。
2CFRP片材的應(yīng)用研究
CFRP片材主要應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)加固中，20世紀(jì)80年代末至90年代初起源于歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，方法為利用樹(shù)脂類粘結(jié)劑將碳纖維粘貼到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面，形成復(fù)合材料，通過(guò)碳纖維與構(gòu)件的協(xié)同工作來(lái)提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力和延性。此技術(shù)在90年代得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)1995年日本阪神地震檢驗(yàn)，并在1999年中國(guó)臺(tái)灣省地震后的修補(bǔ)和重建中發(fā)揮了重要作用，使人們對(duì)這一新技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)引起重視，并著手研究和開(kāi)發(fā)。
2．1CFRP加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)
對(duì)混凝土工程進(jìn)行加固，是目前CFRP在土木工程中應(yīng)用最成熟的技術(shù)，關(guān)于這方面的研究主要集中在對(duì)加固后構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓抗疲勞等�？箯澕庸�(圖1)就是將碳纖維片材用膠結(jié)劑外貼于構(gòu)件的受拉面與混凝土共同承受荷載，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達(dá)到抗彎加固的目的。目前國(guó)內(nèi)外主要是運(yùn)用試驗(yàn)和有限元分析的方法分析影響加固性能的因素，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)提出承載力公式，進(jìn)而改進(jìn)加固的方法。2000年以來(lái)，東南大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等都對(duì)CFRP加固的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，得到影響加固效果的主要因素有碳纖維布的層數(shù)(加固量)、混凝土強(qiáng)度、配筋率、碳纖維布端錨固情況等［1］;另外，岳清瑞、趙國(guó)藩和鄭國(guó)棟等［2，3］還研究了二次應(yīng)力狀態(tài)以及既有荷載的存在對(duì)加固效果的影響，提出了提高梁底碳纖維布的抗剝離能力的方法［4］�？辜艏庸�(圖2)主要是將碳纖維片材粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū)，利用碳纖維布對(duì)混凝土的約束來(lái)抑制剪切裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展，達(dá)到抗剪加固的目的。與抗彎加固類似，抗剪加固的主要研究也主要集中在用試驗(yàn)研究和有限元分析的方法對(duì)加固后構(gòu)件的抗剪承載力提高程度、破壞形式以及影響加固的因素進(jìn)行研究和分析［5，6］，并針對(duì)破壞形式提出了一些解決方案�？箟杭庸�(圖3)的研究主要是實(shí)驗(yàn)研究，將CFRP片材外貼在鋼筋混凝土柱上進(jìn)行受壓試驗(yàn)研究，能提高柱子的承載力和延性［7］。在這些靜力性能研究的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者提出了疲勞性能的問(wèn)題，并針對(duì)加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明，加固后的混凝土構(gòu)件疲勞壽命提高、疲勞變形減小、抗裂性能提高［8］。近兩年，東南大學(xué)的袁鑫等［9］對(duì)高溫環(huán)境下的粘貼CFRP板前后的RC箱梁做了疲勞試驗(yàn)研究，得出高溫環(huán)境下使用的箱梁橋頂板經(jīng)過(guò)CFRP加固后承載力、剛度和疲勞強(qiáng)度都提高了;同濟(jì)大學(xué)的商興艷［10］通過(guò)試驗(yàn)研究了L形外貼纖維片材加固震損的鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能;顧威、李宏男等［11］對(duì)加固的受損軸壓鋼管混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國(guó)外在CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)方面也進(jìn)行了深入研究，近幾年Badawi和Wahab提出一種內(nèi)嵌式的加固方法，即在混凝土構(gòu)件表面挖槽，在槽內(nèi)涂環(huán)氧膠，然后粘貼CFRP材料(圖4)，并對(duì)這種加固的構(gòu)件進(jìn)行了抗彎、抗剪和抗疲勞試驗(yàn)研究［12-14］，加固效果比外貼方式好。圖4內(nèi)嵌式加固方法Fig．4StrengthwithNSMCFRPproduct
2．2加固鋼結(jié)構(gòu)
在土木工程中，鋼結(jié)構(gòu)的損傷具有局部性和多發(fā)性等特點(diǎn)，且不可能立即退役。采用傳統(tǒng)的焊接和用螺栓、鉚釘連接加鋼板的加固方法存在焊接殘余應(yīng)力、削弱截面等很多弊端。采用碳纖維布進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，可手工完成，具有良好的耐腐蝕性，不會(huì)出現(xiàn)鋼板加固后的銹蝕現(xiàn)象。CFRP加固修護(hù)鋼結(jié)構(gòu)就應(yīng)運(yùn)而生，但是它起步晚，其研究和應(yīng)用均處于初始階段，主要是進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)值分析，試驗(yàn)研究很少。在梁的受拉面粘貼CFRP片材，提高其抗彎承載力和抗彎剛度;在梁的腹板粘貼CFRP片材，提高其抗剪承載力;對(duì)疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，提高剩余疲勞壽命;CFRP布環(huán)向纏繞鋼管柱，避免鋼管的局部失穩(wěn)，提高柱的抗壓承載能力;對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的加固以及結(jié)構(gòu)耐久性加固等。由于疲勞是鋼結(jié)構(gòu)損壞的主要原因之一，清華大學(xué)的鄭云、葉列平［15］對(duì)CFRP加固的含中央疲勞損傷裂紋的鋼板進(jìn)行了理論分析，計(jì)算得出其剩余疲勞壽命得到顯著提高。張寧等［16］通過(guò)試驗(yàn)研究分析得出拉應(yīng)力狀態(tài)下碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)K形焊縫，可改善鋼構(gòu)件的疲勞性能，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)疲勞構(gòu)件的使用壽命。對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼板的受拉疲勞試驗(yàn)研究［17］，分析了應(yīng)力比、CFRP板剛度、預(yù)應(yīng)力及粘結(jié)膠性能等因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明:加固后結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提高16倍以上。CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式仍然是以粘結(jié)層的剝離破壞為主，是影響CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)性能的重要因素，碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能直接影響加固效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在粘結(jié)端部，界面剪應(yīng)力最大，隨粘貼長(zhǎng)度的增大，界面?zhèn)鬟f的剪應(yīng)力減小，碳纖維復(fù)合材料受到的正應(yīng)力增大，承載力也逐漸提高，但當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度增大到一定值時(shí)，只是膠層彈性長(zhǎng)度增大，承載力不再提高。岳清瑞、彭福明等通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)(粘結(jié)材料選用雙組份環(huán)氧類粘結(jié)劑)對(duì)碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行了分析，最后得到了碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度為80mm～100mm。碳纖維與鋼構(gòu)件之間的粘接性能是碳纖維加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，但是加固鋼結(jié)構(gòu)膠粘劑材料的研究較少，成為制約這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究;碳纖維布端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，錨固顯得異常重要，尤其是在碳纖維布的端部，這個(gè)問(wèn)題也應(yīng)該深入研究。
3CFRP管材及其組合構(gòu)件的應(yīng)用研究
結(jié)構(gòu)的自重限制空間結(jié)構(gòu)向超大跨度發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑，CFRP材料在加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的良好表現(xiàn)，使人們認(rèn)可了其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的性能，研究能否將CFRP制成桿件用于空間結(jié)構(gòu)中，以跨越更大的跨度，具有重要的意義。2004年清華大學(xué)的錢鵬等［19］以日本Toray-TT00SC碳纖紗作為原材料，用鋁合金制作連接件，采用卷帶成型法制成了CFRP圓管。對(duì)CFRP桿件軸向進(jìn)行了受力試驗(yàn)，采用ANSYS軟件對(duì)桿件的進(jìn)行了分析計(jì)算，得出CFRP管的破壞形式。CFRP材料的各向異性使純CFRP桿件以節(jié)點(diǎn)連接破壞為主，不能充分發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)，且破壞具有脆性特征。2006年蔣燕等又提出了CFRP-鋁合金組合桿件［16］(由鋁合金管外包CFRP布制作而成)，對(duì)其進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)研究、軸心受壓穩(wěn)定試驗(yàn)研究和彎曲試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明:組合管的破壞模式與鋁合金管的破壞模式較為接近;組合構(gòu)件的彈性階段抗彎剛度和極限承載力比純鋁構(gòu)件大大提高。根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析得到了軸心受壓承載力計(jì)算公式和組合管局部屈曲承載力計(jì)算公式，并提出了組合構(gòu)件抗彎剛度的計(jì)算方法，建議了組合長(zhǎng)管軸壓穩(wěn)定承載力的計(jì)算方法�；谶@些桿件性能的基本研究，錢鵬等將CFRP-鋁合金組合桿件用于Keiwitt網(wǎng)殼和網(wǎng)架中［21］，運(yùn)用有限元的方法建立了網(wǎng)架和網(wǎng)殼的模型進(jìn)行了分析，得出組合管網(wǎng)殼的承載力和剛度比鋁合金網(wǎng)殼高，對(duì)幾何缺陷和非對(duì)稱荷載的敏感性都比較小，且自重比較小。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都認(rèn)為CFRP-鋁合金組合管發(fā)展?jié)摿薮�。從�?jīng)濟(jì)上看，CFRP-鋁合金組合管比鋁合金管要貴，但是長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效果要優(yōu)于鋁合金管，因此經(jīng)濟(jì)效益較好。鋁合金的無(wú)磁性和不與CFRP材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)也讓其代替鋼材成為這一組合管的首選材料。2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張亮泉等［22］以T700SC-12K碳纖維(日本東麗公司)和環(huán)氧樹(shù)脂為材料和基體，采用纖維纏繞成型工藝，正交對(duì)稱鋪設(shè)CFRP鋪層，設(shè)計(jì)了不同尺寸的CFRP圓管，并進(jìn)行了壓縮和拉伸試驗(yàn)，采用有限元軟件ABAQUS考慮單層纖維受拉斷裂、受壓屈曲和扭折、在橫向拉力和剪力作用下基體開(kāi)裂以及在橫向壓力和剪力作用下基體破碎，對(duì)CFRP圓管的破壞進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)總體吻合較好。得出受壓破壞以纖維受壓后扭折致使纖維折斷和基體開(kāi)裂為主要破壞模式，受拉破壞以纖維拉斷為主要破壞模式。這種CFRP管的性能如表1所示。張亮泉和歐進(jìn)萍［23］提出用上述方法制成的CFRP圓管建立平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們進(jìn)行了有限元分析(分析中均假設(shè)節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度不發(fā)生破壞，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生于桿件上)，得到隨著跨度的增加，CFRP網(wǎng)架的豎向位移明顯小于鋼網(wǎng)架，跨度越大越明顯，CFRP網(wǎng)架的跨越能力可提高30%;CFRP網(wǎng)架抗震性能優(yōu)于鋼網(wǎng)架。用Pushover分析方法分析CFRP網(wǎng)架失效模式得出，要充分發(fā)揮CFRP網(wǎng)架材料的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵因素是提高支座的變形能力。上述所有的分析都是建立在節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度不發(fā)生破壞的假設(shè)條件上，但是CFRP桿件之間的連接一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。2012年張亮泉［24］提出了一種由CFRP管材為受力主體，鋼板為端部支撐的新型組合構(gòu)件(圖5)。在構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)件之間仍然可以采用焊接節(jié)點(diǎn)和螺栓球節(jié)點(diǎn)，很好地解決了桿件之間的連接問(wèn)題。采用數(shù)值分析的方法研究其受壓性能，其抗壓承載力有很大的離散型，需要后期具體的模型試驗(yàn)才能確定其準(zhǔn)確的抗壓性能。
4CFRP索材的應(yīng)用研究
碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)筋材具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，已在橋梁工程中得到應(yīng)用，成為大跨度橋梁拉索的理想材料。因?yàn)镃FRP索只受拉力且為純CFRP材料成型，因此可以最大程度的發(fā)揮CFRP材料的力學(xué)性能。目前CFRP索主要應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中，國(guó)內(nèi)外有很多已經(jīng)建成的CFRP拉索斜拉橋，如表2所示。東南大學(xué)Rc＆Pc結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合相關(guān)單位完成了國(guó)內(nèi)第1座CFRP拉索斜拉橋(江蘇大學(xué)人行橋)的設(shè)計(jì)與建造，該橋全部拉索均采用CFRP材料。長(zhǎng)安大學(xué)的梅葵花、東南大學(xué)的呂志濤［25］采用解析法分析了CFRP斜拉索的靜力特性，發(fā)現(xiàn)CFRP拉索的垂度只有鋼索的1/5，使得拉索傾角和允許應(yīng)力相等時(shí)CFRP拉索的極限長(zhǎng)度是鋼索的5倍有余，拉索長(zhǎng)度相同時(shí)CFRP索的承載效率比鋼索高得多;隨著跨度的增大，鋼拉索承受外荷載的能力急劇下降，而CFRP拉索承受外荷載的比重仍非常高。梅葵花推導(dǎo)了斜拉索設(shè)計(jì)時(shí)待求參數(shù)的精確計(jì)算公式，并從精確解析式中直接得出忽略拉索彈性伸長(zhǎng)的近似解;建立了CFRP拉索的非線性參數(shù)振動(dòng)模型，采用數(shù)值分析的方法，分析了各種因素對(duì)拉索在參數(shù)振動(dòng)特性的影響，得出拉索振動(dòng)的拍頻、幅值與拉索靜拉力、激勵(lì)幅值以及阻尼等有關(guān)，且在參數(shù)振動(dòng)發(fā)生機(jī)率、參數(shù)振動(dòng)響應(yīng)以及抑制參數(shù)振動(dòng)難易程度上，CFRP拉索優(yōu)于鋼拉索。鑒于上述CFRP拉索相對(duì)于鋼拉索的優(yōu)勢(shì)，其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究越來(lái)越多，目前主要集中在CFRP斜拉橋和CFRP纜索懸索橋的研究。東南大學(xué)土木系通過(guò)具體的算例分析了1000m級(jí)斜拉橋的幾何非線性影響量，并計(jì)算了其在溫度荷載下的靜力反應(yīng);采用有限元法對(duì)比分析了CFRP索斜拉橋和鋼索斜拉橋的主要?jiǎng)恿μ匦�，提出了若干�?yōu)化CFRP斜拉橋的理論依據(jù)。東南大學(xué)的呂志濤主持了國(guó)內(nèi)首座CFRP索橋(江蘇大學(xué)人行橋)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究［27］，研制了黏結(jié)型CFRP拉索錨具，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究;研究了CFRP拉索的制作和安裝工藝并提出了拉索的張拉方案。江蘇大學(xué)的周士金等［28］對(duì)以蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)閰⒖紝?duì)象，建立斜拉橋的有限元?jiǎng)恿δＰ�，并采用等軸向剛度準(zhǔn)則將鋼索替換為CFRP索，與鋼索斜拉橋在同一地震波作用下的地震響應(yīng)差異和抗震性能，得到CFRP索斜拉橋的位移和內(nèi)力地震響應(yīng)值較小，在抗震性能方面具備一定的優(yōu)勢(shì);對(duì)首座CFRP索斜拉橋進(jìn)行了有限元分析和荷載試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，為CFRP索橋梁的動(dòng)態(tài)建模、動(dòng)態(tài)特性分析、抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)及CFRP新型纜索材料在橋梁工程中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。2006年鄭宏宇等［29］提出將CFRP索用在懸索橋中，并分析了CFRP拉索體系懸索橋的優(yōu)勢(shì)、可行性以及推廣和應(yīng)用所面臨的問(wèn)題。2011年?yáng)|南大學(xué)的馬文剛等［30］采用有限元建模的方法對(duì)鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋分別進(jìn)行了恒載、活載、溫度作用的對(duì)比分析計(jì)算，得出CFRP纜索懸索橋在恒載作用下的內(nèi)力和溫度作用下變形比鋼纜鎖小，但是由于剛度較小，在活荷載作用下豎向變形比鋼纜索橋大7%;2012年同濟(jì)大學(xué)的李揚(yáng)［31］基于分段懸鏈線法和通用有限元程序也對(duì)鋼纜鎖懸索橋和CFRP纜索懸索橋的靜力性能進(jìn)行了對(duì)比研究，得到了同樣的結(jié)論，且進(jìn)一步對(duì)CFRP纜索懸索橋的剛度進(jìn)行了參數(shù)分析，考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)包括橋跨布置方式、矢跨比、邊中跨比、主梁抗彎慣矩、橋塔抗彎慣矩和中央扣，提出了改善結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)的建議。CFRP索比重小、剛度小，其抗風(fēng)性能尤為重要，同濟(jì)大學(xué)的李揚(yáng)和肖汝成［32］用非線性有限元計(jì)算方法，對(duì)主跨2000m～5000m的鋼纜索和CFRP纜索懸索橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得到其抗風(fēng)性能確實(shí)比較差，必須采取相應(yīng)的改善措施。針對(duì)錨固困難、CFRP索造價(jià)高，用在斜拉橋中整體剛度低等問(wèn)題，同濟(jì)大學(xué)的熊文和肖汝誠(chéng)［33］提出CFRP與鋼組合截面斜拉索和CFRP與鋼組合結(jié)構(gòu)斜拉索兩種方案，前者是將CFRP與鋼形成組合截面斜拉索(圖6)，后者是將CFRP斜拉索與鋼斜拉索分別應(yīng)用于同一橋梁不同跨度區(qū)域，在保證兩種斜拉索良好力學(xué)性能的同時(shí)優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性能。綜上所述，CFRP材料作為超長(zhǎng)跨度斜拉橋的拉索材料與傳統(tǒng)的鋼拉索相比有很多優(yōu)勢(shì):強(qiáng)度大;相同條件下，CFRP拉索的承載效率比鋼拉索高得多;CFRP拉索的比重小，減輕基礎(chǔ)施工的難度。但作為一種新型材料，在使用上也存在一些問(wèn)題，CFRP的抗剪性能較差，導(dǎo)致CFRP索有折點(diǎn)時(shí)脆斷，且CFRP拉索的錨固非常困難，需要設(shè)計(jì)一種專門的錨具來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
5CFRP錨固系統(tǒng)的應(yīng)用研究
由于CFRP筋的橫向抗剪強(qiáng)度較低，常常發(fā)生橫向剪切破壞，導(dǎo)致無(wú)論是用作受壓構(gòu)件的CFRP棒材還是用作受拉構(gòu)件的CFRP索材都難以采用傳統(tǒng)的連接方式和錨固方式對(duì)其進(jìn)行連接和錨固，CFRP筋錨固體系的研發(fā)成為能否將CFRP材料應(yīng)用于實(shí)際工程的關(guān)鍵。因此，近幾年關(guān)于CFRP筋錨具的研究和開(kāi)發(fā)方面有不少研究。目前，國(guó)內(nèi)外研究的適用于CFRP筋(索)的主要錨具形式有粘結(jié)型、夾片型和復(fù)合型(夾片-粘結(jié)型)3種，粘結(jié)性錨具是其中性能比較穩(wěn)定，性能比較好也是已經(jīng)應(yīng)用到工程中的錨固形式。
5．1粘結(jié)型錨具
粘結(jié)型錨具由套筒、螺母、端堵和封蓋組成，其中端堵和封蓋上設(shè)有相對(duì)應(yīng)的定位孔，以使筋材相互間隔一定的距離并保持平行，典型的失效形式有兩種:CFRP筋破壞和CFRP筋從錨具中被拔出。后一種破壞應(yīng)該通過(guò)增強(qiáng)錨具的粘結(jié)性能避免，影響錨具粘結(jié)性能的主要因素有錨具形式、粘結(jié)長(zhǎng)度、填充材料等。國(guó)內(nèi)首座CFRP索斜拉橋采用的就是粘結(jié)型錨具，針對(duì)此錨具東南大學(xué)的呂志濤、梅葵花和江蘇大學(xué)的劉榮桂等都進(jìn)行了試驗(yàn)研究［34］，對(duì)采用樹(shù)脂封裝和微膨脹水泥封裝的直筒式和直筒加內(nèi)錐式錨具進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，對(duì)CFRP筋在不同的粘結(jié)長(zhǎng)度、不同錨具形式以及不同的填充材料等情況下的拔出荷載進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得到了這些錨具的荷載-滑移曲線。梅葵花提出了一種直筒式粘結(jié)型錨具的粘結(jié)應(yīng)力的分布模型，采用解析法分析了其極限承載力，采用有限元法分析了內(nèi)錐式和直筒+內(nèi)錐式錨具在其使用荷載下的受力性能。2006年同濟(jì)大學(xué)的薛偉辰和王曉輝［35］，通過(guò)48個(gè)拉拔試件對(duì)CFRP絞線筋與不同環(huán)境介質(zhì)之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并與鋼絞線進(jìn)行了比較。湖南大學(xué)的方志、蔣田勇和同濟(jì)大學(xué)的梁棟［36］，通過(guò)靜載試驗(yàn)研究了不同表面形狀和錨固長(zhǎng)度的CFRP筋在超高性能混凝土RPC、環(huán)氧鐵砂、環(huán)氧石英砂和普通混凝土等四種不同粘結(jié)介質(zhì)中的受力錨固特征，得出CFRP筋的表面形狀顯著影響其錨固性能，在其他條件相同時(shí)RPC對(duì)CFRP筋的錨固性能最好，并進(jìn)一步對(duì)其在RPC中的錨固性能進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)了一種以活性粉末(RPC)作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具，并對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，得出CFRP筋的表面形狀對(duì)以RPC作為粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)式錨具的錨固性能有著決定性影響，建立了平均粘結(jié)強(qiáng)度、平均粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量、臨界錨固長(zhǎng)度以及粘結(jié)滑移本構(gòu)模型等計(jì)算式，試驗(yàn)表明該錨具具有良好的抗疲勞性能。西安交通大學(xué)的侯蘇偉等［37］在大量試驗(yàn)研究和前人研究成果的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)錐型錨具，提出了一種以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)介質(zhì)的新型內(nèi)錐式錨具，并對(duì)其進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，證明新形粘結(jié)型錨具具有100%的錨固效率系數(shù)，且能安全通過(guò)疲勞試驗(yàn)。
5．2夾片型錨具
夾片型錨具由傳統(tǒng)鋼絞線錨具發(fā)展而來(lái)，主要由錨環(huán)、夾片、軟金屬管、CFRP筋等部分組成，由于CFRP筋的抗剪性能差，傳統(tǒng)夾片型錨具“切口效應(yīng)”明顯，在受荷端易發(fā)生夾斷破壞，應(yīng)做如下改進(jìn):夾片與筋材間增設(shè)軟金屬管，夾片與錨環(huán)間設(shè)置角度差，減小夾片傾角。夾片型錨具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、組裝方便，便于工程現(xiàn)場(chǎng)安裝。但滑移量較大，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，錨固效率較低。東南大學(xué)的丁漢山等［38］設(shè)計(jì)了一種單孔夾片式錨具，用來(lái)錨固單股CFRP筋并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中典型的錨具失效模式有兩種，一種為碳筋在有效張拉長(zhǎng)度范圍內(nèi)拉斷，另一種是碳筋在錨固區(qū)域被夾片剪斷，是應(yīng)避免的破壞模式。得出了錨固長(zhǎng)度、夾片與錨環(huán)之間的交角等對(duì)錨具錨固性能的影響。湖南大學(xué)的蔣田勇和方志也對(duì)傳統(tǒng)的夾片式錨具進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的夾片式錨具由凹齒曲面的夾片、錨杯、塑料薄膜以及薄壁鋁套管等組成，對(duì)不同錨杯傾角、預(yù)緊力、塑料薄膜、凹齒間距和深度以及鋁片厚度的錨具進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究［39］，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)試件的破壞形式有滑移破壞、夾斷破壞和拉斷破壞;對(duì)不同錨杯長(zhǎng)度和錨杯內(nèi)壁傾角的夾片式錨具進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)研究，得出該類錨具具有良好的動(dòng)力抗疲勞性能，錨杯內(nèi)壁傾角一定時(shí)，錨杯長(zhǎng)度越大，錨具組裝件的疲勞性能越好。西南交通大學(xué)的諸葛萍、侯蘇偉、強(qiáng)士中研制了CFRP筋?yuàn)A片式錨具，它由錨杯、4片夾片和金屬套管組成，對(duì)不同齒距的夾片、不同材質(zhì)和壁厚的套管以及不同的預(yù)緊力進(jìn)行了正交試驗(yàn)［40］，以考察不同參數(shù)對(duì)CFRP筋?yuàn)A片式錨具綜合錨固性能的影響，提出的CFRP筋?yuàn)A片式錨具理論計(jì)算，錨具性能穩(wěn)定，錨固效率系數(shù)高，抗滑移安全系數(shù)高，CFRP筋滑移量小，適用于錨固高強(qiáng)的CFRP筋。由于影響夾片式錨具的參數(shù)很多，而且相互之間是相互制約、相互影響，所以更優(yōu)的參數(shù)組合還有待于進(jìn)行更深入的研究與分析。
5．3復(fù)合型錨具
由于粘結(jié)型錨具和夾片式錨具在應(yīng)用到CFRP中有各自的局限性，研究的方向逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)合型錨具的研發(fā)和研究，目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少，只有湖南大學(xué)的蔣田勇、方志和北京工業(yè)大學(xué)的詹界東、杜修力做了一些試驗(yàn)研究。蔣田勇和方志［41］提出了復(fù)合式錨具，由楔緊錨固端和黏結(jié)錨固端組成，其中，楔緊錨固端包括錨杯、帶有凹齒的夾片、鋁套管以及塑料薄膜，粘結(jié)錨固端包括鋼套筒和黏結(jié)介質(zhì)活性粉末混凝土RPC，并對(duì)此錨具進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，研究了錨杯長(zhǎng)度、鋼套筒長(zhǎng)度、夾片預(yù)緊力、筋材預(yù)張拉力等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)復(fù)合式錨具錨固性能的影響。北京工業(yè)大學(xué)的詹界東等［42］也提出了一種夾片—粘結(jié)型復(fù)合式錨具，并進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)，驗(yàn)證了其良好的錨固性能。目前，對(duì)于錨固系統(tǒng)的研究，主要是通過(guò)改變形式、尺寸、粘結(jié)材料和錨固長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)錨具的形式，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)研究來(lái)獲得具體錨固形式的最終錨固性能，對(duì)于錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)理和內(nèi)部荷載傳遞機(jī)制研究不深入，而且錨固系統(tǒng)尺寸和重量較大，是阻礙CFRP索(筋)廣泛應(yīng)用的主要因素。
6結(jié)論
由于CFRP是各向異性的新型材料，其材料性質(zhì)與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)材料存在不同之處。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)CFRP材料在土木工程中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，為將CFRP在實(shí)際工程中得以應(yīng)用和推廣還有以下問(wèn)題亟待解決:(1)粘結(jié)材料:加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，主要的破壞形式是CFRP布從鋼結(jié)構(gòu)表面剝離，粘結(jié)界面受力比較復(fù)雜，鋼板與碳纖維復(fù)合材料之間的粘結(jié)力是一種復(fù)雜的相互作用。膠粘劑材料的研究較少，成為制約這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的主要問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。(2)碳纖維布和鋼結(jié)構(gòu)的端部錨固:碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)端部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且不能像加固混凝土?xí)r打入錨筋加以錨固，所以在碳纖維布端部的錨固至關(guān)重要。(3)成型工藝:CFRP棒材和索材是應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中絕佳材料，但是其成型工藝不成熟，制成的桿件力學(xué)性能離散型較大，且造價(jià)高。4)連接與錨固:CFRP抗剪性能較差，出現(xiàn)彎折時(shí)容易發(fā)生脆斷，錨固問(wèn)題是阻礙其廣泛應(yīng)用到工程中的關(guān)鍵問(wèn)題，目前研發(fā)的錨固系統(tǒng)尺寸較大，不能有效地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中。
