一、彎折問題分析

工程實際中，CFRP纜索可能處于彎曲狀態(tài)，也可能處于彎折狀態(tài)，它們對應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(fā)生點接觸，存在著相應(yīng)的折角。

實際工程中，CFRP筋發(fā)生彎折的現(xiàn)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(fā)生變化而導(dǎo)致CFRP吊索在錨固連接處發(fā)生的小角度彎折問題；懸索橋施工過程中，邊跨散索套產(chǎn)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(xiàn)象；作為拉索應(yīng)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(xiàn)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(shù)

CFRP筋在彎折狀態(tài)下抗拉強度折減系數(shù)根據(jù)彎折狀態(tài)對應(yīng)的彎折抗拉強度和直線狀態(tài)下的抗拉強度進行計算，因此，需對這兩種抗拉強度進行精確測試。其中，直線狀態(tài)抗拉強度又是CFRP筋最主要的性能參數(shù)，其真實的抗拉強度就現(xiàn)有技術(shù)（包括發(fā)達國家的有關(guān)規(guī)范中的測試技術(shù)）而言很難測定，目前對CFRP筋材進行強度測試所需錨具主要采用以膨脹混凝土為填充介質(zhì)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(qū)CFRP筋表面會因混凝土-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(fā)揮，由此測得的抗拉強度偏小，為此，本文開發(fā)了新型的施壓粘結(jié)型錨具，用它對CFRP筋的抗拉強度進行測試可獲得較為真實的結(jié)果。該錨固體系由開槽鋼夾板及高強螺栓構(gòu)成，如圖2a所示。

CFPR筋試件錨固端為環(huán)氧樹脂膠，由灌注在鋼管中的膠體凝固后脫模而得，如圖2b所示。組裝后的錨固體系件圖2c。環(huán)氧樹脂膠體硬度與CFRP筋相近，其化學(xué)和物理性質(zhì)也與筋材中的基體材料相近，因此，只要施加在錨固區(qū)的壓應(yīng)力大小適度，施壓粘結(jié)型錨具在理論上能使CFRP筋的強度獲充分發(fā)揮。試驗表明，當錨固長度為300mm時，只要對錨固區(qū)施加100MPa的壓應(yīng)力即可使筋材的抗拉強度獲充分發(fā)揮。試件加載方案參照日本JSCE-E531-1995的相關(guān)規(guī)定，該規(guī)范對CFRP筋的加載速度建議為每分鐘100～500MPa/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(shù)據(jù)采集儀控制加載速度。

靜載張拉試驗開始后，先對試件施加5%的極限承載力后再卸載，接著開始張拉，每一級荷載對應(yīng)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?zāi)Ｐ鸵妶D3a，試件破壞狀態(tài)見圖3b。試驗結(jié)果見表1圖3b的破壞為爆斷式破壞，說明施壓粘結(jié)型錨具能使CFRP筋的抗拉強度獲充分發(fā)揮。表1表明，采用文中新型錨具測定的抗拉強度明顯高于用普通的內(nèi)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(nèi)普通測試技術(shù)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(fā)的測試方法更加可靠，說明利用施壓粘結(jié)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(guān)研究參考該新技術(shù)測定CFRP筋抗拉強度。

三、試驗設(shè)計

CFRP筋彎折抗拉性能測試結(jié)果可為評估發(fā)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(tài)下的極限抗拉強度，對多種折角對應(yīng)的彎折強度進行測定，可了解CFRP筋材在工程實際中發(fā)生彎折時其抗拉強度的折減情況。

1.試驗?zāi)Ｐ?

試驗?zāi)Ｐ图鞍惭b作如下設(shè)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，若采用普通夾片式錨具（錨固效率一般小于95%），則最后的破壞狀態(tài)可能發(fā)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(jīng)測定，該錨具的錨固效率超過95%[14]。錨固端傳力用工字型鋼梁和鋼臺座均通過預(yù)應(yīng)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(dǎo)致CFRP筋折角的變化，對所需的錨固力進行了計算，根據(jù)計算結(jié)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行了監(jiān)控，以評估鋼梁和臺座是否發(fā)生了能改變彎折角大小的，不允許發(fā)生的位移。折角大小通過移動模型中的鋼掛套進行調(diào)節(jié)。為避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)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，為避免彎折處圓弧半徑對測試結(jié)果的影響，試驗?zāi)Ｐ蛷澱厶幉捎幂^小的圓弧半徑，為10mm。

2.試驗工況及加載方案

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(tài)下的破壞位置，用高性能攝像機對加載過程進行了拍攝，事后通過慢鏡頭放映確定具體破壞位置。實際工程中彎折狀態(tài)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(fā)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行了測試，每種工況均設(shè)置3個試件，本文第2部分直線狀態(tài)對應(yīng)的測試結(jié)果即為折角為0°時的結(jié)果。通過實測可最終確定上述四種折角狀態(tài)下CFRP筋材的彎折抗拉強度折減系數(shù)。加載方案同第二部分第三段。

四、試驗結(jié)果

加載過程中，試驗?zāi)Ｐ蛢蓚?cè)鋼梁和臺座的滑移監(jiān)測結(jié)果見圖5，對應(yīng)試件折角為3°，其它試件的監(jiān)測結(jié)果相似。圖5表明，左側(cè)鋼梁發(fā)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(cè)鋼梁和臺座幾乎未發(fā)生滑移，所有構(gòu)件的滑移量在試件發(fā)生破壞后恢復(fù)到加載前的初始狀態(tài)，表明測得的滑移量為鋼梁及臺座的彈性變形而已，各構(gòu)件的微小滑移不會造成彎折折角的變化，對試驗結(jié)果不影響。試件的破壞形態(tài)如圖6，呈爆斷式破壞，說明在極限拉力下，筋材破斷點發(fā)生在筋材自由段，而不發(fā)生在錨固區(qū)，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(fā)揮；另外，攝像記錄也表明，試件開始破壞的位置發(fā)生在彎折點處。因此，測得的極限狀態(tài)對應(yīng)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(jié)果見表2和圖7。圖7中，srr為彎折抗拉強度折減系數(shù)，srbfacutrff，為折角。根據(jù)試驗結(jié)果，擬合出了CFRP筋材彎折抗拉強度折減系數(shù)經(jīng)驗公式(式1)，擬合曲線見圖7，呈線性分布。10.065srr(1)結(jié)果表明，若CFRP筋材在應(yīng)用過程中處于彎折狀態(tài)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(tài)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(guān)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，只有其抗拉強度的5%左右，當在彎折狀態(tài)下受很大的拉力作用時，折角處產(chǎn)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(dǎo)致破壞的直接因素是剪力而非拉力。因此，在彎折狀態(tài)下，折角處的剪力對破壞起控制作用。在極限實際工程應(yīng)用時，CFRP纜索彎折抗拉強度折減系數(shù)的計算建議參考(1)式。由此可見，發(fā)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(jié)語

對CFRP筋材的真實抗拉強度精確測試方法和筋材彎折性能進行試驗研究后得出如下結(jié)論：(1)現(xiàn)有的內(nèi)填膨脹混凝土鋼管錨具CFRP筋抗拉強度測試技術(shù)，其測試結(jié)果嚴重偏低，采用本文的新方法進行測試，其結(jié)果較前者至少提高了9%。(2)CFRP筋材發(fā)生彎折時，其抗拉性能較直線狀態(tài)折減明顯，當彎折角為3°時，彎折抗拉強度折減系數(shù)為0.811，該系數(shù)與彎折角之間可用線性關(guān)系進行表示，實際工程應(yīng)用時，筋材彎折抗拉強度折減系數(shù)的評估建議參考(1)式。(3)CFRP筋材在土木工程應(yīng)用過程中，即使存在較小的彎折角，彎折狀態(tài)對抗拉性能的影響也不可忽略。

作者：諸葛萍 章子華 丁勇 盧彭真 單位：寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院