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(jìn)行計算，因此，需對這兩種抗拉強度進(jìn)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(dá)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行了計算，根據(jù)計算結(jié)果施加適當(dāng)大小的錨固力；加載過程中，還對臺座和鋼梁的滑移情況進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)而說明夾片式錨具對筋材的細(xì)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(dāng)折角為1.5°時，較筆直狀態(tài)抗拉強度低11.2%，當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(yán)重偏低，采用本文的新方法進(jìn)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(dāng)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(jìn)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