【摘要】CFRP布材的生产工艺相当成熟，广泛用于混凝土结构的加固。利用CFRP布施加预应力可更加充分发挥其高强耐腐蚀性能。本文对CFRP布材施加预应力的可行性进行了分析和说明，并通过了具体试验介绍了进行的CFRP布材预应力平板的试验情况。并对有待深入研究的内容作了归纳。
　　关键词 CFRP布 锚具 预应力平板 预应力张拉
　　1、概述
　　工程实践表明，CFRP复合材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，正被越来越广泛的应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构中。应用的方式有两种：一是直接应用于新建结构中，二是用于旧有结构的维修加固，以取得良好的经济效益[1]～[3]。
　　我国于1996-1997年正式对CFRP用于土木建筑结构进行研究，并在1998所开始了实际的工程应用，至今国内已有近十个科研院所、十余所高等院校，对其技术性能进行了研究，取得了大量的科研成果。但国内的研究成果和对象基本上以结构加固和修复为主。与国外已开展采用CFRP代替钢筋和预应力筋或索的使用相比已明显落后，有必要开展相关的应用研究[2][4]。
虽然抗拉强度高和弹性模量低使得CFRP筋束非常适合于施加预应力，但它还有高度的非均质性和脆性的缺点，这非均质性使其极易在预应力锚固时发生破坏，而其脆性则在施加预应力时比钢材更加危险。迄今为止还没有一种锚固系统能保证所有的CFRP力筋达到最佳预应力传递，这也是在对CFRP预应力锚固体系研究内容之一。
　　目前对CFRP作为预应力材料的研究主要集中在开发相关预应力锚具的同时，进行高性能CFRP材料的研制与开发。而作为较先应用于结构工程的CFRP片材，其应用和开发已十分成熟，而且应用相当普遍。高性能混凝土的应用，尤其是自流平混凝土的应用，借助已成熟的布材CFRP和预应力技术的结合，将会给CFRP材料和预应力技术提供新的应用方式和思路。本文主要介绍作者正在研制的CFRP材料，进行平板结构性能的研究和施工工艺的研究。采用CFRP布作为预应力材料的研究目前尚未见相关报道[5]～[8]。
　　2、CFRP布材预应力的优点及意义
　　碳纤维增强塑料（CFRP）由于其高强度和优良的抗腐蚀和耐久性等优点，国内外都在开展其替代钢材的应用研究，但多局限于将CFRP作为体外加固材料使。随着近年来CFRP材料开发技术的成熟，其价格的迅速下落给CFRP在结构上的应用提供了很好的机遇。　　　　CFRP作为预应力筋的想法也由来又久，但是由于CFRP表现出来的脆性使得对其锚固相当困难[4][7]。为此，作者在避开需要预应力锚具的CFRP筋材，改用技术成熟的CFRP布材进行施加预应力的研究。
　　如果采用布状CFRP形式施加预应力，具有如下优点：
　　（1） 不需要锚具，或开发出相关的垂直加压设备代替筋材所需要的锚具，从而节省锚具费用；
　　（2） 利用片状材料自身施加预应力，能避免采用常规锚具时的断裂现象；
　　（3） 布状CFRP由于具有较大的表面积，可提供与混凝土间的足够接触面积，因此可以很好地保证CFRP与混凝土完全充分的粘结；
　　（4） 通过织物布状交错张拉可方便实现纵向和横向施加预应力；
　　（5） 布状CFRP灵活的布置和相对少的空间占用，可避免因过多钢筋所导致的施工不便。
　　国内外对CFRP布材作为预应力材料使用的研究目前尚未见到报道。本文公将混凝土平板作为研究对象，对采用布材施加预应力时平板受力和截面性能作一介绍，为CFRP布材作为预应力的更大范围推广使用提供理论依据。在结构工程和桥梁工程中的平板结构中，包括预制和现浇法，采用先张法对CFRP布材预应力技术可起到更加理想的效果。这一方法对采用CFRP布进行预应力张拉的结构加固也具有借鉴意义。
　　3、CFRP布材施加预应力效果
　　试验采用上海怡昌碳纤维材料有限公司生产的同固牌的CFRP布，型号为CFC2-2。
　　材料参数如下：
　　产品厚度 碳纤维种类 抗拉强度 抗拉弹性模量 断裂延伸率 单位面积重量 布宽度
　　0.17mm T-700-12K ≥3500MPa 220GPa 1.8% 200g/m2 100mm
　　与CFRP筋材不同，由于CFRP布薄而宽，对CFRP布施加预应力必须克服其张拉不均匀性。试验张拉采用作者设计的装置进行，并由柳州欧维姆机械股份有限责任公司加工。图1中的照片1和2分别显示了不均匀张力所导致的CFRP布部分纤维发生破坏时的情况。图2中的照片显示了克服不均匀张拉的效果。图3中的照片显示是3条CFRP张拉后埋置于混凝土平板中进行加载前的情景

　　根据CFRP厂家提供的材料性能参数，在进行了两次试张拉后，进行CFRP布预应力混凝土平板施工。该平板尺寸为2040×600×80mm，采用两条CFRP布作为预应力材料，纵向有4根φ6的构造钢筋，横向设有间距为190mm的构造钢筋，如图4所示。

　　通过测试，CFRP布张拉应力为2117Mpa，约为抗拉强度的0.6。通过实时监测，得到最终有效张拉力为1529MPa，约为抗拉强度的0.45。通过对有效跨度为2000mm的三分点加载抗弯试验。图5中的照片显示了CFRP布材预应力平板静力加载破坏时的情景。

　　4、 结论及展望
　　1） 研究的关键在于CFRP布材施加预应力的效果及预应力混凝土平板的结构行为特性。为达到这一目的，需要解决采用CFRP布材施加预应力的有效途径。
　　2） 通过两次试张拉和最后预应力混凝土平板的施工时的第三次张拉，表明对CFRP布施加预应力完全可行。
　　3） 常规的CFRP材料作为预应力材料通常是采用棒材，相应会出现生产相关的特殊锚具的问题。采用布材后，利用自身摩擦力施加预应力对于混凝土构件预制行业来说可实现不需要 预应力锚具的优点。
　　4） 由于CFRP只在一个方向的抗拉性能突出，又为避免采用整片CFRP布导致混凝土施工困难的问题，采用CFRP布条作为预应力材料，通过布条交错，实现传统式的钢筋网的效果。
　　5） 若对布材施加预应力时，正交布置CFRP布材可实现垂直两个方向同时施加预应力的效果，且这种方式更有利于CFRP布材的布置和混凝土的施工。同时更有利于CFRP布材与混凝土间的粘结，保证CFRP与混凝土间有效的共同受力。
　　6） 采用CFRP布材施加单向或双向预应力时，已无传统布筋时的钢筋保护层厚度要求，根据需要可配置一层或多层片材，但需要确定与普通钢筋混凝土合理配置。
　　以上 CFRP新型材料与预应力技术相结合，将其应用于较为合理配置平板结构中，能充分发挥CFRP材料性能、预应力技术、混凝土平板三部分的优点。考虑到片材与平板结构的结合可能会带来施工的不便，需要结合高性能混凝土------自流平混凝土进行配合施工。即当基层凝土浇筑完后，再铺设CFRP布材并进行张拉，然后再在其上浇筑混凝土面层。这种先张法对于工厂大规模预制具有较高的经济效益。
　　5、有待深入研究内容
　　要真正将CFRP布作为预应力材料应用于混凝土结构中，还需要深入研究，包括CFRP片材对平板结构施加预应力后的结构行为、受力基本特征和破坏机理，以及相关计算方法等。因此需要对下述内容开展深入研究：
　　（1） 对CFRP布材施加预应力相关技术的研究，包括施加预应力的更合理方式，施加预应力装置的设计和加工，预应力大小的计算和监测，相应钢筋配置计算。
　　（2） 进行不同CFRP布预应力大小的结构受力性能试验研究，提出合理的平板受力行为特性和计算模式。
　　（3） 合理的设计方法与施工工艺研究，有利于尽快将CFRP布材这一成熟材用于料结构中，开展CFR布材用于梁式结构或其他结构中的可行性。为CFRP布材预应力平板结构的推广使用提供更充分的理论依据。

　　 感谢柳州欧姆机械股分有限责任公司加工和提供的全套张拉装置。
　　 感谢上海怡昌碳纤维材料有限公司提供试验用CFRP布材

　　参考文献
　　[1] 郑宏，戴自强，赵彤。纤维增强塑料材料在预应力混凝土结构中的应用・建筑开发，1991（10）：13-14，37
　　[2] 顾履恭。混凝土结构用纤维增强聚合物在国外的开发和应用。2001，32（5）：310-313
　　[3] 于清。FRP的特点及其在土木工程的应用。哈尔滨建筑大学学报，2000，33（6）：26-30
　　[4] 玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法，中华人民共和国国家标准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] 魏广胜译.美国的纤维增强组合桥面板. 国外公路，2001.2：21-23