碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)力学性能优良，化学性能稳定，具有高强、轻质、耐腐蚀、弹模高、比重小等特性，其热膨胀系数与混凝土相近，被广泛应用于混凝土结构加固^[1-4]。普通FRP材料对混凝土构件的约束属于“被动约束”，只有在混凝土充分膨胀下，FRP材料才开始发挥约束作用，存在一定程度的应力滞后，FRP材料的高强性能得不到充分发挥。预应力CFRP布加固技术是一种主动加固方法，利用CFRP的高强度特性，使得环向约束的混凝土柱处于主动三向受压状态，提高了混凝土柱的承载能力、抗震能力、耗能能力、延性性能^[5-6]。

目前对CFRP材料的预应力损失研究主要集中在其加固梁的试验研究上^[7-22]，对加固柱的预应力损失试验研究较少^[23]。杨勇新^[11]等通过对7根混凝土梁碳纤维布放张后的预应力损失研究，提出了预应力损失的计算式及减小预应力损失的相关措施；许晓^[14]等通过分析预应力碳纤维布加固技术产生预应力损失的机理，对加固工艺进行了改进；朱永祥^[15]等建立了预应力长期损失的增量微分模型预测预应力的长期损失；黄侨^[18]等基于国内外规范及研究成果，提出了预应力纤维复合材料加固的参数取值及损失计算方法，并检验了其可行性与可靠性；尚守平^[21]等通过自主研发的张拉和锚固装置加固H型钢梁并取得较好的加固效果；周长东^[23]等通过预应力CFRP布环向约束混凝土圆柱的预应力损失试验发现，预应力损失主要是来自于摩擦损失、碳纤维布松弛损失，而混凝土收缩徐变、锚具回缩引起的预应力损失可忽略不计。为了对CFRP布加固圆柱预应力损失进一步研究，本研究主要从预应力度大小、圆柱表面粗糙度、圆柱的直径大小以及CFRP布表面有无涂胶这4个方面来研究和分析。为预应力碳纤维布加固设计提供参考。

本试验试件采用素混凝土圆柱，直径分别为305 mm和240 mm。CFRP布及与CFRP布配套的浸渍黏结胶由某材料公司生产，CFRP布型号为CFS-I-300，厚度为0.175 mm。测得的混凝土、CFRP布以及浸渍胶的材料力学性能指标如表 1所示。

在文献[24-25]的基础上，对该自锁式锚具进行改进如图 1所示，锚具主要由锚片、高强螺栓组成，且锚具的端部两边粗、中间细，这样可避免包裹碳纤维布并对其施加预应力时纤维布发生错动，且端部加粗也可防止对螺栓施加扭矩时发生弯曲。

图 1 锚具装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of anchorage device

预应力加载方式通过同步拧螺杆使锚具向内靠拢，对碳纤维布施加预应力。预应力度通过监测锚具端两侧应变片的应变值控制，预应力度为锚具端两侧测点的应变均值与纤维布的极限拉应变的比值。

本试验在温度差为±5 ℃范围、恒湿条件下测试。图 2(a)是CFRP布环向包裹直径为305 mm(图左)和240 mm(图右)圆柱时应变片位置图。应变片按逆时针顺序编号。在图 2(a)左图中，测点1(9)为锚具端位置，测点5为锚具最远端位置；在图 2(a)右图中，测点1(7)为锚具端位置，测点4为锚具端最远端位置。图 2(b)，(c)为纤维布上应变片布置的展开图，利用对称性，图中只显示的纤维布一半长度范围内应变片布置情况(如1→2→3→4→5、1→2→3→4)。应变片连接在DH3816静态电阻应变采集仪上。

图 2 纤维布上应变片布置示意图(单位:mm) Fig. 2 Schematic diagram of arrangement of strain gauges on fiber sheet(unit:mm)

预应力损失的测试分为摩擦损失、松弛损失两部分。摩擦损失的测试，首先在测试前将静态应变采集系统平衡并调至初始值为“0”，并设定每隔1 s定时采样。然后开始同步拧上下锚杆，并启动采样按钮，当应变值达到所控制的应变值停止施加预应力；预应力松弛损失的测定为当张拉完预应力后，每隔30 min采集一次数据。当相同位置不同时间段采集的应变值之差小于10 με，每隔6 h采集一次，直到应变差值小于2 με，隔12 h采集一次，测试周期为30 d。

表 2是本研究中预应力损失试验的试件参数。本研究针对摩擦损失、碳纤维布应变随时间变化的松弛损失这两个因素进行试验研究。摩擦损失是在施加预应力的过程中由于混凝土和纤维布表面发生相对滑动产生摩擦力阻碍纤维布中预应力的传递，导致距离锚具张拉端越远处纤维布的预应力越小。由文献[23]可知，摩擦损失影响因素主要包括预应力度大小、圆柱直径大小、圆柱表面粗糙度。表面粗糙度一种情况是柱表面不做处理, 另一种是在柱表面涂抹浸渍黏结胶至胶体固化后的表面，涂胶后柱表面光滑平整。

应力松弛是材料塑性变形形态的反映。由文献[23-24]可知，碳纤维布长期的应变松弛损失因素主要包括预应力度大小、圆柱直径大小、碳纤维布有无涂胶。CFRP布表面涂胶是当加完预应力时立即涂胶。CFRP布表面不做处理。

由文献[23]可知，摩擦损失与柱表面的粗糙程度、预应力、圆柱半径大小有关。本试验中碳纤维布锚具近端与最远端处均贴有应变片(见图 2)并连接至静态应变采集系统测量其应变值。

本试验摩擦损失结果见表 3，其中碳纤维布锚具端与最远端处的应力值为对应位置处的应变值乘以碳纤维布弹性模量；摩擦损失量为碳纤维布锚具端应力与锚具最远端处应力之差。摩擦损失比为摩擦损失量与碳纤维布锚具端应力值的比值。

从表 3中数据可看出：在其他条件相同时，预应力越大、圆柱直径越小、圆柱表面越粗糙，摩擦损失值越大。

图 3是不同参数情况下预应力CFRP布上各测点应变分布曲线，从图中可以看出，碳纤维布上应变随着距张拉端距离增加而减小。随着预应力度增加，曲线斜率增大，斜率为摩擦损失率，斜率越大，摩擦损失越大。

图 3 应变分布曲线 Fig. 3 Curves of strain distribution

预应力度的影响：预应力度越大，摩擦损失越大。从表 3可知，YZT2240-1的摩擦损率为33.8%，YZT1240-1的摩擦损率为28.8%；YZW 1240-2的摩擦损率为37.8%，YZW2240-2的摩擦损率为40.2%；YZT2305-1的摩擦损率为32.8%，YZT1305-1的摩擦损率为26%。由此可见，预应力度为10%的摩擦损失率比预应力为20%的摩擦损失率降低5%左右。

圆柱表面粗糙度的影响：圆柱表面涂胶比不做处理的摩擦损失小。通过表 3知，YZT1240-1的摩擦损失率为28.8%，YZW1240-2的摩擦损失率为37.8%；YZW2240-2的摩擦损失率为40.2%, YZT2240-1的摩擦损失率为33.8%；YZT2305-1的摩擦损失率为32.8%，YZW2305-2的摩擦损失率为37.1%。这说明圆柱表面涂胶，能有效减少摩擦损失。

圆柱直径大小的影响：圆柱直径越大，摩擦损失越小。根据表 3可以看出，YZT1240-1的摩擦损失率为28.8%，YZT1305-1的摩擦损失率为26%；YZW2240-2的摩擦损失率为40.2%，YZW2305-2的摩擦损失率为37.1%；YZT2240-1的摩擦损失率为33.8%，YZT2305-1的摩擦损失率为32.8%。直径越大的圆柱产生的摩擦损失越小。

分析上述数据发现，当预应力度大小与圆柱直径相同时，将柱表面涂胶可降低摩擦损失比5%~7%，对摩擦损失的影响最大；预应力度大小的影响次之，预应力度由0.2降至0.1，可降低摩擦损失比3%~5%；柱直径大小对摩擦损失的影响最小，柱直径由240 mm增大至305 mm，可降低摩擦损失比1%~3%。

图 4为不同条件下CFRP布应力损失随时间的变化曲线。图中纵坐标轴上“0”表示张拉结束后测点的初始松弛应力值，纵坐标负半轴表示松弛损失量在增大。表 4为碳纤维布长期的应力松弛损失量。其中松弛率为张拉结束后碳纤维布总松弛损失量与初始预应力值之比。

图 4 碳纤维布应力损失值-时间关系 Fig. 4 Stress loss of CFRP sheets vs. time

从图 4中可看出，碳纤维布锚具近端测点松弛损失幅度最大，而锚具远端测点处的松弛损失幅度最小。

对于CFRP布表面涂胶，由表 4可知，总松弛损失量为22.1~40.5 MPa，总松弛损失量是当松弛损失处于稳定时，CFRP布上所有测点的松弛损失之和的平均值。其中预应力松弛损失过程分为3个阶段：胶体固化前、胶体固化后、松弛损失趋于稳定阶段。

第1阶段，从涂胶到完全固化这个过程需要12 h左右，松弛损失量占总松弛损失量的60.4%以上。

第2阶段，12 h至100 h之间为胶体固化后CFRP布的应力损失阶段。在100 h左右CFRP布松弛损失量占总松弛损失量的81%~87%。这是因为胶体的黏结和固化后作用，阻止了碳纤维布自由收缩，松弛幅度变小，松弛损失稳定时间缩短。

第3阶段，400 h以后应力损失变化小于0.24 MPa，曲线趋于平缓，此阶段损失量占总损失量的98.5%以上。

对于CFRP布表面没涂胶情况，由表 4可知，总松弛损失量为30~52.1 MPa，绝大部分松弛损失量在12 h左右均小于CFRP布表面涂胶情况。当达到100 h左右松弛损失量达到总松弛量的72%~83.6%。

从松弛损失的发展趋势来看，发现CFRP布表面有无涂胶对松弛损失的影响主要发生在第1、2个阶段，当测试到400 h左右，CFRP布表面有无涂胶影响不明显。

CFRP布表面有无涂胶影响：由表 4可以看出，YZT2240-2在12，100，400 h的平均松弛量均大于YZT2240-1。且在12 h左右，YZT2240-1的松弛量达到总松弛量的67.7%，而YZT2240-2的松弛量达到总松弛量的57.2%。所以CFRP布表面涂胶的松弛损失小于CFRP布表面没涂胶。

预应力度大小的影响：在CFRP布涂胶的情况下，将YZT2240-1与YZT1240-1对比，从表 4中发现，YZT2240-1在12，100，400 h的平均松弛量均大于YZT1240-1；在CFRP布不涂胶的情况下，将YZW2240-2与YZW1240-2对比，由表 4可知，YZW2240-2在12，100，400 h的平均松弛量均大于YZW1240-2。这说明预应力越大，松弛损失量越大。

圆柱直径大小的影响：在CFRP布不涂胶的情况下，将YZT2305-2与YZT2240-2对比，从表 4中发现，YZT2240-2在12，100，400 h的平均松弛量均大于YZT2305-2。将YZW2305-2与YZW2240-2对比，发现YZW2240-2在12，100，400 h的平均松弛量均大于YZW2305-2，近似2倍关系。这说明直径越大，CFRP布越长，松弛损失量越小。

分析上述数据发现，圆柱直径大小和预应力度对松弛率的影响最大，柱直径由240 mm增大至305 mm，可降低松弛率1.9%~3.6%；预应力度对松弛率的影响程度基本与柱直径相同，预应力度由0.1增加至0.2，松弛率降低1.8%~3.5%，但随着预应力度的增大，总松弛损失量也有所增大；CFRP布表面是否涂胶对松弛率的影响最小，布表面涂胶可降低松弛率0.5%~1.1%。

表 5为各类参数的预应力损失量。从表中可知，在摩擦损失和松弛损失这两大影响因素中，发现摩擦损失占主要部分，摩擦损失占总损失值的76.4%以上，CFRP布表面涂胶情况下的预应力松弛量较不做处理的情况小。

圆柱的直径大小影响：由表 5可知，在CFRP布表面不涂胶情况下，YZT2305-2的总损失值为268.7 MPa，其中摩擦损失为239 MPa，而YZT2240-2的总损失值为296.3 MPa，其中摩擦损失为248.5 MPa。YZW2305-2的总损失值为310.8 MPa，其中摩擦损失为279.2 MPa；而YZW2240-2的总损失值为355.1 MPa，其中摩擦损失为303.5 MPa。在CFRP布表面涂胶的情况下，YZT1240-1的总损失值为145.2 MPa，摩擦损失为110.9 MPa，而YZT1305-1的总损失值为128 MPa，摩擦损失值为106.1 MPa。YZT2305-1的总损失为265.1 MPa，其中摩擦损失值为239 MPa，而YZT2240-2的总损失值为296.3 MPa，其中摩擦损失值为248.5 MPa。因此直径越小，预应力总损失值越大，摩擦损失越大。

预应力度大小影响：由表 5可以看出，在CFRP布表面涂胶情况下，YZT2240-1的总损失值为288.7 MPa，其中摩擦损失为248.5 MPa，而YZT1240-1的总损失值为145.2 MPa，其中摩擦损失为110.9 MPa；在圆柱表面没涂胶情况下，YZW2240-2的总损失值为355.1 MPa，其中摩擦损失为303.5 MPa，而YZW1240-2的预应力总损失值为201.6 MPa，其中摩擦损失为163.3 MPa。这说明预应力度越大，摩擦损失越大，相应的总损失值越大。

圆柱表面有无涂胶影响：由表 5可见，在CFRP布表面均不涂胶情况下，YZT2240-2的总损失值为296.3 MPa，其中摩擦损失占预应力总损失的83.9%；YZW2240-2的总损失值为355.1 MPa，其中摩擦损失占预应力总损失的85.7%。这说明圆柱表面不涂胶，总损失值越大。

CFRP布表面有无涂胶：由表 5可知，对于YZT2240-2，在CFRP布表面不涂胶的情况下，总损失值为296.3 MPa；对于YZT2240-1在CFRP布表面涂胶的情况下，总损失值为288.7 MPa。这说明CFRP布表面涂胶，能有效减小CFRP布的松弛损失。

分析上述数据发现，在预应力损失中摩擦损失占主要部分，摩擦损失占总损失比值的76.4%~90.1%，松弛损失所占比例较小，占总损失比值的9.9%~23.6%；圆柱表面是否涂胶对总损失值占总预应力值比值的影响最大，当其他条件不变时，圆柱表面涂胶可降低总损失比的4.2%~6.8%；圆柱直径的影响程度次之，柱直径由240 mm增加至305 mm，总损失比降低1.9%~6.3%；预应力度的影响程度低于柱直径，当预应力度由0.2降低至0.1时，总损失比降低1.6%~5%；CFRP布表面是否涂胶对总损失比的影响最小，将CFRP布表面涂胶可降低总损失比的0.5%~1%。设计时应采取柱表面涂胶，增大柱直径等方式减少摩擦损失，提高有效预应力，取得更好的加固效果。

通过本试验得出以下结论：

(1) CFRP布加固圆柱的预应力损失主要来源于摩擦损失，该项损失占总损失的76.4%以上，而CFRP布应力松弛损失相对较小，占总损失的9.9%~23.6%。

(2) 在其他条件相同情况下，圆柱直径越小、预应力度越大、以及CFRP布表面不涂胶，预应力损失值越大。

(3) 在其他条件相同情况下，预应力度越大、圆柱直径越小、CFRP布表面不涂胶，松弛损失越大。CFRP布表面有无涂胶对松弛损失的影响，主要发生在胶体固化后100 h内，其后影响不明显。

(4) 根据试验结果分析，减少CFRP布预应力损失的措施有：对加固圆柱表面涂胶；CFRP布表面涂胶；改善施工工艺，进一步减少张拉过程中的预应力损失。