桥梁支座表层特性研讨

本文作者：郑宇宙，王兴国，陈红强 单位：河南理工大学土木工程学院

近年来，纤维增强聚合物材料(FiberReinfo-rcedPolymer，以下简称FRP)因其具有轻质高强、耐腐蚀等优点而被广泛应用于混凝土结构加固，其中内嵌FRP材料加固法有诸如：不易剥离破坏、抗冲击、耐火等诸多优点而成为研究的热点[1―4]。目前，内嵌FRP材料加固混凝土梁主要集中于简支梁研究[5―8]，然而实际工程中悬臂构件也较多[9]，悬臂梁表层嵌粘(Near-SurfaceMounted，以下简称NSM)FRP材料的研究较少。因此，本文通过对悬臂梁支座区域附近表层内嵌FRP筋，研究其改善性能。

1试验设计

1.1试验梁的设计与制作本试验中的试验梁均设计为矩形截面，其混凝土设计强度为C30，截面尺寸为：b×h=150mm×250mm，梁长3200mm，侧跨净跨为2000mm，悬臂长为1000mm。其配筋为：受力主筋采用214的HRB335级钢筋，架立筋也为214的HRB335级钢筋；箍筋为8的HPB235级钢筋，间距100mm，关于试验梁的尺寸和配筋设计方案如图1所示。

1.2加固试验方案本试验加固材料采用玄武岩纤维(BasaltFiberRe-inforcedPolymer，以下简称BFRP)筋与碳纤维(CarbonFiberReinforcedPolymer，以下简称CFRP)筋，在悬臂端负弯矩区嵌入1200mm长的FRP筋进行抗弯加固，粘结材料采用环氧树脂胶粘剂。由于悬臂梁悬臂端受剪切作用影响较大，故部分试验梁在其侧面开槽内嵌BFRP筋进行抗剪加固，在悬臂端支座处(负弯矩区)梁体两侧内嵌250mm长的BFRP筋。本文通过不同FRP筋类型、是否进行抗剪加固及不同的加固量和是否施加初始荷载等试验参数对悬臂梁支座附近弯、剪性能进行试验研究，具体方案如表1。

1.3测点布置与加载方案悬臂端支座处受拉钢筋和FRP上均粘贴应变片，如图2所示。试验梁荷载通过手动千斤顶、分配梁和反力架提供集中荷载得以实现。加载通过分级的方式对试验梁施加荷载，在加载前进行预加载，使得试验梁的各个部位结合密实。具体的测点布置和加载方案如图2所示。

2试验结果

悬臂梁内嵌FRP筋加固后，由于FRP-混凝土间粘结性能较佳，并未发生剥离破坏，试验梁的破坏模式均为混凝土受压破坏；且试验梁通过加固后，其承载力得以提高，裂缝开展和变形得以控制。

2.1承载力分析表2为各试验梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的实测值。由于未进行基准梁对比试验，通过理论计算提供未加固基准梁RB的承载力数据，其计算开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别为7.64kN、21.67kN和22.8kN。与未加固基准梁RB相比，梁CN1、梁CN2、梁CN3和梁CN4的屈服荷载分别提高了22.3%、24.6%、15.4%和6.2%，极限荷载分别提高了64.2%、53.2%、64.2%和48.9%，但开裂荷载则并未与屈服荷载、极限荷载表现的相同，梁CN1显示提高了4.7%，而梁CN2、梁CN3则分别降低了14.9%、1.8%。梁CN2、梁CN3均为侧面开槽内嵌FRP筋进行弯剪加固的试验梁，由此可见侧面开槽可能会对试验梁的混凝土造成损伤，影响其开裂荷载，并且也将对试验梁屈服荷载、极限荷载产生细微的影响，从而掩饰了BFRP筋与CFRP筋加固效果的差别；而通过梁CN3、梁CN4承载力相比，二次受力梁CN4在持续荷载作用下加固后承载力的增幅效果有所降低，但通过总体比较，内嵌FRP筋加固悬臂梁能够有效的提高其承载力。

2.2变形分析图3所示为各试验梁的悬臂端荷载-挠度曲线对比图。在钢筋屈服前相同荷载作用下，梁CN2、梁CN3悬臂端挠度大于梁CN1的挠度，并且梁CN2大于梁CN3的挠度。由于梁CN2、梁CN3为侧面开槽进行弯剪加固的试验梁，梁CN2侧面抗剪加固量大于梁CN3，其侧面开槽将会削弱试验梁的刚度，进而影响试验梁的挠度，而且随着开槽数目的增加对挠度的影响也将越明显，由此可见，悬臂梁在进行弯剪加固时，其侧面开槽数目将会影响其悬臂端挠度。而梁CN4在钢筋屈服前挠度也较大于梁CN3，所以在进行加固时，应尽量卸除梁体上的荷载。

2.3悬臂端FRP与钢筋的应变分析图4为各试验梁悬臂支座处受拉面嵌粘的FRP筋与钢筋荷载-应变曲线对比，图4中F代表为FRP，S代表为钢筋。梁CN2、梁CN3和梁CN4与梁CN1有所不同，因为梁CN2、梁CN3和梁CN4是同时进行弯剪加固的试验梁，由于侧面内嵌抗剪FRP筋与梁体表层内嵌抗弯FRP筋形成桁架-拱模型[10]，从而约束抗剪FRP筋之间的混凝土受力，进而影响钢筋的受力，内嵌抗弯FRP筋参与更多抗弯工作,分担了更多的应力。由图4可见，侧面内嵌FRP加固会对抗弯加固效果产生部分影响，从总体来看，悬臂梁受拉区及支座附近侧面嵌粘FRP效果较好，改善了相应性能。由图4可看出，四根加固梁，无论是采用BFRP筋材，还是采用CFRP筋材进行加固，内嵌FRP筋材在荷载加载过程中，都能很好地发挥FRP筋材的性能，曲线主要分3个阶段：1)试验梁开始加载到混凝土开裂阶段；2)混凝土开裂后到钢筋屈服阶段；3)钢筋屈服到试验梁极限破坏阶段。这3个阶段和钢筋应变曲线特征是一致的。混凝土开裂前为弹性阶段且承载力主要由混凝土承担，所以FRP筋的应变曲线呈直线且应变值较小；第2阶段，混凝土开裂后，混凝土开裂退出工作，承载力由钢筋与内嵌FRP筋承担，内嵌FRP筋分担了钢筋部分应力，所以FRP筋的应变变化比较大；第3阶段，钢筋屈服后，承载力变成了主要由内嵌FRP筋承担，因此在此阶段FRP筋的应变值较大。由此可见，内嵌FRP筋对悬臂梁抗弯性能的提高效果较佳。

3结论

(1)通过承载力分析，内嵌BFRP筋、CFRP筋能够提高悬臂梁支座附近的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，尤其对于极限荷载影响较为明显，试验梁的极限荷载提高了53.2%~64.2%，其中BFRP筋、CFRP筋由于试验梁的破坏模式均为混凝土受压破坏其加固效果并无较大差别，内嵌FRP筋加固悬臂梁支座附近区域对其承载力提高是有效的。(2)内嵌FRP筋对悬臂梁的挠度有较好的抑制作用。侧面开槽嵌粘BFRP筋加固混凝土梁，会对悬臂梁的刚度产生影响，进行悬臂梁受拉面、梁侧面嵌粘加固的试验梁挠度值大于未进行梁侧面嵌粘加固的试验梁，且随着侧面嵌粘FRP加固量的增加，其影响的效果越明显。(3)内嵌FRP筋能够很好的分担钢筋的应力，进而提高悬臂梁的承载力，但同时进行侧面开槽嵌粘加固的试验梁，由于侧面嵌粘FRP筋的约束作用，对试验梁的受拉面加固产生了一定影响，对其承载力的提高产生了一定削弱效果。(4)持续荷载作用下嵌粘FRP筋加固梁的承载力小于无初载作用的试验梁，悬臂端挠度大于无初载作用加固梁。由此可见，钢筋混凝土梁加固时，如果不卸除荷载进行加固，将会削弱加固效果，建议在进行加固前尽量卸除荷载。