二次受力下CFRP嵌入式加固钢筋混凝土梁试验研究

摘要：本文通过4根试验梁抗弯试验，其中1根为对比梁，3根预裂程度相同的加固梁进行分析，试验结果显示各构件梁在用CFRP板嵌入法加固后，刚度均有较大提高，裂缝宽度和挠度值也明显减小，极限承载力得到显著提高。说明CFRP嵌入式加固受损钢筋混凝土梁是行之有效的。

关键字：二次受力；碳纤维板；极限承载力；加固

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

近年来，考虑二次受力的 FRP 加固混凝土梁正截面承载力的试验研究越来越受到关注。相关研究表明，不同加载历程对钢筋混凝土梁承载力的提高程度有着不可忽视的影响[1-3]。由于实际工程下经常会对梁在不同损伤情况下进行加固[4-6]，针对这种情况，本文通过对不同试验参数、不同预裂程度下的钢筋混凝土梁进行的CFRP板表层嵌贴加固试验，分析不同试验参数、不同预裂程度下对应变、挠度以及正截面抗弯承载力提高程度的影响，为 CFRP 板表层嵌贴加固理论的完善提供试验数据和理论参考。

1 试验概况

1.1 试验试件

本次试验共浇筑了4根梁，其中一根为对比梁，试验梁的具体试件尺寸见图1。

表1 设计试件

注：加固梁预裂程度均为20%。

表2 钢筋材料性能表

表3碳纤维板和结构胶力学性能指标

图1 试验梁的试件尺寸

混凝土采用150×150×150 mm3立方体试块，其28d力学性能指标由RMT-201岩石与混凝土力学试验压力机测得，抗压强度24.3 MPa（C20试验平均值）；CFRP板采用CFC3碳纤维板及TGJ01结构胶。钢筋材料性能见表2，CFRP板性能见表3。

主要测量：荷载～位移曲线、钢筋应变、碳纤维板应变、跨中挠度、混凝土应变、裂缝开展情况。

1.2 试验过程

试验采用200 kN电液伺服压力机，纯弯段长为400 mm，通过采取两点加载，见图2。为保证分配梁上安置标定后的压力传感器正常工作。对比梁按3 kN/级加载，加固梁调整2 kN/级。并在加固试件处于弹性阶段（混凝土开裂）、混凝土压碎至钢筋屈服（钢筋屈服点）和钢筋屈服至梁破坏（极限荷载）处，降低每级荷载荷载值，以记录较为准确受损梁试验数据。随后继续下一级加载。

图2 试验梁测点布置图及加载仪器

2 试验结果及分析

2.1破坏形态分析

根据本次试验的实际观测可知，CFRP加固梁粘结界面失效破坏，可根据发生部分的不同细分为以下三种形式：1、CFRP板～胶层界面破坏。产生这类破坏的原因是由于CFRP板～胶层界面抗剪强度小于胶层～混凝土界面抗剪强度；2、开槽附近混凝土开裂引起的剥离破坏。破坏主要发生在混凝土抗拉强度低的试件中；3、胶层～混凝土界面破坏。这是因为CFRP板嵌贴长度太短而使胶层～混凝土界面抗剪强度不足而发生的破坏。现将各构件破坏特征汇总与表4中，并附上梁主要破坏形态如图3、图4。

图3 剪切破坏图4 弯曲破坏

表4 各试验梁破坏特征汇总表

注：A：剪切破坏；B：弯曲破坏；C：端部混凝土开裂引起的剥离破坏；D：胶层界面破坏。

从表4分析可知，在其他因子均相同的情况下（预裂程度、混凝土强度，配筋率等），CFRP板的嵌贴方式及嵌贴长度的差异对梁的最终破坏形态影响较大。

2.2 钢筋及碳纤维板应变分析

由图9分析可知，总体而言，各试验梁的钢筋屈服荷载均保持在70kN左右，钢筋屈服点约为1490με，说明梁的钢筋屈服荷载仅与钢筋本身性能有关，加固梁L2、L3、L4在钢筋屈服之前，其钢筋应变斜率均远远小于对比梁。由L2碳纤维应变与钢筋应变分析可知，钢筋与碳纤维在加固过程中共同发挥作用。在试件弹性阶段，碳纤维板斜率远大于钢筋应变斜率，说明在加载初期碳纤维即已发挥作用，加载中期直至碳纤维板破坏弹出，两者均共同分担试件荷载。

图9L1、L2、L3、L4受拉钢筋跨中处应变曲线

由图10分析可知，总体而言，L2、L3、L4在加固过程中碳纤维板的应变曲线基本一致，而L3、L4的碳纤维应变曲线斜率发展明显比L2要大，说明在碳纤维相同用量的情况下，开槽方式（2槽2板的碳纤维应变发挥比1槽2板要强）对碳纤维板的强度发挥有较大影响，而嵌贴长度在800mm~ 1000mm之时，对碳纤维板的强度发挥影响较小。

图10L2、L3、L4碳纤维板跨中处应变曲线

由上述分析可知，加固梁的钢筋斜率均大于对比梁，这是因为在加固过程中，碳纤维板与钢筋协调作用承担上部荷载，提高了梁的整体刚度；而开槽方式的不同，布置方式（2槽2板）的碳纤维发挥比1槽2板的要强的多。但本文对碳纤维板的嵌贴长度未作深入研究，但相关文献表明[7]，碳纤维板的应变发挥均有一个最佳的嵌贴长度。

2.3 跨中挠度分析

各试验梁的跨中挠度变化情况见图11，由图11分析可知，在弹性阶段，L1、L2、L3、L4的挠度相差不大，是由于碳纤维板的作用在此阶段发挥不明显。在混凝土开裂后的第二阶段及受拉纵筋屈服后的第三阶段，经碳纤维板加固过得梁L2、L3、L4挠度缓慢增大，而对比梁（L1）的挠度快速加大，而且随着外荷载的继续增大，此现象更为显著。产生此现象的本质是：加固梁的抗弯刚度变大了，碳纤维板的嵌入等同于加大了梁的受拉钢筋的面积，在受力纵筋屈服以后此现象最为明显。且碳纤维板同时起到了抑制裂缝发展的作用。

图11 各试验梁的跨中挠度变化图

2.4 极限承载力分析

表5 各试验梁极限承载力对比表

由表5可知，加固后梁的极限承载力均有所不同程度提高，其增幅为10.2 %～21.6 %，数据离散性较大。通过对L2和L4的数据分析可知（仅CFRP板嵌入方式不同，L2为两根碳纤维板嵌入一个槽，L4为两根碳纤维板分别嵌入两个槽），极限承载力的提高程度，L4要明显优于L2，分开嵌入CFRP板加固的效果更佳；通过对L3和L4的数据分析可知（仅CFRP板的嵌贴长度不同），极限承载力的提高程度随着CFRP板长度的增加而增加，但并不成正比变化。总体而言，用碳纤维板嵌入法加固预裂钢筋混凝土梁对于极限承载力的提高是有效的。

3 结论

各构件梁在用CFRP板嵌入法加固后，刚度均有较大提高，裂缝宽度和挠度值也明显减小。说明CFRP板嵌入法加固开裂钢筋混凝土梁（预裂程度为20%），可有效的抑制裂缝的开展和减小挠度，对实际工程的加固应该是有效可行的。

各加固梁在嵌入CFRP板后，碳纤维板与钢筋协调作用承担上部荷载，提高了梁的整体刚度；而开槽方式的不同，布置方式（2槽2板）的碳纤维发挥比1槽2板的要强的多。

总体而言，用碳纤维板嵌入法加固预裂钢筋混凝土梁对于极限承载力的提高是有效的。就本次试验而言，极限承载力提高最低为10.2 %，最高为21.6 %，但并不成线性变化。

参考文献：

[1] 曾祥蓉，江世永.基于ANSYS的预应力CFRP布加固混凝土梁有限元分析[J].后勤工程学院学报, 2004, 3:38-40.

[2] 美国ANSYS公司中国分公司. ANSYS结构非线性分析指南[M].2001.

[3] Malek A Saadatmanesh H and Ehsani M. (1998). “Prediction of

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concentration at the plate end.” ACI Street J 95(1): 142-152.

[4] ARDUINI M, NANNI A. Parametric study of beams with externally

bonded FRP reinforcement [J]. ACI Structural Journal, 1997, 94

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[5] 曹国辉，方志，吴继峰. FRP 片材加固钢筋混凝土梁二次受力试验研究[J]. 建筑结构, 2005, 35（3）：30-32.

[6] 王文炜，赵国藩，黄承逵，等. 碳纤维布加固已承受荷载的钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究及抗弯承载力计算[J]. 工程力学，2004，21（4）：172-178.

[7] 吴刚.FRP加固钢筋混凝土结构的试验研究与理论分析[D].南京:东南大学博士学位论文，2002.