外贴玄武岩纤维布加固T型混凝土梁的抗弯破坏试验研究

摘要:以探讨模拟桥梁T型混凝土梁外贴连续玄武岩纤维布加固的抗弯效果为研究目的，通过预制9片T型混凝土梁分三组试验梁体直接贴布状态下的抗弯和恒载作用下梁底腹板贴布后抗弯过程，观测构件在各受力阶段的力学性能指标和现象，对粱的跨中挠度、承载力、裂缝形态、破坏特征和纤维布应变等进行了研究，并分析对比了几种因素对加固效果的影响。

关键词: 玄武岩纤维布;加固;混凝土;梁;抗弯;破坏

第一作者简介:余少华，男，江西省交通设计院，南昌，330002.高级工程师，主要从事公路交通勘察设计工作，研究方向桥梁结构

1 前言

外贴纤维复合材料加固法是采用纤维增强塑料片材对混凝土构件进行修复加固的新技术，也是当今世界各国正在积极探索的研究方向。目前我国土木工程中常用的是碳纤维增强复合材料，玻璃纤维增强复合材料和芳纶纤维增强复合材料[1、2]。新型玄武岩纤维[3]有较高抗拉强度和弹性模量;抗冲击性能好，可广泛用于军事装备，防爆设施和桥梁墩柱的加固工程；抗疲劳抗动载性能好；同时还有优越的物理学性能，具有较强的耐酸、耐碱和耐化学腐蚀性能和电绝缘性能,良好的粘合性、耐热性等，非常适于土木工程结构或构件使用,在混凝土结构抗震加固方面应用是一个理想的选择[4-6]。

本文以探讨模拟桥梁T型混凝土梁外贴连续玄武岩纤维布加固的抗弯效果为研究目的，预制3组共9片T形简支混凝土试件梁，分别采用试验梁体直接贴布状态下的抗弯和恒载作用下梁底腹板贴布后抗弯过程，观测构件在各受力阶段的力学性能指标和现象，对粱的跨中挠度、承载力、裂缝形态、破坏特征和纤维布应变等进行了研究，并分析对比了几种因素对加固效果的影响。籍此研究结果有助于玄武岩纤维布在桥梁、建筑等加固工程技术的应用。

2 试验材料

2.1 混凝土T形梁

2.1.1试件的尺寸

试验共浇注9根钢筋混凝土T形简支梁，试件的尺寸为：梁高32.5cm、翼缘厚度4cm、翼缘宽39.5cm、腹板厚度为4.5cm（如图1所示），计算跨径4875mm。混凝土设计强度均为C25。试验中采用HRB335级钢筋及光圆钢筋：纵筋采用、架立筋采用。

图1钢筋混凝土T形简支梁横、纵截面配筋图（单位:cm）

2.1.2试件梁的制作

所有试件均在预制梁厂进行浇筑、养护。采用钢模板进行一次性浇筑，在浇筑构件的同时，每个构件预留150mm×150mm×150mm的立方体试块3块，24小时后拆模。在每个构件试验前一天或当天进行抗压试验测得混凝土立方体抗压强度为25.4―26.8MPa,其余强度指标按有关规定进行换算。试件在拆模后连续7天每日浇水，之后自然养护。

2.2 玄武岩纤维布

采用横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维布BUF9-300,其技术参数如下表:

表1 玄武岩纤维布技术参数

产品规格 单位面积重量 名义设计厚度 抗拉强度 弹性模量 延展率 比重

BUF9-300 300 g/m2 0.109 mm ≥2100 MPa ≥93 GPa ≥93.1% 2.7 g/cm3

2.3 粘贴胶

试验采用的粘结胶是湖南固特邦公司生产的JN-C碳纤维加固专用胶，系A、B两组分改性环氧树脂类胶粘剂，由JN-CS碳纤维粘贴底胶、JN-CE碳纤维粘贴找平胶、JN-C3P碳纤维浸渍粘贴胶三个胶种组成，分别在加固施工各工序中使用，其具体的参数性能如下表:

表2 加固专用胶性能

3 试验

3.1试验方案

试验主要考虑了加固纤维布和梁体受力后等因素对钢筋混凝土梁的受弯破坏特征、极限承载力、挠度等力学性能的影响。加固的效果主要是体现在梁体刚度的变化以及裂缝形态两个方面，为此我们设计了三组试验：第1组梁体编号L1～L3中进行的是梁未贴布加固直接加载试验，即未加固时正常使用状态下的承载力和极限承载力状态下的承载力分析；第2组梁体编号L4～L6是在不进行应变等效的情况下粘帖一层玄武岩纤维布进行加固后加载试验，第3组梁体编号L7～L9在进行应变等效的情况下粘帖一层玄武岩纤维布，即加载方式是加载裂缝出现后贴布加固再二次加载试验。

3.2玄武岩纤维布的粘贴工艺

外贴纤维布加固混凝土结构，纤维布的粘帖技术对其加固效果有很大影响。结合国内外在纤维布粘帖工艺方面的研究和实践成果，试验中采用了如下的常用纤维布加固施工流程：准备工作基底处理涂刷底胶、找平胶和浸润树脂粘帖纤维布养护。

本试验考虑了试件的二次受力，对于二次受力加固的试件。在试验过程中为防止胶和纤维布因自然重力下垂，试验用表面光滑的木板，并在板上贴一层硬质塑料布防止纤维布和木板直接胶结在一起，粘帖完纤维布之后立即贴上木板并用木棍把木板支撑住，使纤维布和试件粘结良好，所有贴布试件两端均用两个U型玄武岩纤维布进行锚固，在粘帖U型箍处进行轻微倒角，使U型箍和试件充分的接触。

3.3 试验装置布置

试验采用简支两点对称加载形式，通过分配梁在三分点上加载。

3.4 加载方式

3.4.1 未加固试件梁受弯极限承载力试验

该组试验主要测试未加固梁试件L1～L3的力学性能。首先计算梁截面抗弯强度及开裂弯矩，进而求解出极限承载力和开裂荷载的理论值如下式所示： 。

由于是在三分点上进行两点加载故：。

根据理论计算公式：、

对预加载程度考虑了4种水平，分别预加开裂荷载、、、，在达到每级荷载水平后测量结构的挠度、应变及裂缝宽度等力学性能。

试验时在主梁腹筋弯起点处进行加载。在开裂前以1kN进行加载，待达到开裂荷载之后以每级0.5kN加载至，至之间以每级2.5kN进行加载，至之间以每级1.5kN进行加载。每级荷载加载间歇为10分钟，以确保试件得到充分的变形直到稳定。

3.4.2 直接加固试件梁受弯极限承载力试验

第2组中梁体L4～L6是研究在加载卸载过程下对试件梁进行直接贴布后，梁体在达到承载力极限状态下的极限荷载以及正常使用极限状态下的极限荷载等相关力学特性。

首先对试件梁进行贴布待胶体完全固结时以2kN进行加载至正常使用极限状态，而后加载至构件破坏。混凝土构件达到下列破坏标志之一时，即认为达到承载力极限状态：受压区混凝土压碎；玄武岩纤维布被拉断；玄武岩纤维布与混凝土发生剥离破坏。

3.4.3 模拟活载作用后卸载至恒载作用时的加固梁受弯试验

第3组试验时在主梁腹筋弯起点处进行加载。在开裂前以1kN进行加载，待达到开裂荷载之后以每级0.6kN加载，结构变形充分后粘贴纤维布。待胶体完全固结后以2kN进行加载直结构达到正常使用极限状态；而后以2kN进行加载直至构件破坏。

4 试验结果及其分析

4.1 粘贴纤维布对梁体的挠度影响

上述梁抗弯挠度试验结果总汇表3列示如下。

三组试验结果荷载―挠度关系表明作为对比参照的第1组中梁L1～L3在纵筋屈服时跨中挠度分别为7.9mm、8.4mm及8.0mm，之后挠度急剧增长，破坏时跨中挠度分别为100.5mm、105.5mm 及100.4mm，平均值为102.1mm。与对比梁相比所有加固梁L4～L9的跨中挠度较为缓慢，其中第2组L4～L6号梁破坏时的挠度为61.4mm、65.6mm及66.7mm，平均值为64.6mm，较对比第1组降低了36.7%；第3组L7～L9号梁破坏时的挠度分别为74.1mm、72.8mm及70.8mm，平均值为72.6mm，较对比第1组降低了28.9%。对比分析可见，粘贴玄武岩纤维布加固使构件的抗弯刚度有了明显的提高，加载后贴布比直接贴布加固后梁体的刚度有所降低。以上分析可知，玄武岩纤维布加固梁的刚度在不同阶段提高的程度不同，在受拉区混凝土开裂之前，混凝土梁的荷载-挠度曲线近似为直线，混凝土的刚度

表3梁抗弯挠度试验结果

保持不变；受拉区混凝土开裂之后，开裂时第1至第3组的平均挠度值分别为2.17mm、1.70mm及2.20mm，由于玄武岩纤维布的存在抑制了裂缝的开展，因此梁的刚度有了一定程度的提高；纵筋屈服后，曲线再次出现拐点，玄武岩纤维布在梁体受弯中发挥的作用逐渐增大，一方面是由于玄武岩纤维布在钢筋屈服后承受所有的拉应力，代替了钢筋的作用；另一方面玄武岩纤维布对裂缝扩展具有较明显的抑制作用，因此混凝土梁在这一阶段的抗弯刚度有了显著的提高。

4.2 粘贴纤维布对梁体承载力的影响

在所有梁体加载至正常使用极限状态时，第1组中L1～L3号梁所对应的荷载值分别为35.3kN、37.4kN及36.0kN，平均值为36.2kN；第2组中L4～L6号梁所对应的荷载值分别为43.3kN、43.5kN及43.0kN，平均值为43.3kN，承载力提高了19.6%；第3组中L7～L9号梁所对应的荷载值分别为37.0kN、37.5kN及35.5kN，平均值为36.7kN，承载力提高了5%；说明加载出现裂缝后贴布对梁体进入正常使用阶段状态时的承载能力并无显著的提升。相应的进入承载力极限状态时第2组的平均极限承载力提高了14.6%，第3组的平均极限承载力提高了6.5%。

4.3 粘贴纤维布对梁裂缝形态的影响

正常使用极限状态对应于结构或结构构件到达正常使用或耐久性能的某项规定限值。当结构或构件出现下列之一时，即认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观变形；影响正常使用或耐久性的局部损坏；影响正常使用的振动；影响正常使用的其它特定状态。对于本试验采用允许最大裂缝宽度作为判别钢筋混凝土T梁进入正常使用极限状态的依据，即钢筋混凝土受弯构件在荷载组合作用下，出现的最大裂缝宽度不应超过0.2mm。

所有试验梁在纯弯段内均出现明显的弯曲裂缝，与对比梁第1组相比，加固梁在加载过程中裂缝发展较为缓慢，裂缝数量较多而且比较密集，宽度远远小于对比梁。另外，在荷载增加至一定阶段，加固梁纯弯段多数裂缝底部出现了分叉现象并向水平方向发展，故随着荷载的持续增加，加固梁将发生混凝土保护层剥离破坏。根据表4试验裂缝实测结果数据可知粘贴玄武岩纤维布对试验梁裂缝发展有明显的约束作用。

表4 试验梁裂缝实测结果

4.4 粘贴纤维布对试件梁破坏形态的影响

试验梁的破坏模式表现为以下三种:第1组对比梁L1～L3的破坏模式属于典型的适筋梁受弯破坏模式，钢筋屈服后受压区混凝土被压碎;第2组加固试验梁L4～L6均发生了混凝土保护层剥离破坏，同时梁底玄武岩纤维布被拉断，这种破坏模式是由于钢筋在屈服后随着荷载的不断增加玄武岩纤维布的拉应变超过其最大应变值，使其发生了断裂,并且由于混凝土表面水平裂缝的不断扩展最终导致梁底混凝土保护层剥落，剥落段主要出现在梁体纯弯段内;第3组加固试验梁L7～L9均在梁底跨中混凝土-胶体截面上发生剥离开，这种破坏模式一般是由于胶体作用于混凝土表面剪应力和正应力的合力作用引起的，并且在剥离后玄武岩纤维布发生断裂。所有加固梁的破坏模型均表现为脆性破坏。

4.5梁底纤维布应变

玄武岩纤维布的应变发展也可分为三个阶段。混凝土开裂后对玄武岩纤维布的应变的影响表现的不为明显；混凝土开裂至受拉钢筋屈服前阶段玄武岩纤维布的应变随着荷载的增长发展比较缓慢；钢筋屈服后，随着玄武岩纤维布在承担荷载中发挥的作用越来越大，玄武岩纤维布的应变发展速度显著加快。第2组L4～L6其玄武岩纤维布被拉断时应变值分别达到了15108、15294和14953，分别是玄武岩纤维布极限拉应变17916的84.3%、85.4%和83.5%，说明第2组玄武岩纤维布能较显著的发挥其自身的抗拉性能。第3组L7～L9其玄武岩纤维布被拉断时应变值分别达到了11547、10970和10245，分别是玄武岩纤维布极限拉应变17916的64.5%、61.2%和57.2%，说明第3组由于混凝土与玄武岩纤维布胶界面处发生脱离后玄武岩纤维布能充分的发挥其自己的抗拉特性导致加固效果不如第2组明显。

5. 结论

以上进行试验及其分析可得出主要结论如下：外贴玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁破坏时的挠度较未加固的对比梁组有明显降低，证明粘贴玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁的可行性和有效性，但粘贴方式对加固效果有差异，出现裂缝后贴布加固的效果比未加载直接贴布加固的效果稍差；外贴玄武岩纤维布加固梁在一定的程度上能提高承载能力；粘贴玄武岩纤维布对试验梁裂缝发展有明显的约束作用；外贴玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁随着荷载增大钢筋屈服后，玄武岩纤维布在承担荷载中发挥的作用越来越大，被拉断时应变值可达到其极限拉应变的80%以上，其后断裂导致梁底混凝土保护层剥落而破坏；所有加固梁体的破坏模式均为表现为脆性破坏。

参考文献

中华人民共和国国家标准.GB/T21490-2008 结构加固修复用碳纤维片材[S].北京:中国标准出版社,2008.

中华人民共和国国家标准.GB/T21491-2008 结构加固修复用芳纶布[S].北京:中国标准出版社,2008.

3．张 敏、吴 刚、蒋语楣、田野、胡显奇.连续玄武岩纤维增强复合材料力学性能试验研究[J].高科技纤维与应用,2007

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。