CFRP 加固钢筋混凝土T 形梁抗剪性能试验研究

石风俊，李军锋，曲福来，杜中华

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

在实际工程中，很多原因会导致钢筋混凝土梁的抗剪能力不足.而剪切破坏是脆性破坏，因此应该对其进行加固，以防止发生剪切破坏.在所有的加固材料中，纤维增强聚合物(FRP)材料因其轻质、高强、耐腐蚀的性能而广泛应用于混凝土结构的加固中［1］.国内外许多学者对钢筋混凝土T 形梁的影响因素进行了研究.结果表明当加固量达到一定程度时，抗剪承载力的提高程度与加固量的增加不成正比，且加固后梁的脆性明显增加［2－3］.

为了模拟实际工程中梁受荷载作用存在裂缝的受力状态，在实验室内制作了一批钢筋混凝土梁对其进行预裂后再采用碳纤维布(CFRP)加固，通过加载试验研究其抗剪性能.

1 试验概况

1.1 试验梁的设计

设计了6 根钢筋混凝土T 形梁，长度为2 300 mm，纵向受力钢筋为HRB335 级钢筋，箍筋为HPB235级钢筋、间距200 mm.钢筋材料性能见表1，梁试件的截面尺寸设计如图1 所示.在浇筑构件的同时预留了150 mm × 150 mm × 150 mm 和150 mm ×150 mm×300 mm 的伴随试块.试块与混凝土梁在相同条件下进行养护，在构件试验当天测得混凝土的实际抗压和抗拉强度.混凝土原材料采用普通硅酸盐水泥，普通河砂，连续级配的碎石(最大粒径20 mm)，混凝土的强度为C50.

表1 钢筋力学性能

图1 试验梁尺寸及配筋(单位:mm)

1.2 钢筋混凝土T 梁的预裂

为了模拟实际工程中梁的受力状态，在加固前对试验梁进行了预裂.采用三分点集中加载方式，预裂荷载以梁的极限承载为参照，辅以计算调整因混凝土强度造成的变化，预裂荷载以极限荷载的75%和最大裂缝宽度不超过0.2 mm 加以控制［4］.试验梁的实测开裂荷载Pcr、预裂荷载Pre以及预裂裂缝的分布统计特征参数(条数、平均宽度lcr和最大高度hcr，按A/B 面统计)见表2.因为其中一根对比梁在运输过程中损坏了，所以只剩下一根对比梁.

表2 试验梁混凝土强度及预裂荷载主要测试结果

1.3 加固设计与加载试验

CFRP 性能指标见表3.对CFRP 粘贴面和棱角进行打磨处理，参照GB 50367—2006 对加固梁进行设计［5］.为了防止梁先发生正截面破坏，沿梁跨长方向增加CFRP 布置，宽度为120 mm.U 形箍的尺寸和粘贴方式见表4，其加载位置如图2 所示.为了充分发挥U 型箍的强度在U 型箍端部加纤维压条.

表3 CFRP 的性能指标

表4 试验梁的加固情况

试验梁的加载采用三分点集中加载，如图2 所示.加载至预裂荷载后，以每级16 kN 加载到极限荷载附近，然后以每级8 kN 加载至构件破坏.在梁的剪跨区布置6 个应变片、在翼缘受压区布置5 个应变片、在受拉区布置一个应变片测量混凝土的应变，在纤维布和U 形箍上布置钢筋应变片测量纤维布的应变，在梁的两端支座处、加载点处和跨中底部各布置1 个位移计以测量梁的挠度.

图2 加载位置及测点分布(单位:mm)

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

梁的裂缝分布与破坏形态如图3 所示.可见加固梁的破坏特征与对比梁的破坏特征存在较大差异.当加载到极限荷载的约23%时出现第一条弯曲裂缝，加载到极限荷载的27%时出现第一条剪切裂缝.继续加载，剪切裂缝不断增加，当梁破坏时剪跨区有几条主斜裂缝.

在达到预裂极限荷载之前，未出现新裂缝，原裂缝随着荷载的增加而增大，L3－1 和L3－2、L5－1 和L5－2 分别在极限荷载的32%和44%出现新裂缝.当分别加载到极限荷载的70%和63%时碳纤维布发出响声，一些裂缝出现在U 形箍之间.随着荷载的继续增加，斜裂缝的数量和宽度也不断增加，纤维布开始被拉脱.所有梁的破坏形式都是U 形箍被拉脱.

图3 试验梁的裂缝分布与破坏形态

2.2 梁的荷载－挠度关系

试验梁的荷载－挠度曲线如图4 所示.从图中可以看出，在加载初期，梁的挠度为线性变化，随着荷载的增加，加固梁的挠度小于对比梁的挠度，曲线逐渐分离.而且随着U 形箍宽度的增加，挠度会逐渐减小.

图4 试验梁的荷载－挠度曲线

2.3 最大裂缝宽度

试验梁的荷载－最大裂缝宽度曲线如图5 所示.由图可以看出，随着荷载的增加，曲线逐渐分开，加固梁的裂缝宽度明显小于对比梁的裂缝宽度，且随着U 形箍宽度的增加，裂缝宽度减小.这说明碳纤维布能有效阻碍裂缝的发展.

图5 试验梁的荷载－最大裂缝宽度曲线

2.4 荷载－CFRP 应变关系

以主裂缝通过的碳纤维的应变为例，试验梁的荷载－CFRP 应变曲线如图6 所示.

图6 试验梁的荷载－CFRP 应变曲线

从图中可以看出，荷载较小时，碳纤维的应变很小且呈线性.随着荷载的增加，U 形箍宽度较小的梁，碳纤维应变明显增长较快.当纤维条拉脱时，碳纤维布的应变急剧减小.

2.5 极限承载力

试验梁的极限荷载见表5.可以看出，粘贴CFRP 可明显提高梁的承载力，但是U 形箍的宽度越大，梁的抗剪承载力提高增幅越小.这是因为当粘贴两层时，需要的锚固长度较大，而且粘贴质量不能得到很好的保证.所以，当纤维布拉脱时，根本没有达到其极限强度.

表5 试验梁的极限荷载

3 结语

1)U 形箍宽度对梁的挠度、碳纤维布的应变、梁的极限承载力以及裂缝发展都有影响.粘贴碳纤维布可以有效地约束裂缝的开展和延伸，增加梁的极限承载力，但承载力的提高不与U 形箍宽度的增加成正比.

2)试验结果明显受到CFRP 粘贴质量和锚固效果的影响.

［1］滕锦光.FRP 加固混凝土结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［2］Bousselham A，Omar Chaallal.Behavior of reinforced concrete T-beams strengthened in shear with carbon fiber-reinforced polymer-an experimental study［J］.ACI Structural Journal，2006，103(3):339－347.

［3］Christophe Deniaud，J J Roger Cheng.Reinforced concrete T-beams strengthened in shear with fiber reinforced polymer sheets［J］.Journal of Composite for Construction，2003，7(4):302－310.

［4］赵文杰，李晓克，赵顺波.预应力CFRP 加固钢筋混凝土梁的受力试验［J］.人民黄河，2012，34(6):136－138.

［5］四川省建筑科学研究院.GB 50367—2006.混凝土结构加固设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.