预应力碳纤维薄板加固拱形RC梁界面受力特性研究

眭 超,杨 磊,张 凯

（江苏大学土木工程与力学学院,江苏 镇江 212013）

1 前言

碳纤维材料具有自重轻、抗拉强度高 ( 约为钢材强度的 10～20倍 )、化学稳定性强、柔性好,易于裁剪等优异的性能[1]。近年来，发展的纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,简称FRP）加固混凝土结构技术，对加固构件正常使用阶段的裂缝和变形有显著改善，是目前土木工程修复加固领域中的研究热点。当前发达国家已经将建设重点放在建筑物的检测加固与维修改造上,新建工程项目逐渐退居次要位置[2]。国外已开始大规模使用FRP加固桥梁结构[3-4]，而我国于20世纪60年代至70年代建起的具有代表性的拱桥和连续梁桥目前大多已达到使用年限,继续服役须对这些桥梁进行加固,以满足现行规范的要求,因此，未来一段时间国内将出现桥梁加固的热潮,而拱桥等一批桥梁将是重点对象。

2 试验方案

2.1 试构件制作

根据混凝土结构规范[6]，结合工程实际，我们一共浇筑了12根钢筋混凝土拱梁用以研究。

（1）试件尺寸：拱形RC梁设计长度1850mm，端部高200mm，宽100mm，跨中高350mm。

（2）钢筋笼制作：钢筋笼底部使用12号三级钢，顶部使用10号三级钢，箍筋使用6号一级钢筋。

（3）混凝土的浇筑：采用C30混凝土。

根据是否粘贴CFL以及是否对CFL施加预应力制作了三组试件。第一组试件不粘贴CFL；第二组试件粘贴CFL，但不施加预应力；第三组试件粘贴CFL，并施加10kN预应力。

2.2 加固材料

2.2.1 碳纤维薄板性能

（1）碳纤维薄板优点

1）强度高、重量轻；2）施工工艺简单；3）弹性模量高；4）不破坏砼结构；5）厚度薄，不影响剪力力矩；6）耐腐蚀、耐磨擦。

（2）碳纤薄板缺点。是各向异性材料，仅适用于单向受拉。

（3）碳纤维薄板性能检测[5]。实验所用的碳纤维布几何和材料参数为：厚度:0.167mm 宽度:100mm

2.2.2 粘贴碳纤维布胶水

实验购置配套环氧树脂胶水，用环氧树脂A、B胶1：2混合粘贴碳纤维布。

2.3 碳纤维薄板制作与粘贴[7]

对于无预应力碳纤维布，先将拱梁底部清理平整，将胶水充分涂抹于拱梁底部，然后粘贴碳纤维布，再用胶水充分浸渍。48小时后，胶水完全凝固，碳纤维布被制成薄板并牢固粘贴于拱梁底部，制作流程如图2。借鉴先期国内外已经开展了一些CFL布加固结构的研究和实验[8]，在采用预应力碳纤维布对结构加固结构的技术中,夹具是实现构件加固效应的重要保障。我们使用团队自主设计的夹具，通过压梁法对拱梁施加10kN压力（如图3），再将胶水涂抹于拱梁底部，然后粘贴碳纤维布，再用胶水充分浸渍碳纤维布。48小时后，胶水完全凝固，碳纤维布成为碳纤维薄板，卸载夹具，拱梁变形恢复，将预应力施加到碳纤维薄板中。

表1 碳纤维布性能测试数据

2.4 试验过程

实验加载装置如图4所示。拱形RC跨中布置压力传感器测量荷载P，在梁表面布置应变片监测梁的应力应变（如图4），粘贴碳纤维布后在碳纤维布表面布置应变片监测应变ε的分布。在梁跨中以及两侧端部布置百分表测量挠度δ。应变片所有数据通过静态电阻应变仪采集，裂缝变化用裂缝观测仪和DIC同时进行观测。

图1 碳纤维薄板制作过程

图2 实验过程流程图

试验采用200kN油压千斤顶加载。试验开始阶段，拱梁处于弹性受力状态，我们采用每三分钟5kN的逐级加载方法。间隔15分钟，梁受力稳定后，开始记录静态电阻应变仪和百分表的示数，同时，用裂缝观测仪观测裂缝是否出现和发展状况，DIC仪器观测跨中应变分布和趋势。实验过程如图2。

2.5 试验结果分析

钢筋混凝土拱形梁在恒载作用下的受力特性是该实验研究的基础[9]。实验中的挠度变化对比如表2所示，其中6号拱梁为预应力碳纤维薄板加固梁。根据实验数据记录，未粘贴CFL的拱梁在10～15kN集中荷载下会出现细微裂缝，而粘贴CFL的拱梁一般在15～25kN集中荷载下才出现裂缝。对于裂缝的扩展，粘贴CFL的拱梁裂缝扩展速度明显比未粘贴CFL的拱梁慢。在同等大小的集中荷载作用下，粘贴CFL的拱梁挠度变化比未粘贴CFL的拱梁小，但是随着集中荷载增大，CFL出现剥离，粘贴CFL拱梁挠度变化速度加快，裂缝扩展速度也会加快，当CFL剥离的长度超过CFL总长度1/3时，拱梁破坏速度明显加快，CFL加固的拱梁相对于未进行CFL加固的拱梁，极限承载力提高15%～20%。拱梁6号为预应力CFL加固，相对无预应力CFL加固的拱梁，使拱梁6号的CFL剥离的集中荷载明显增大，因此拱梁6号在加载前期裂缝扩展很慢，但是当CFL出现剥离后，拱梁6号裂缝扩展很快，混凝土迅速破坏，相对于无预应力CFL加固的拱梁，拱梁6号极限承载力提升并不明显。因此小组对拱梁5号的CFL进行了U型加固，由实验数据可以看出，U型加固的CFL不易剥离，对于拱形梁极限承载力提升较好。

根据试验情况，每根梁表面3号应变片处裂缝最先出现且比较密集，应变片位置布置如图4，所以我们对3号应变片处，各梁的应变进行了对比（如图6）。

在本次实验当中，我们还采用了二维数字散斑技术，简称2D-DIC（如图7）。

测量的基本问题是相关两个散斑场，即变形前的参考场和变形后的变形场。数字相关方法DIC从随机的散斑信号中提取位移和应变信号，所使用的光源可以是激光也可是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然纹理等。

在实验过程中，我们首先对梁的表面做出了人工散斑的处理。然后给计算机一个初始状态，也就是0加载状态，然后在每一级加载稳定之后，通过照相机拍摄梁的状态图。最终，把这些图片整合起来，通过软件处理能得到每一级加载状态的场图，例如50kN加载状态下场图（如图8），也能得出位移和应变数据，与我们的静态电阻应变仪得出的数据对比。

图3 压梁法施加预应力图

图4 试验加载及应变片编号示意图

图5 6号粘贴预应力碳纤维RC梁试验挠度-荷载图

图6 3号应变片处各梁应变-荷载图

图7 DIC观测仪观测图

图8 50kN加载场图

3 试验结果对比

4 结论

表2 试验加载数据

本文提出使用预应力碳纤维薄板对拱形RC梁进行加固，提高其承载力，减缓RC梁裂纹扩展。通过性能测试与分组加载试验，得出预应力碳纤维薄板加固拱形RC梁具有以下特性：

（1）外贴CFL的拱形RC梁极限承载力与CFL/混凝土之间的粘结特性有关；（2）粘贴CFL的拱形RC梁早期应变发展不明显，裂缝出现较晚，在CFL剥离前受力稳定，在CFL剥离后应变裂缝迅速发展，破坏较快，但最终承压能力并没有明显提高；（3）粘贴预应力CFL后，拱形RC梁的应变裂缝发展更加缓慢，裂缝也出现得更晚，在CFL剥离前受力稳定，在CFL剥离后应变裂缝也迅速发展，破坏较快，而最终承压能力稍有提高；（4）两处薄弱点增加碳纤维维护之后，粘贴CFL的拱形梁受力应变和裂缝发展与特性2相同，但对CFL的约束有比较明显的作用，剥离延缓。

总的来说，CFL对拱形RC梁的应变和裂缝有明显的约束作用，但对于其承压能力提高不明显，需对CFL进行U型加固。

[1]姚锦文,田安国,张三柱.预应力碳纤维布夹具设计研究[J].四川建筑科学研究,2008,34(05):85-88.

[2]白飞云.碳纤维板加固钢筋混凝土梁的实验研究[D].合肥:合肥工业大学,2012.

[3]中华人民共和国建设部.JG/T 167-2004结构加固修复用碳纤维片材[S].2004(12).