CFRP板加固混凝土梁不同锚固方式受弯性能试验研究

赵少伟，刘福鑫，代东辉,2

（1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2.山东朗建城市设计研究院有限公司，山东 烟台 264003）

研究开发碳纤维材料加固修补混凝土结构的技术是近年来发展起来的一项加固补强新技术，它因具有高强高效、耐腐蚀、施工便捷、工期短、重量轻等优点而备受关注[1].外贴CFRP片材对混凝土结构进行加固是CFRP加固技术的一项重要措施[2-8].梅力彪等[9]阐述了复合材料碳纤维板与混凝土的有效粘接长度和界面抗剪粘接强度问题，为防止碳纤维板加固混凝土梁剥离破坏提供参考.Paul JFanning[10]经过研究发现CFRP板在降低梁受压区混凝土的压应变和减小中和轴高度方面发挥了很好的作用，并且提高了试验梁各方面的工作性能.Spadea G，Swamy R N，Bencardino F等[11]分析了不同的锚固措施对CFRP板加固结构梁在延性、刚度等方面的影响，使人们认识到了锚固方式的重要性为以后不同锚固方式的研究奠定了基础.丁亚红，曾宪桃等[12]开展了纤维增强复合材料的嵌贴加固研究，分析了不同加固方法所对应的碳纤维板的利用效率.本文主要研究在自主研发的一套锚具的基础上，研究CFRP板的不同的锚固方式对试验梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的影响，分析CFRP板的不同的锚固方式与混凝土受压区应变、钢筋应变、CFRP板的利用效率的关系，比较加固梁的不同锚固方式，总结CFRP板不同锚固方式对试验梁延性、刚度、裂缝等使用性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验采用了4根矩形截面简支梁,其中1根为对比梁，不进行加固，其余3根为加固梁.截面尺寸× =250mm×350mm，全长3 800mm，计算跨度3 600mm.混凝土强度等级为C40，梁底主筋强度等级为HRB335级，钢筋直径为22mm；架立筋强度等级为HRB335级，钢筋直径为12mm；箍筋均采用HPB235级钢筋，通长布置，保证试验梁不会由于抗剪承载力不足而发生破坏，即保证构件加固前后均发生弯曲破坏.试验梁具体加固设计见表1，梁端锚具及现场加固图见图1，试验梁加固情况详图见图2.

表1 加固情况对比表Tab.1 The comparison of reinforcement

图1 梁端锚具及现场加固图Fig.1 Thebeam end anchorageand locale reinforcement fig ure

图2 试验梁加固情况详图Fig.2 The reinforcement figureof experimentalbeam

1.2 材料性能

本试验所采用50mm宽的CFRP板14mm厚的钢板压条对加固梁进行加固，对它们进行材料性能试验，所得力学参数分别见表2，表3.

1.3 加载方案及测点布置

本试验采用三分点加载方式，加载点间距120 mm，正式加载前，进行预加载，检查试验仪器是否安置稳定，仪器是否能够正常工作.正式加载时，小于50%试算开裂荷载时采用10 kN/级进行加载，大于50%试算开裂荷载后改为2 kN/级进行加载.截面开裂后小于70%试算屈服荷载时采用5 kN/级进行加载，直至构件破坏.梁加载示意图见图3，实景见图4.

表2 碳纤维板力学性能Tab.2 TheMechanicalpropertiesof CFRPplate

表3 钢板压条力学性能Tab.3 TheMechanicalpropertiesof steelplate layering

图3 加载示意图Fig.3 The test loading schematic

图4 加载实景Fig.4 The live-action of loading

为获得荷载作用下沿梁高混凝土的应变，分别在试验梁的跨中、三分点处梁底分别粘贴电阻应变片以测量梁底混凝土拉应变，并在三分点和跨中梁顶粘贴两个电阻应变片测量三分点和跨中梁顶混凝土压应力，在梁侧等间距粘贴6个电阻应变片.钢筋应变片的粘贴在试验梁浇筑混凝土之前已经完成，粘贴位置为三分点和跨中的梁底主筋.为了测量粘结剪应力的分布，加固梁在CFRP板上布置了数量较多的应变片，具体布置为自试件碳纤维板固定端锚具起500mm内布置5×3mm应变片5个，应变片间距100mm，定义为锚固区域，锚固区域之外的位置布置5×3 mm的应变片10个，间距为300 mm.为监测试验过程中梁体变形情况，试验进行前，预先在试验梁支座处、三分点、跨中各架设一块百分表.测点布置图见图5、图6.

图5 混凝土应变测点布置Fig.5 The strainmeasuring points figureof concrete

2 试验结果分析

试验自主设计了一种综合胶体粘结、钢板夹持、CFRP板穿孔的混合锚固方式的碳纤维板梁端锚固装置，很好的抑制了碳纤维板的滑移和剥离.试验时实测了构件跨中位置沿截面高度应变的变化可知构件截面基本符合平截面假定，试验过程图见图7.

图7 试验过程图Fig.7 Theexperimentalprocess figure

2.1 试件的承载力分析

试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载见表4.由表中数据知，CFRP板加固后的混凝土梁的开裂荷载略有提高，但不显著.然而屈服荷载和极限荷载相对于对比梁却有不同程度的提高且效果显著，提高幅度在30%左右.说明碳纤维板在加载初期没有发挥多大作用，因为碳纤维板的弹性模量较钢筋低而抗拉强度高，故其发挥强度需要很大的变形.在试验梁开裂前，碳纤维板变形很小故对开裂荷载提高很少，而在试验梁屈服和破坏时，碳纤维板已经有很大变形，其对试验梁的屈服荷载和极限荷载提高也变的明显.而对比加固梁，经分析可知U型箍式、钢板压条式、内嵌式锚固方式在提高试验梁承载力方面效果越来越好.

2.2 钢筋、混凝土及碳纤维板应变分析

图8为试验梁的荷载—钢筋应变曲线，从整体看加固梁的屈服、极限荷载都得到提高，L0、L1、L2、L3在限制钢筋应变增长方面作用依次增强，L3内嵌式效果最好.从局部分析，混凝土开裂前的弹性阶段曲线几乎重合，说明加固后对开裂前阶段钢筋的应变影响小，试验梁的开裂荷载变化不明显.L0先进入开裂到屈服阶段，说明碳纤维板延缓了梁的开裂.而曲线的斜率可以反映出碳纤维板加固梁钢筋应变的增长速率，L3斜率明显比其他大，说明碳纤维板承担的拉力大，钢筋的应变相对小些并且从另一面进一步证明了对屈服荷载提高最大.在进入屈服到破坏阶段，加固后的梁的荷载继续增加的同时应变增长相对前一阶段明显缓慢，而对比梁在荷载几乎不变的情况下钢筋应变持续增加，说明钢筋屈服后碳纤维板在承担弯矩和抵抗钢筋应变增长方面作用明显.

图9为试验梁跨中梁顶荷载—混凝土压应变曲线，由图可以看出加固后的试验梁混凝土受压区应变增长速度降低，说明碳纤维板自身承担了部分拉力有效的限制了混凝土受压区高度的减小，抑制了混凝土压应变的增长.L0、L1、L2、L3曲线斜率增加，说明了碳纤维板自身承担的拉力依次增加，反映了U型箍式、钢板压条式、内嵌式锚固方式在抑制混凝土压应变方面效果依次增强.

图10是试验梁的荷载-CFRP板拉应变曲线，每条曲线也分为3段.梁开裂前，曲线斜率较大即碳纤维板应变增长缓慢，此情形由开裂前试验梁变形较小，碳纤维板所提供的拉应力较小所致.混凝土开裂后，曲线斜率下降，说明碳纤维板的拉应力增加速度变快，因为此阶段试验梁变形较大.当屈服后，曲线斜率再次减小，反映出碳纤维板的拉应变增加速度再次提高.而在相同荷载下，L3的应变最大，说明碳纤维板承担的应力最大，发挥的作用最大，因此内嵌式加固方式效果最好.

表4 承载力对比表Tab.4 The loading capacity comparison table

图8 荷载—钢筋应变曲线Fig.8 The loads-steel tensile strain curve

图9 荷载—混凝土压应变曲线Fig.9 The loads-concrete compressive strain curve

图10 荷载-CFRP板拉应变曲线Fig.10 The loads-CFRPplate tension strain curve

2.3 刚度、延性分析

图11 描述的是试验过程中试验梁跨中荷载-挠度曲线.内嵌式锚固加固梁，碳纤维板除了用结构胶黏贴外，还在底部用混凝土回填覆盖，后浇的混凝土能有效的抑制加载后期试验梁底碳纤维板的剥离.而钢板压条式锚固加固梁的CFRP板除了用结构胶黏贴外，沿梁长每隔一段距离通过钢板锚固碳纤维板，通过拧紧高强螺栓对CFRP板施加压力，相对于U型箍锚固对抑制后期碳纤维板的剥离效果更好.从图中可以看出试验梁屈服后，同一荷载对应的挠度内嵌式锚固梁明显小于其他梁，钢板压条式和U型箍式锚固梁挠度相差不大居于其后.因此加固后的梁明显的提高了梁的后期刚度，减小了试件的变形.

表5记录的是试验梁跨中挠度的变化.钢筋屈服后，试验梁的挠度值反映了延性的大小，从表中可以看出加固后的梁的延性都不同程度降低，经过对比发现内嵌式锚固梁的延性最好，其次是钢板压条，最后是U型箍锚固.

2.4 裂缝分析

由表6可以看出L0对比梁与L1加固梁的裂缝开展范围、总间距、平均裂缝间距和裂缝总条数变化不大.而L2、L3加固梁的裂缝开展范围、总间距和裂缝总条数明显增大的同时平均裂缝间距却明显减小.构件产生裂缝少，局部变形大极易在薄弱区造成应力集中而发生脆性破坏.相比之下裂缝分布范围广，间距大，平均间距小，总条数多有利于结构的整体变形和延性的增加，避免了局部脆性破坏.因此内嵌式和钢板压条式锚固方式在提高结构耐久性的同时满足了结构正常使用功能.

图11 荷载-跨中挠度对比图Fig.11 The comparison of loads-m idspan deflection curve

表5 挠度对比表Tab.5 The deflection comparison table

表6 裂缝对比表Tab.6 The crack comparison table

2.5 CFRP板强度利用率分析

碳纤维为线弹性材料，因此可以通过变形比反应强度比，了解在不同阶段碳纤维分别发挥强度的程度.表7给出了碳纤维在构件开裂、屈服及破坏时的应变，并将这些数据与碳纤维材料的极限拉应变进行比较.从表中可以看出构件开裂时，各构件碳纤维板的利用率分别为0.5%、1.5%、1.3%，碳纤维板的强度利用率较低，几乎没有发挥作用.屈服时，各试件碳纤维板强度利用率分别为8.7%、12.5%、14.8%，试件破坏时CFRP板的强度利用率分别为28.3%、35.2%、35.4%，从L1到L3碳纤维板强度逐渐增强，从而利用率依次增加，而碳纤维板发挥强度主要在屈服和破坏阶段，因此内嵌式和钢板压条式锚固法在发挥碳纤维板效率方面优于U型箍锚固法.

表7 碳纤维板应变对比表Tab.7 The strain of CFRPplate comparison table

3 结论

1）CFRP板加固混凝土梁的开裂荷载略有提高但不显著，但U型箍式、钢板压条式、内嵌式锚固方式相对于对比梁对屈服荷载分别提高了17.8%、28.9%、33.3%，而对极限荷载却分别有17.7%、22.6%、27.4%的提高幅度，并且有效地缓解了钢筋拉应力和受压区混凝土压应力的增长.经分析比较，内嵌式锚固方式效果最为明显，其次是钢板压条式，最后是U型箍式.

2）CFRP板提高了混凝土梁的后期刚度，减小了构件的变形，却不同程度的降低了延性，除此之外CFRP板的利用效率也发生变化.相比之下，内嵌式锚固的梁刚度最大，延性最好，碳板利用率达到35.4%；钢板压条式锚固和U型箍式锚固的梁刚度相差不大而钢板压条式锚固延性较好，碳纤维板利用率依次降为35.2%和28.3%.

3）在增加裂缝分布范围，减小裂缝平均间距和有利于结构整体变形方面，内嵌式和钢板压条式锚固梁优于U型箍式锚固梁和对比梁.

[1]焦宇晖.碳纤维板加固混凝土梁受弯性能试验研究 [D].重庆：重庆大学，2007.

[2]KingC J，King GEM.Thedevelopmentofstructuraladhesives for threeoriginaluse insouthafrica[J].Materialsand Structures，2008，37：42-55.

[3]Solomon SK，Sm ith DW，CusensAR.Flexuraltestofsteel-concrete-steelsandw ich[J].MagazineofConcreteResearch，1976，28（94）：13-20.

[4]JonesR，Swamy RN，Ang TH.Underandover reinforced concretebeamswithglued steelplates[J].The International JournalofCementComposites and LightWeightConcrete，2007，4（1）：19-32.

[5]Swamy RN，JonesR，Bloxham JW.Structuralbehaviorof reinforced concretebeamsstrengthened by epoxy bonded steelplate[J].TheStructural Engineer，1987，65（2）：229-223.

[6]梁玉国，宋丽娟，任水娜.内嵌CFRP板加固钢筋混凝土梁试验研究 [J].华北地震科学，2013，31（增刊）：79-82.

[7]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，2012：2-3.

[8]王伯航.碳纤维板的铰式锚张拉工艺研究及工程应用 [J].中外公路，2012，32（5）：182-182.

[9]梅力彪.预应力碳纤维板加固混凝土梁的试验研究 [D].广州：广州大学，2006.

[10]Fanning Paul J,Kelly Oliver.Ultimate responseof RC beamsstrengthenedw ith CFRPplates[J].JournalofComposites for Construction，2001，5（2）：122-127.

[11]SpadeaG，Swamy RN，Bencardino F.Strengthand ductilityofRCbeams repairedw ithbonded CFRP laminates[J].Journalof BridgeEngineering，2001，6（5）：349-355.

[12]丁亚红，王兴国，曾宪桃.内嵌碳纤维板条加固混凝土受弯构件 [J].公路，2006，32（3）：32-34.