CFRP加固石质文物受弯承载力研究

李 战 张贤双

(1.陕西省华阴市西岳庙文物管理处，陕西 渭南 714200； 2.陕西普宁工程结构特种技术有限公司，陕西 西安 710049)



CFRP加固石质文物受弯承载力研究

李 战1张贤双2

(1.陕西省华阴市西岳庙文物管理处，陕西 渭南 714200； 2.陕西普宁工程结构特种技术有限公司，陕西 西安 710049)

结合西岳庙—天威咫尺石牌坊加固工程实例，利用CFRP加固技术对石质矩形梁进行了受弯试验，对比分析了加固前后石梁的破坏形态、承载力以及跨中挠度，指出CFRP加固石质文物后，其破坏形态由正截面脆性破坏转化为斜截面延性破坏，其剩余承载力和变形能力得到了显著提高。

石质文物，CFRP，加固工程，受弯承载性能

0 引言

石材作为我国古典建筑中的主要材料，由于其对自然环境具有较为突出的抗侵蚀能力，承载了丰富和完整的历史文化信息，因此奠定了其在历史文化研究中不可取代的地位。然而，在长期的自然因素和人为因素作用下，石质文物自身材料逐渐风化和破裂。若该作用长期持续，可导致古建筑主体结构断裂，坍塌，给工程技术人员带来无法处理的事故。

随着现代加固修复技术的不断发展以及新材料、新工艺的出现，为古建筑加固新方法、新工艺的建立奠定了基础[3]。碳纤维材料(CFRP)作为一种结构加固高性能新型材料，其具有强度高、延性好以及耐久性能突出等特点[4]。同时，由于其体积小、质量轻以及操作可逆等优点，已被广泛应用于建筑物和构筑物的加固工程中[5-7]。而对于古建筑保护，尤其在石质建筑加固方面也得到了广泛应用。CFRP在石质建筑结构加固工程中可有效地提高结构刚度，从而提高其承载力。同时，CFRP作为一种典型延性材料，其可显著增加结构在荷载作用下的破坏时间，为结构进一步修复加固争取机会。目前，采用CFRP加固石质古文物工程较为普遍，但采用CFRP加固却较少。基于石质古文物结构大部分已出现既有损伤，其承载性能不断劣化，采用CFRP对其进行加固具有明显优势。故本文结合西岳庙—天威咫尺石牌坊修复加固工程，采用CFRP加固技术，对石质文物的受弯承载性能进行试验研究，为石质文物的修复加固、设计优化提供必要的理论研究基础。

1 试验概况

1.1 试验材料

本次试验构件采用材料为砂岩，其与西岳庙—天威咫尺石牌坊材质相同。为保障材料的一致性，所有试件均切割于同块石材。该石材材料的物理力学参数如表1所示。

表1 砂岩物理力学参数

CFRP选用UCP-300碳纤维布，粘贴树脂采用台湾巨瀚科技股份的碳纤维加固专用树脂GEL600A/B。CFRP材料性能如表2所示。

表2 CFRP性能指标

1.2 试件加工及加载方式

根据规范JTJ 054—94，结合石板材料形状特征及尺寸大小，石梁压弯试验试件尺寸为820 mm×120 mm×60 mm。本次试验试件共6个，试件加工成型后表面打磨平整，保证各边相互正交垂直且无明显层理或纹理。

CFRP以条状全长贴于试件底部，其宽度和层数见表3。所有试件两端均采用U形箍锚固。粘贴时严格按照碳纤维布施工工艺，保证碳纤维布与试件表面紧密粘贴。待试件全部加固完毕后，将其置于通风阴凉处自然干燥。试件编号及加固方式如表3所示。

表3 试件编号及加固方式

图1为试验加载装置，采用两点加载方法进行石梁的压弯试验，跨距为240 mm。为避免加载过程导致应力集中对试验结果的影响，加载时在加载横梁两端和石梁两端支座处分别设置垫板。以初始荷载为1 kN对石梁分级施加荷载，每级荷载增幅为1 kN，直至石梁破坏。

1.3 试验现象

未加固试件(A1，A2)：随着荷载增加，梁挠度的增幅缓慢；石梁试件破坏前，梁身未出现明显裂缝；当荷载达到极限值时，试件纯弯段出现贯通裂缝，断面基本为沿梁截面的平面，破坏时两试件的跨中挠度分别为0.614 mm和0.785 mm，属于典型的脆性破坏。

C1：石梁首先在荷载作用下纯弯段出现一系列纵向裂纹，随着荷载增加，加载位置处及U形箍之间出现斜裂纹，且随着荷载持续增加，纵向裂纹扩展速度较小，而斜裂纹扩展迅速。当斜裂纹贯通全截面时，梁身跨中挠度为8.91 mm。当加载至16 kN时，碳纤维布右侧第4道U形箍位置出现剥离开裂。石梁整体断裂失效时，纯弯段碳纤维布与梁体已彻底剥离。

C2：荷载作用下，石梁纯弯段两侧临近套箍处出现纵向小裂缝，随后裂纹数量增多；随着荷载的进一步增大，支座处出现斜裂纹，且斜裂纹扩展速度较快，当荷载增加至35 kN时，左侧梁体底部U形套箍处碳纤维布发生断裂，梁体破坏，其跨中挠度为7.97 mm。

C3：荷载作用下，石梁纯弯段出现纵向小裂纹，石梁整体变形较小；随着荷载增加，加载点部位U形箍间首先出现斜裂纹，此时纯弯段的纵向小裂纹扩展速度较快；当荷载达到42 kN时石梁破坏，其左端外侧3个U形箍断裂，梁底碳纤维布已与梁体发生剥离，跨中挠度为10.78 mm。

C4：初始加载过程中，试件加载点的纯弯段出现纵向小裂缝；随着荷载增加，加载点外侧套箍间出现斜裂纹，梁体变形不显著；荷载进一步增加，斜裂纹扩展速度较快；当荷载增加至48 kN时，梁体左侧斜裂纹迅速扩展，直至贯通全截面；荷载增大，斜裂缝两侧发生错动，该部位U形箍剥离，碳纤维布与梁体剥离。当跨中挠度增加至5.88 mm时，石梁试件破坏。

2 试验结果及分析

2.1 承载力

图2为石梁试件极限荷载与对应CFRP用量之间的曲线关系。由试验可知，采用CFRP加固石梁后，其承载力显著提升，各试件加固前后的荷载对比状况如表4所示。

表4 试件加固前后承载力对比状况

随着CFRP粘贴量增大，加固石梁的极限荷载亦不断提高。由于当CFRP的粘贴层数较多时，各层间的协同作用效率将大幅度下降，其强度将会发生不同程度的折减，故加固石梁的CFRP用量与其极限荷载并非线性关系，其拟合结果如下式所示。

P=2 717×(x+2.2)0.15。

其中，P为试件的极限承载力；x为加固试件的CFRP使用量。

另外，由于施工质量对加固石梁极限承载力的影响较为显著，多层粘贴CFRP材料时无法保障施工质量，故随着CFRP材料层数的增加，加固石梁试件的极限荷载的提升幅度略有降低。

2.2 挠度

与未加固石梁试件相比，加固石梁跨中挠度显著增加。随着CFRP材料粘贴量的增加，试件跨中挠度增加幅度先增大后减小。石梁截面应变基本符合平截面假设，当荷载水平较小时，中和轴位置处于试件截面中部，随着荷载水平提高，中和轴逐渐上移，受拉区高度增加，受压区高度减小，加固材料抗拉性能逐渐体现。

经CFRP加固后，石梁试件整体结构可作为复合结构[5,6]，其刚度发生显著变化，受碳纤维布受拉作用，其延性显著提高，梁体破坏由脆性破坏逐渐转变为延性破坏，其挠度逐渐增大。图3给出了各试件不同荷载作用下的跨中挠度水平。由图3可知，CFRP加固后，石梁试件的挠度水平明显下降，即加固作用使得试件整体刚度增加。且随着荷载持续增大，CFRP对石梁刚度的提升幅度逐渐显著，即CFRP用量越大，加固试件刚度越大。其原因可解释为，石梁试件经CFRP加固后，梁身受约束作用加大，梁体刚度分布均匀化[4]，整体性得到改善，故受拉裂缝的扩展能力降低。

图4为各加固石梁试件在20 kN荷载作用下的挠度曲线。由图4可见，随着CFRP使用量增加，梁身变形量逐渐减小。另外，当CFRP使用量增加至一定程度后，梁身各部位的挠度减小幅度逐渐降低。该现象可解释为，随着CFRP使用量增加，各层间粘结力以及施工过程的影响均可造成加固材料强度折减。

3 结语

根据对采用CFRP加固石梁试件的压弯试验结果分析，可得到以下结论：1)石梁试件经CFRP加固后，其承载力显著增加，增加幅度与加固材料使用量满足幂函数关系。2)CFRP加固作用可使石梁试件的整体刚度有效均匀化，且能够有效阻止梁身受拉裂缝的出现及扩展。3)经CFRP加固后，石梁试件的破坏形态发生显著变化，由梁身纵向裂缝引起的脆性破坏转变为由斜裂纹引起的延性破坏。

[1] 武晓敏,徐福泉,谢 剑.石梁加固技术[J].施工技术,2014,43(10):66-68.

[2] 齐 文,徐福泉,谢 剑,等.古建筑青白石梁受弯性能试验研究[J].建筑科学,2014,30(11):40-43.

[3] 赵 静,王 鲲,牟晓成.CFRP材料加固木梁试验研究[J].山西建筑,2006,32(23):86-87.

[4] 武晓敏,谢 剑,徐福泉,等.CFRP加固青白石梁受弯性能试验研究[J].工程力学,2015(S1):50-51.

[5] 郭子雄,王 兰,柴振岭,等.钢筋网改性砂浆加固石楼板受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2011,32(3):69-74.

[6] 张 楠.底部钢筋网改性砂浆层加固石楼板抗弯性能试验研究[D].泉州：华侨大学,2011.

[7] Triantafillou T C,Deskovic N.Prestressed FRP Sheets as External Reinforcement of Wood Members[J].Journal of Structural Engineering,1992,118(5):710-717.

Experimental study on flexural capacities of lithoid cultural relic reinforced with CFRP

Li Zhan1Zhang Xianshuang2

(1.Shaanxi Huayin Xiyue Temple Relics Administration Office, Weinan 714200, China;2.Shaanxi Puning Engineering Special Technology Limited Company, Xi’an 710049, China)

Combining with Xiyue Temple-Tianwei near stone arch reinforcement engineering, the use of CFRP strengthening technology with rocky rectangular beams in bending test, comparative analysis before and after reinforcement Shiliang failure pattern bearing capacity and midspan deflection of CFRP reinforcement after stone relics, the failure pattern by the brittle failure of normal section into inclined section ductile fracture, and the residual bearing capacity and deformation capacity increased significantly.

lithoid cultural relic, CFRP, reinforcement engineering, bend-resisting capacity

1009-6825(2016)34-0049-03

2016-09-25

李 战(1966- )，男，工程师； 张贤双(1967- )，男，工程师

TU318

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