嵌贴CFRP布加固RC箱梁的试验研究

殷 国 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710000)



嵌贴CFRP布加固RC箱梁的试验研究

殷 国 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710000)

通过抗弯试验，从破坏形态、极限承载力、极限挠度三方面，对未加固梁、外贴碳纤维布加固梁、嵌贴碳纤维布加固梁三种结构作了对比，指出嵌贴碳纤维布加固能更好地发挥碳纤维的材料性能，从而提高结构的强度和刚度。

碳纤维布，箱梁，荷载，抗弯性能

随着交通事业的发展，很多桥梁已进入老化阶段。欧洲有超过60%的公路和铁路桥服役期已超过50年。我国大部分桥梁也运营了四五十年，当中部分桥梁的承载能力存在着安全隐患，迫切需要加固。工程中常用的钢筋混凝土桥梁的加固方法主要有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、外包钢加固法、碳纤维加固法。碳纤维加固法凭借其高强、轻质、耐腐蚀、施工便利、对原结构影响小等优点，广泛应用于土木工程结构的加固中。传统的碳纤维加固法是在混凝土结构表面粘贴一层碳纤维布，对原结构的强度和刚度都有相当程度的改善，但是容易发生剥离破坏，使得碳纤维的高强性能不能得到充分的发挥。嵌入式粘贴碳纤维布加固法是在混凝土结构表面开槽，然后用环氧树脂将碳纤维布或碳纤维板粘入其中。该方法的优点是能够避免剥离破坏，较外贴碳纤维加固法有更好的加固效果，但是加固工序相对繁琐。

1 试验方案设计

1.1 试件设计

本试验一共进行了3根简支矩形箱梁的抗弯性能试验，选用工程中常用的单箱单室矩形箱梁，梁体全长3.0 m，净跨2.8 m。试件采用同一尺寸，梁宽600 mm，梁高300 mm，顶板、底板和肋板厚度各为70 mm，内侧倒角尺寸30 mm×40 mm。试件采用相同配筋，底部配8根φ16受拉纵筋，顶板5根φ10受压纵筋，两侧腹板各设2根φ10分布钢筋，箍筋为φ10@100 mm，所有钢筋均采用HPB235，混凝土设计强度为C35，具体箱梁模型尺寸如图1所示。

本次试验在未加固箱梁、外贴CFRP布加固RC箱梁静载试验的基础上，对嵌贴CFRP布加固的RC箱梁进行了静载试验，并且将试验数据进行对比，分析两种加固方式对箱梁承载力的影响。

表1 梁编号及加固特点

3根试件中，第一根试验梁未作任何加固作为标准梁，用以对比分析不同加固方式对承载力的影响，编号为L0；第二根试验梁采用外贴CFRP布加固，沿梁的纵向粘贴两条CFRP布，并在两端设置U型箍，编号为L1；第三根试验梁采用嵌贴CFRP布加固，首先在梁的底部沿纵向打磨出两条与CFRP布尺寸相当的槽，然后粘贴CFRP布，两端设置U型箍，编号为L2。所有试验梁的编号、加固方式、加固面积、端部U型箍设置情况如表1所示。

1.2 量测方案设计

本次试验旨在研究表层嵌贴CFRP布加固RC矩形箱梁的性能，主要是静载作用下的力学性能，故需要对构件应变、挠度和裂缝进行量测。

在特征截面的混凝土、CFRP上分别布置电阻应变片以测量各个部位的应变；在特征截面的梁底布置百分表以测量各个部位的挠度；用裂缝宽度测试仪对裂缝进行观测，从而确定裂缝宽度和裂缝的开展情况。

1.3 加载方案设计

所有试件均采用对称加载，在简支梁跨中施加集中荷载。位于试验梁和反力架之间的千斤顶通过发生位移，顶推锚固于地面的反力架，反力通过分配梁作用于两腹板处，从而对梁顶两个对称的作用点施加对称荷载，实现对梁的对称受弯加载。

1.4 试件施工工艺

通过梁底开槽、表面处理、涂刷底胶、涂刷面胶、粘贴CFRP布、养护，加固后的梁如图2所示。

2 试验结果及现象

对3根简支矩形箱梁进行了静载试验，试验过程中记录了各个梁在逐级荷载作用下的挠度、应变、裂缝、破坏形式等变化情况，现将各个梁的实验结果及现象汇总如下。

2.1 对比梁L0

梁L0为未加固的基准梁，用作对比，按适筋破坏设计，破坏时受拉钢筋屈服，梁底混凝土裂缝贯穿破坏。当加载到30 kN左右时，跨中受拉区混凝土出现第一条微裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐向梁顶扩展并且基本上呈对称分布，当加载到190 kN时，受拉主筋屈服，试件刚度明显下降，荷载增加缓慢，跨中挠度急剧增长，最后当跨中挠度达到35.1 mm时，梁底混凝土裂缝贯穿破坏，其极限荷载为260 kN。

2.2 加固梁L1

L1是在梁底外贴两条碳纤维布，并且在两端加设U型箍。当荷载加至40 kN左右时，梁底开始出现第一条裂缝，随后钢筋主要发挥作用，荷载—应变曲线也相应地出现转折。随着荷载增加，旧裂缝缓慢向上发展，新裂缝不断出现，向上发展，并且基本上呈对称分布，当荷载加至230 kN左右时，钢筋达到屈服，CFRP布开始承受主要拉力，荷载—应变曲线同样出现了相应的转折。钢筋屈服后，荷载增加缓慢，当荷载加至320 kN左右时，几条主裂缝迅速变宽，最大裂缝宽度出现在集中荷载处，跨中挠度急剧增长，最大挠度达到28.1 mm，此时，梁底碳纤维处发出噼里啪啦的爆裂声，梁一端的U型箍出现了明显的滑移破坏，已经被拉坏，其锚固作用失效，两个U型箍之间的碳纤维布凸起，碳纤维布与梁底混凝土出现明显的剥离破坏，极限承载力为320 kN，与对比梁L0相比，提高了23%。

2.3 加固梁L2

L2采用嵌贴CFRP布加固，首先在梁的底部沿纵向打磨出两条与CFRP布尺寸相当的槽，然后粘贴CFRP布，两端设置U型箍。加固方式及应变片布置如图3所示。

当荷载加至50 kN左右时，梁底开始出现第一条裂缝，随着荷载的增大，裂缝逐渐增多，并且基本上呈对称分布。当荷载加至260 kN左右时，钢筋达到屈服，碳纤维布开始承受主要拉力，荷载—跨中挠度曲线出现了相应的转折。钢筋屈服后，荷载增加缓慢，当荷载加至360 kN左右时，几条主裂缝迅速变宽，最大裂缝宽度出现在集中荷载处，达到2.1 mm，同时跨中挠度急剧增长，最大挠度达到33.04 mm，此时，梁底碳纤维处发出噼里啪啦的爆裂声，直至跨中梁底碳纤维布被拉断，极限承载力为360 kN，与对比梁L0相比，提高了38%，与加固梁L1相比，提高了12.5%，裂缝形态以及破坏形态如图4，图5所示。加固梁有明显的剪力滞效应，并且随着弯矩的增大，剪力滞后效应更加明显。

3 试验结果分析

3.1 承载力

各试验梁的试件编号、加固方式、屈服荷载、极限荷载、极限荷载的提高幅度以及试件的破坏形式汇总于表2。

从表2中可以看出，碳纤维加固梁L1，L2的极限承载力都有了很大程度的提高，相比未加固梁，分别提高了23.1%和38.4%，而嵌贴碳纤维布加固梁相比外贴碳纤维布加固梁，承载力提高了12.5%，表明后者的加固效果要优于前者，并且破坏形式是碳纤维被拉断，充分发挥了碳纤维的抗拉性能，避免了外贴加固梁的剥离破坏。

表2 试件承载力汇总表

3.2 变形分析

三种试件在不同荷载作用下的跨中挠度曲线对比图如图6所示。

从三片梁的荷载—跨中挠度曲线对比图可以看出，在混凝土开裂前，加固梁的挠度和未加固梁的挠度几乎没有区别，加固效果不明显，但是当梁底混凝土开裂后，未加固梁挠度增幅较之前有所增大，经碳纤维加固过的梁变化不大，在同一荷载作用下，加固梁的变形量均小于未加固梁，而且随着荷载的增加这种差异变得更加明显，尤其是在钢筋屈服之后，在同一荷载作用下，加固梁的变形量小于未加固梁。从荷载—跨中挠度曲线也可以看出，嵌贴碳纤维布的加固效果要优于外贴碳纤维布，两者的极限挠度分别是28.7 mm和30.3 mm。

4 结语

1)试验结果表明，CFRP布加固RC箱梁可以有效地提高试验梁的抗弯极限承载力，相比未加固的试件，外贴CFRP布加固RC箱梁的抗弯极限承载力提高了23.1%，嵌贴CFRP布加固RC箱梁的抗弯极限承载力提高了38.4%，后者的加固效果优于前者。2)试验结果表明，外贴CFRP布加固RC箱梁的U型箍出现了明显的滑移破坏，其锚固作用失效，两个U型箍之间的碳纤维布凸起，碳纤维布与梁底混凝土出现明显的剥离破坏。而嵌贴CFRP布加固RC箱梁的破坏形式是梁底CFRP布被拉断，充分发挥了碳纤维的抗拉性能，表明碳纤维的利用率要优于前者。3)试验结果表明，经CFRP布加固过的RC箱梁其刚度较未加固梁有明显的提高，在同一荷载作用下，加固梁的变形量小于未加固梁，而且嵌贴CFRP布加固的效果要优于外贴CFRP布加固。4)试验结果表明，与普通箱梁一样，碳纤维加固过的箱梁同样存在剪力滞效应，并且随着弯矩的增大，剪力滞效应就更加明显。

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[2] 高建兵.既有钢筋混凝土梁桥外贴增强材料加固技术研究[D].兰州：兰州交通大学硕士学位论文,2011.

[3] 张劲松.碳纤维加固钢筋混凝土梁、板受弯性能的试验研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文,2007.

[4] 曹双寅,邱洪兴,滕锦光,等.纤维加固受弯构件全过程分析和承载力计算[J].工业建筑,2000,30(10):27-43.

On experiments of embedded CFRP cloth strengthening RC box girder

Yin Guofei

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstitute,Xi’an710000,China)

According to the anti-bending test, the paper compares the three structures, including the unreinforced beam, bonded CFRP reinforced beam, and embedded carbon fiber cloth reinforced beam from the damage forms, ultimate bearing capacity, and limited deflection, and points out the embedded carbon fiber cloth reinforced beam can exert the material performance of the carbon fiber best, so as to improve the structural stiffness and rigidity.

carbon fiber cloth, box girder, loading capacity, anti-bending performance

1009-6825(2016)11-0198-03

2016-01-25

殷国飞(1988- )，男，助理工程师

TU317

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