预应力CFRP加固高强混凝土梁试验

洪 雷，太永伟

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 引 言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，因此被广泛应用在建筑物的加固中。CFRP的加固方法是将CFRP黏结在混凝土表面上，进而提高被加固构件的承载力、变形和延性等性能，但由于CFRP有着极高的抗拉强度(超过3 000 MPa)，在构件破坏后尚不能完全发挥其抗拉性能，因此采用预应力CFRP加固构件会更好发挥CFRP的高抗拉特性，从而避免黏结界面的应力滞后效应等现象[1-13]。

国内外学者对碳纤维布加固混凝土梁进行了大量的试验研究[14-21]。尚守平等[19]根据研究预应力碳纤维布加固混凝土梁构件的性能，对预应力碳纤维布加固混凝土梁的受弯构件和非预应力碳纤维布加固混凝土梁的受弯构件的荷载、抗弯刚度和工作性能进行分析，结果表明预应力碳纤维布极大地提高了梁的工作性能。刘立新等[20]对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行了研究，结果表明预应力碳纤维布加固梁其抗裂性增强，碳纤维布强度的利用率都得以提高。本文采用不同预应力等级的CFRP对无筋混凝土梁和钢筋混凝土梁进行了加固，并对加固后的梁构件性能进行了对比试验研究。

1 试验概述

1.1 试验材料

试验中混凝土的强度等级为C60，其中水泥采用PⅡ.52.5R普通硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，粗骨料选用粒径5～10 mm连续级配的碎石，减水剂为聚羧酸高效减水剂，标准养护28 d后混凝土实测强度为69.84 MPa，配合比如表1所示。CFRP布采用日本东丽UT70-30单向编织碳纤维布；底涂树脂和浸渍树脂采用JGN型碳纤维建筑结构胶，甲、乙两组分按照3∶1的比例配制。常温下CFRP力学性能见表2。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Concrete kg·m-3

表2 CFRP力学性能Tab.2 Mechanical Properties of CFRP

1.2 试件制作

预应力加载装置采用自行设计的持载器，由三部分构成[16]：第1部分为试件的上连接装置，主要由球铰、荷载传感器、槽型铁、插销四部分组成；第2部分为直接作用在试件上的持载装置；第3部分为试件与试验台进行连接的底座装置，见图2。

试验梁在标准养护28 d后，用角磨机将粘贴CFRP的位置打磨平整，磨去表面浆体，露出粗骨料。在梁两侧粘贴CFRP布作为锚固端，布宽为27束(约为70 mm)，为防止预应力张拉时剥离，在2个锚固端处再贴1层CFRP布，粘贴示意图见图3。通过加载装置施加预应力，调整至相应等级的预应力值后将CFRP粘贴在梁的底面，将梁同持载器在室温环境下静置7 d，待结构胶完全固化后剪断CFRP布，将持载器拆下。为防止CFRP在高预应力下放张时剥离，在梁端部设置了70 mm宽的U形箍，加固梁示意图见图4。

1.3 试验方法

根据不同的初始预应力等级，每组设置P01(非预应力)对比件和P02(0.15fcfk)，P03(0.30fcfk)2个等级的预应力试件，其中fcfk为碳纤维片材的抗拉强度标准值。根据梁种类和CFRP预应力等级对试件进行编号，K表示梁种类，K1为钢筋混凝土梁，K2为无筋混凝土梁，P表示CFRP预应力，共6组，每组3个试件试验结果取平均值。

采用100 t电液伺服试验机进行四点加载，加载采用位移加载方式，加载过程中通过德国制造的IMC数据采集装置进行数据采集，加载速率为0.2 mm·min-1，持续施加荷载，直至试验梁破坏，停止加载，试验装置见图5。试验主要采集以下数据：①通过100 kN荷载传感器测量试件所承受的荷载；②用线性可变差动变压器(LVDT)测量试件的跨中挠度；③进行应变测量，包括梁跨中受拉钢筋的应变，以及梁底面CFRP的应变，具体粘贴位置如图6所示。

2 结果分析

2.1 荷载及挠度分析

表3列出了各组试验梁的试验结果。由表3可见：相比于K1P01试验梁，CFRP施加预应力的加固梁开裂荷载、极限荷载均有了明显的提高；K1P03试验梁相比于K1P02试验梁其开裂荷载的增幅逐渐趋于平稳，而极限荷载有更为明显的提高趋势。

表3 各试验梁的试验结果Tab.3 Test Results of Test Beams

注：F0.2为最大裂缝宽度0.2 mm时的荷载。

由表2还可以看出：钢筋混凝土梁试验中，随着CFRP预应力从0提高到0.15fcfk，0.30fcfk，其开裂荷载分别提高了28%，38%，极限荷载分别提高了10%，25%；无筋混凝土梁试验中，开裂荷载分别提高了19%，30%，极限荷载分别提高了8%，28%。表明预应力CFRP加固无筋梁与有筋梁的各项荷载提升幅度基本一致，加固效果大致相同。

与K1P01梁对比可以看出，CFRP预应力为0.15fcfk，0.30fcfk的钢筋混凝土梁在最大裂缝为0.2 mm时的荷载相对于预应力为0的钢筋混凝土梁分别提高了10%，24%，无筋混凝土梁在此荷载时分别提高了23%，40%。表明预应力CFRP加固无筋混凝土梁抑制裂缝效果更为明显。

图7为钢筋混凝土梁及无筋混凝土梁的荷载-挠度曲线。有筋及无筋混凝土梁的荷载-挠度曲线可大致分为3个阶段：第1阶段为试验梁的弹性上升阶段，基本呈线性变化；第2阶段为试验梁开裂后阶段，开裂界面混凝土拉应力迅速释放，导致混凝土与CFRP黏结界面应力不断增加，其间曲线非线性增长缓慢，随着荷载震荡的上升，裂缝不断地产生与开展，直至达到极限荷载，此阶段为剥离段，阶段的长度代表着结构的延性，剥离段越长，其延性越好；第3阶段为极限荷载后的极速下降段，主裂缝迅速开展，CFRP从主裂缝不断剥离，直至沿一侧完全剥离，试验梁承载力丧失。

加固钢筋混凝土梁与无筋混凝土梁明显区别段为第2阶段。进入混凝土开裂后，无筋混凝土梁存在明显的下降段，但由于CFRP迅速发挥作用，梁承载力继续提升，随着预应力等级的提高，其承载能力提高幅度逐渐增大，直至CFRP与混凝土界面剥离，达到其极限承载力；钢筋混凝土梁因钢筋和CFRP的存在，在开裂后没有明显的下降段，荷载有微小幅度的震荡上升，直至CFRP与混凝土界面剥离，达到极限荷载。

达到梁极限承载力后，无筋混凝土梁承载力迅速下降，并随着预应力CFRP等级的提高，下降段愈加明显；加固钢筋混凝土梁随着预应力CFRP等级的提高，其下降幅度较小，且其延性有了显著的提高，在预应力CFRP由0.15fcfk提高至0.30fcfk，剥离段增长明显，表明其延性有大幅提高。

2.2 破坏形态分析

2.2.1 无筋混凝土梁破坏形态分析

图8(a),(b)分别为0.15fcfk，0.30fcfk预应力CFRP加固的无筋混凝土梁破坏形态，其破坏形态均为中部弯剪裂缝引起的界面剥离破坏。无筋混凝土梁在加载过程中裂缝主要分布在试验梁的一侧，且裂缝数量少，主要为弯剪裂缝。随着CFRP预应力等级的提高，其裂缝数量明显减少。

加载初期在弯剪段出现裂缝，裂缝不断开展，直至荷载达到一定值时，CFRP与混凝土界面迅速剥离，致使梁承载能力丧失，梁顶混凝土并未压碎。剥离后CFRP上黏着少量的混凝土颗粒，但随着预应力等级的提高，粘贴的混凝土颗粒越来越多，甚至伴随着保护层的剥落。这表明随着预应力等级的提高，其界面破坏由胶层的破坏逐步转变为胶层与混凝土的破坏。

2.2.2 钢筋混凝土梁破坏形态分析

图9(a)，(b)分别为0.15fcfk，0.30fcfk预应力CFRP加固钢筋混凝土梁破坏形态，图9(c)，(d)分别为0.15fcfk，0.30fcfk预应力CFRP加固混凝土梁梁底破坏形态。钢筋混凝土梁裂缝明显增多，这是由于钢筋的存在极大地增加了梁的强度与延性，使其承载力有了显著的提高，导致梁在不断加载中出现更多的裂缝。梁的破坏形态均为中部弯剪裂缝引起的界面剥离破坏，裂缝较均匀地分布在梁的两侧。随着荷载的增加，弯剪段的主裂缝不断开展，当达到一定水平时，CFRP与混凝土界面剥离，伴随着上部混凝土被压碎，试验梁达到其极限承载能力。

对比0.15fcfk，0.30fcfk预应力梁破坏形态可以发现，0.30fcfk预应力梁裂缝明显减少，剥离后的CFRP上黏结下更多的混凝土，不仅有表层的泥浆，同时上面附着部分粗骨料，其界面破坏为胶层与混凝土的破坏。表明高预应力CFRP下可延缓梁裂缝的开展与发展，同时对CFRP与混凝土黏结界面有着更好的黏结效应。

2.3 荷载-应变分析

图10为钢筋混凝土梁以及无筋混凝土梁的荷载-应变曲线。钢筋混凝土梁和无筋混凝土梁的荷载-跨中应变曲线大致可分为3个阶段：第1阶段为弹性阶段，曲线基本呈线性变化，CFRP跨中应变随着荷载增长而增长；第2阶段为混凝土开裂后CFRP的剥离阶段，由于混凝土开裂后混凝土界面的拉应力迅速释放导致CFRP应变的不断增长，其中曲线的波折点为混凝土开裂或者CFRP与混凝土界面开始产生剥离；第3阶段为达到极限荷载，试验梁破坏。由于预应力CFRP的存在，有筋梁的延性比无筋梁有着显著提高，CFRP的利用率有了明显提升。

相比于CFRP加固试件，预应力CFRP加固试件开裂荷载和CFRP极限应变明显增大，随着CFRP预应力等级的提高，增大幅度更为明显。由图10可见，相比于K2P02和K2P01试件，K2P03试件极限荷载和极限CFRP应变大幅增大。由此可见，预应力CFRP加固试件的承载能力明显高于普通CFRP加固试件，同时预应力CFRP的存在明显提高了CFRP利用率，合理利用了CFRP高强特性，提高了试件的工作性能。与CFRP预应力由0提升至0.15fcfk相比，CFRP预应力由0.15fcfk提升至0.30fcfk，梁底CFRP跨中应变提升幅度明显。

3 结 语

(1)预应力CFRP加固钢筋混凝土梁与无筋混凝土梁的破坏为中部弯剪裂缝引起的界面破坏，随着CFRP预应力等级的提高，其破坏形态由树脂胶层的破坏变成胶层与混凝土界面的破坏。

(2)预应力CFRP显著提高了加固梁的开裂荷载和极限荷载。CFRP预应力由0提高到0.15fcfk，0.30fcfk时，无筋混凝土梁极限荷载分别提高了8%和28%，开裂荷载分别提高了19%和30%；2个有筋混凝土梁极限荷载分别提高了10%和25%，开裂荷载提高了28%和38%。

(3)预应力CFRP加固钢筋混凝土梁相比无筋混凝土梁其裂缝数量明显增多，裂缝开展速率缓慢，且钢筋混凝土梁的延性有了明显增强。