C/AFRP布加固PPC梁试验研究及理论分析

窦远明　鞠培东　史一星　邓留藏　张晶晶

摘要 为研究C/AFRP布加固PPC梁的力学性能，进行了8根PPC梁的静载试验和等幅疲劳试验，并与CFRP布和AFRP布加固PPC梁进行对比。试验结果表明：与未加固PPC梁相比，C/AFRP布加固PPC梁的承载力提高了36%，疲劳寿命超过200万次;与其他加固梁相比，C/AFRP布加固PPC梁的延性和抗疲劳性能更优。基于刚度退化衰减规律对试验梁进行研究，得出抗弯刚度的破坏准则。

关 键 词 C/AFRP布;PPC梁;延性;疲劳性能;刚度退化

中图分类号 U443.35     文献标志码 A

Experimental study and theoretical analysis of PPC beams strengthened with C/AFRP sheets

DOU Yuanming1，2， JU Peidong1， SHI Yixing1， DENG Liucang1， ZHANG Jingjing1

（1. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin300401，China; 2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province， Tianjin 300401， China）

Abstract Through static load test and constant amplitude fatigue test of 8 PPC beams， bending mechanical property of PPC beams strengthened with C / AFRP sheets were studied and compared with CFRP and AFRP sheets. The experimental results show that the bearing capacity of the PPC beam strengthened with C/AFRP increases 36%， bending stiffness is enhanced and the fatigue life is more than 2 million. Compared with other reinforced beams， the ductility and fatigue resistance of PPC beams strengthened by C/AFRP are better. Based on the analysis method of Miner linear cumulative damage， the fatigue evolution rule of the test beam has been described， which can be used for the reference of the actual bridge reinforcement design.

Key words C/AFRP sheets; PPC beams; ductility; fatigue behavior; stiffness degradation

0 引言

桥梁作为我国经济发展重要的基础设施，是交通建设中重要的组成部分。随着经济技术的飞速发展，交通流量剧增、车辆速度提高、重载车辆与日俱增，导致部分桥梁随着使用年限的增长呈现“老龄化”状态，甚至有些桥梁已经不能满足正常使用要求[1]。纤维布加固钢筋混凝土梁能增强原梁的承载能力，提高桥梁的耐久性，延长桥梁结构使用寿命，是解决桥梁“老龄化”问题的一种有效方法。

自纤维布作为一种加固材料运用于加固钢筋混凝土梁以来，国内外学者对纤维布这种加固方式进行了大量研究，具有代表性的有：Mohsen Shahawy等[2]完成的CFRP布加固T形截面梁的疲劳试验，经过加固的钢筋混凝土梁的疲劳寿命显著提高。郑文忠等[3]对粘贴无机胶的CFRP布加固混凝土梁的受弯试验进行研究，并提出其承载力的计算方法。张慎伟等[4]通过AFRP布加固钢筋混凝土梁的静载试验得出界面粘结剪应力大小的影响因素，提出能有效避免剥离破坏的具体措施，王兴国等[5]对外贴AFRP布加固RC梁冲击试验进行了分析，得出试验梁受冲击加载后的破坏形式。

从以往的研究中可以得出，纤维布加固钢筋混凝土梁的研究重点在单一纤维布的研究上，且很少考虑其弯曲疲劳的变化规律。C/AFRP布作为一种新型的复合材料既有较高的强度，又有良好的耐久性，能够较好的结合两种纤维各自的优点，取长补短[6]。为探究C/AFRP布加固PPC梁的力学性能，本文采用C/AFRP纤维布加固梁进行静载试验及等幅疲劳试验，并通过CFRP布和AFRP布加固PPC梁进行对比分析。基于刚度退化衰减规律对试验梁进行研究，得出抗弯刚度的破坏准则。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件为简支梁构件。计算跨度3 700 mm，截面尺寸180 mm×200 mm，受力主筋及箍筋为HPB300钢筋，混凝土设计强度等级为C40，试验梁剖面图及正截面钢筋布置图如图1所示。试验纤维布及环氧树脂浸渍胶均为天津卡本复合材料有限公司生产，并通过相关质量检验。C/AFRP布采用混杂比为C∶A=1∶1的层内混杂纤维，所有加固梁加固层数为两层，为增强每根试验梁的锚固性能，在加固梁端部用浸渍胶粘贴一层U型纤维布条作为附加的锚固措施。

1.2 試验方案

为模拟实际工程中桥梁使用状况，对加固梁进行预裂处理，预裂过程中控制主裂纹裂缝高度，将最大裂缝高度控制在150 mm左右。之后对梁进行加固处理。静载试验采用三环三通道电液伺服试验机进行加载，静载试验的加载装置如图2所示。

本次疲劳试验使用的是JAW-1000/4结构抗震拟动力试验系统。考虑到结构自重，且要满足实际交通状况及试验仪器等条件的影响，本试验将疲劳荷载上限取为0.70倍的极限承载力，即0.7Mu;疲劳荷载下限取为0.20倍的极限承载力，即0.20Mu。疲劳试验的加载装置如图4所示。

2 静载试验结果

2.1 静载试验梁承载力及破坏形态分析

静载试验共4根试验梁，本次静载试验的试验结果如表1所示，由表中的数据可知，相比于未加固梁L1，C/AFRP加固梁L4的实际极限承载力提高了36.01%，达到纤维布加固的效果，且与计算值误差很小。

2.2 静载试验梁延性分析

相关学者在以往的研究中曾经得出过此结论：纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力显著提高，但延性会降低[7]。美国加固设计指南中建议在抗弯加固设计中引入延性系数来保证截面有足够的延性[8]，我国《混凝土结构加固规范》[9]中也有对加固梁的延性提出相关规定，因此，分析试验梁的延性是十分必要的。这里采用位移延性系数[10]：μ=ƒμ/ƒy，系数越大表明其变形能力越强，延性越好。试验结果见表2。

由表2中数据可知，与普通PPC梁L1相比，纤维布加固PPC梁的延性降低;相比于L2和L3，L4的延性较大，表明相对于单一纤维布加固梁，C/AFRP布加固梁的延性下降最小。由此得出的结论：对于混杂纤维布而言，尽管两种布的弹性模量不同，但其协同作用完全体现出来，使得加固PPC梁的延性较好的体现出来。延性的好坏将决定构件最后的破坏形态，C/AFRP布加固梁L4有着较好的延性，它们的破坏现象为受压区混凝土压碎，纤维布完好;CFRP布加固梁L2发生了纤维布剥离破坏，构件的延性相比其他加固梁而言偏小。

3 疲劳试验分析

3.1 疲劳试验结果

疲劳试验一共有4根试验梁，L5为未加固梁，L6为CFRP布加固梁，L7为AFRP布加固梁，L8为C/AFRP布加固梁。从表3可以看出，未加固梁L5的疲劳寿命仅为157万次，而加固梁的疲劳寿命均能达到200万次，加固效果显著。

3.2 疲劳试验试验梁裂缝发展

试验梁裂缝分布如图4。初次加载至疲劳上限附近，L5、L6、L7、L8各梁最大裂缝均在跨中附近，宽度分别为0.11 mm，0.07 mm，0.06 mm，0.05 mm;加载至1万次停机，进行静载试验，观测到C/AFRP加固梁L8的裂缝宽度仍最小，所有梁的裂缝数量均有所增加;加载至10万次停机，进行静载试验，观测到L5的裂缝宽度有明显地增加，L6、L7增长较为明显，C/AFRP加固梁L8裂缝宽度增长较为缓慢;加载至30万次加固梁L6、L7、L8的裂缝数量不再增多，尤其是C/AFRP加固梁L8裂缝宽度变化最小，未加固梁L5的裂缝数量直到50万次才趋于稳定;加载至120万次停机时，未加固梁L5的最大裂缝宽度1.16 mm，此时梁裂缝发展迅速，疲劳损伤明显。加固梁L6、L7、L8的最大裂缝宽度分别为0.23 mm、0.21 mm、0.18 mm，加固梁疲劳性能相对稳定;加载至150万次停机时L5的最大裂缝宽度已达到1.40 mm，且有2条裂缝宽度大于0.5 mm，此时未加固梁L5损伤严重，即将发生破坏。加固梁L6、L7裂缝宽度平稳增长，最大裂缝宽度分别达到0.26 mm、0.24 mm，C/AFRP加固梁裂缝宽度仅0.20 mm;加载至200万次时，测得L6、L7、L8裂缝宽度分别为0.30 mm、0.29 mm、0.24 mm比150万次时裂缝宽度增大到0.04 mm、0.05 mm、0.04 mm，说明加固梁在150万次后梁体损伤速率加快，但C/AFRP加固梁L8总体疲劳性能优于CFRP加固梁L6和AFRP加固梁L7。

3.3 疲劳挠度变化分析

图6为试验梁在不同疲劳次数下跨中挠度曲线图。由图可知，所有试验梁的挠度随疲劳荷载循环次数的增加而增加，在疲劳初期各试验梁的挠度增长幅度较快，曲线基本平行发展，呈良好的线性，说明构件始终处于弹性工作状态。未加固梁的L5梁在寿命期内其挠度增长速率较快，加固梁L6、L7、L8各梁挠度在整个疲劳荷载阶段都稳定增长，且增长幅度明显比未加固梁L5小，这表明纤维布的存在，有效地减缓了试验梁累积损伤，有效地延缓了梁的刚度退化。对于加固梁L6、L7、L8而言，从疲劳使用开始到200万次结束，跨中挠度分别增长了4.7 mm、5.8 mm、4.3 mm。因此对变形有很高要求、承受动荷载的结构加固时可优先考虑C/AFRP布。

构件的刚度是指构件在荷载作用下抵抗变形的能力，即引起单位变形所需要的应力。本疲劳试验为集中力加载的简支梁试验，则沿梁长度方向的弯矩不相等。考虑到结构的可靠性，本文参照“最小刚度原则”进行分析，即跨中弯矩所对应的刚度，采用结构力学中挠曲线方程来计算试验梁的抗弯刚度B

B=a（Ml/f）， （1）

式中：B为试验梁抗弯刚度;M为疲劳荷载作用下最大弯矩;f为疲劳荷载作用下最大挠度;α为相关系数，可由结构力学中图乘法求得。

本次试验选取1万次，10万次、30万次、50万次、100万次、150万次、200万次和加固梁即将达到破坏时的刚度进行分析。

图6为疲劳试验结果得出的刚度退化曲线规律，由图像可知，所有试验梁呈现出3阶段发展规律：

1）快速衰减阶段，约占整个循环的5%～10%，此阶段刚度退化快，可见循环初期疲勞荷载对构件梁刚度影响较大。

2）衰减稳定发展阶段，此阶段约占整个疲劳的70%～80%，构件整体达到相对稳定的状态，刚度衰减呈线性发展关系。

3）迅速破坏阶段，此阶段约占整个疲劳的10%～20%，刚度迅速减少，最终导致破坏。

由现场试验现象可知，疲劳试验试验梁破坏最终破坏均为钢筋疲劳破坏，刚度退化曲线所选取的刚度均为破坏前试验梁正常工作状态时的数据。由此可见，在疲劳破坏前可能没有任何征兆，破坏时试验梁的刚度可能由某一数值骤降到0。因此，研究试验梁的疲劳破坏准则很有必要。

3.4 疲劳试验PPC梁破坏准则分析

为研究试验梁在疲劳荷载作用下的破坏准则，需要对试验所求刚度进行处理，定义损伤变量为

D=1-（B/B）， （2）

该损伤变量是针对某个循环的，D=0时试验梁为无损伤状态，损伤变量D是单调递增且不可逆的函数，表4为所求数据结果。

表4列出试验梁刚度及损伤量的相关结果，未加固梁的破壞抗弯刚度比为0.7;纤维布加固梁的破坏抗弯刚度比均值为0.813，方差为0.000 289。说明无论初始模量为多少，对于纤维布加固梁而言，只要试验梁损伤量D达到0.187，即抗弯刚度衰减至0.813时，加固梁将发生破坏。同理，未加固梁损伤量D达到0.3时，试验梁也发生破坏。

对于此类PPC梁，可以提出如下破坏建议公式：

1）对于普通PPC梁而言：

B>B=0.7B， （3）

即以抗弯刚度与初始抗弯刚度的比值为0.7为纤维布加固PPC的破坏准则。

2）对于FRP布加固PPC梁而言：

B≥B=0.813B， （4）

即无论何种纤维布进行加固，以抗弯刚度与初始抗弯刚度的比值为0.813为纤维布加固PPC的破坏准则。

4 结语

通过静载试验和动载试验的试验结果及理论分析，得出以下结论：

1）C/AFRP布加固梁与未加固梁对比，承载力提高了36%，疲劳寿命超过200万次，达到预期加固效果;

2）C/AFRP布加固梁与CFRP布和AFRP布加固梁对比，其延性最优。在疲劳试验中，构件的裂缝发展速度降低，疲劳累积损伤明显减缓。相比于单一纤维布加固技术，C/AFRP加固技术优势明显;

3）基于刚度退化原理对试验梁的破坏准则进行研究，得出PPC梁建议破坏公式，为PPC梁的加固及工程检测提供理论依据。

参考文献：

[1]    尹创. 在役桥梁技术状况评定决策研究[D]. 天津：天津大学，2011.

[2]    SHAHAWY M，BEITELMAN T E. Static and fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP laminates[J]. Journal of Structural Engineering，1999，125（6）：613-621.

[3]    郑文忠，陈伟宏，王明敏. 用无机胶粘贴CFRP布加固混凝土梁受弯试验研究[J]. 土木工程学报，2010，43（4）：37-45.

[4]    张慎伟，王有志，张其林. AFRP加固钢筋混凝土梁的界面粘结剪应力[J]. 建筑材料学报，2006，9（5）：619-622.

[5]    王兴国，朱坤佳，栗橋祐介. 外粘AFRP布加固RC梁冲击试验分析[J]. 铁道学报，2015，37（4）：111-115.

[6]    王小萌，周储伟，艾军. Flexural capacity of rc beam strengthened with prestressed c/afrp sheets[J]. 南京航空航天大学学报（英文版），2013，30（2）：202-208.

[6]    王小萌，周储伟，艾军，等. Flexural capacity of RC beam strengthened with prestressed tressed C/AFRP sheets[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2013，30（2）：202-208.

[7]    王文炜，赵国藩，黄承逵. 碳纤维布加固已承受荷载的钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究及抗弯承载力计算[J]. 工程力学，2004，21（4）：172-178.

[8]    ACI Committee 440. Guide for the design and construction of externally bonded FRP system for strengthening concrete structures[S]. Detroit：American Concrete Institute，2000.

[9]    中华人民共和国国家建设部. GB 50367，混凝土结构加固设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[10]  王文炜. FRP加固混凝土结构技术及应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[责任编辑 杨 屹]