侧嵌式CFRP板加固损伤RC梁抗弯性能研究

田稳苓 刘大亨 李子祥

摘要 在预先制作的6根损伤RC梁两侧面受拉区开相互垂直的纵槽、竖槽，嵌入CFRP板，进行三点弯曲试验。研究纵槽间距、竖槽间距对加固RC梁抗弯性能的影响。结果表明，此加固方法可以提高加固梁正截面抗弯刚度，控制原有裂缝的发展、数量;竖槽CFRP板可作为锚固件，防止加固梁出现粘结破坏;随着纵槽间距增大，加固梁的抗弯性能减弱;本文推导的加固RC梁跨中挠度及抗弯承载力计算公式可作为构件设计依据。

关 键 词 侧嵌式;网状槽;CFRP板;纵槽间距;竖槽间距;抗弯性能

中图分类号 TU375.1     文献标志码 A

Experimental study on the flexural behavior of RC damaged beams strengthened with side-near-surface mounted CFRP plates

TIAN Wenling1， 2， LIU Daheng1， LI Zixiang1

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

Abstract First， six damaged RC beams were manufactured. On the base of both sides， perpendicular longitudinal grooves and transverse grooves are notched at the tensile zone. Then we embed the CFRP plates and conduct a three-point static loading test to study the influence of longitudinal grooves and transverse grooves on flexural behavior. The result shows that this kind of reinforcement method can control the development and amount of cracks and is very effective in maintaining flexural stiffness of test beams. While increasing the longitudinal groove spacing， the flexural behavior of test beams degrades; the formula of load-mid-span deflection and flexural capacity derived in this experiment can be used as the basis of the design.

Key words side-near-surface mounted; netted grooves; CFRP plates; longitudinal groove spacing; transverse groove spacing; flexural behavior

0 引言

嵌入式（Near Surfaced Mounted，NSM）纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic，FRP）加固钢筋混凝土结构是一种新兴的加固技术，其施工工艺为：依据设计要求在构件保护层内开槽，注入粘结剂，然后将FRP板材或筋放至槽中，最后填满粘结材料。FRP嵌入式加固法有粘结性能优越、可以有效保护FRP不受破坏、施工方便、加固形式灵活多样等优点[1-3]。

目前，关于嵌入式FRP加固法的研究主要包括加固梁的粘结性能、抗剪性能及抗弯性能研究，结果表明：嵌入长度及深度、CFRP板用量、粘结材料种类等是加固梁性能的主要影响因素;对CFRP板/筋施加预应力可以明显提高RC梁的抗弯刚度，控制裂缝的发展，充分利用CFRP板/筋强度[4-9];提出了嵌入式CFRP板/筋加固梁在各种破坏模式下的抗弯承载力计算公式[10-15]。

实际结构加固时，梁底面会存在墙体或管线，且已受到一定损伤，故本文以受损且底面加固受限梁为背景，在梁侧面底部受拉区开纵槽加固;为避免出现粘结破坏，防止混凝土保护层脱落，在垂直于纵槽方向上开竖向槽，嵌入CFRP板作为锚固件。以纵槽间距和竖槽间距为变量，进行试验研究和理论分析，探討受损加固RC梁的抗弯性能。

1 试验概述

1.1 试件设计及材料力学性能

共设计6根RC试验梁。试验梁长6.3 m，计算跨度6 m，横截面尺寸为300 mm×600 mm。混凝土强度为C40。WJ2-1（2、3）梁纵筋采用HRB400热轧钢筋;WJ5-1（2、3）梁纵筋采用HRB500热轧钢筋，试验梁尺寸及配筋见图1。

1.1.1 钢筋力学性能

依据《金属材料拉伸试验方法》测得钢筋抗拉强度，见表1。

1.1.2 混凝土力学性能

试验梁所用混凝土强度等级为C40，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》测得抗压强度，见表2。

1.1.3 CFRP板力学性能

试验所用CFRP板各项性能由生产厂家提供，见表3。

加固梁跨中正截面应变符合平截面假定，将纵槽CFRP板換算为纵向钢筋，换算后的纵向钢筋横截面面积：

[AFS=EFAFES]， （1）

式中：AFS为CFRP板换算为纵筋横截面面积;EF、AF为CFRP板弹性模量、横截面面积。

换算以后，由图9可知，梁受拉区纵筋不在同一位置处，其重心位置距梁受压区边缘：

[h0=2y1AFS+2y2ASF+y3（2ASF+AS1）+yS2AS2AS1+6AFS+AS2]。 （2）

本文计算中，除另行注明外，所有符号含义与《规范》相同。y1、y2、y3为顶部、中间、底部纵槽CFRP板距受压区边缘高度;AS1、AS2为底层、上层受拉钢筋横截面面积。

由《规范》，加固梁短期抗弯刚度

[BS=ESASh201.15ψ+0.2+6αEρ] ，                  （3）

加固梁正常使用情况下短期挠度

[f=Fl348BS] ，                            （4）

式中：f为跨中挠度;F为作用于梁三等分点处的集中荷载;l为加固梁计算跨度。

材料力学性能已给出，联合式（1）～式（4）即可求出加固RC梁跨中挠度。表8列出了加固RC梁在90 ～ 210 kN荷载作用下，跨中挠度的试验值与计算值。

由表8可知，挠度计算值与试验值之比为0.93～1.25，式（1）～式（4）可以用来计算侧嵌式CFRP板加固梁跨中挠度。

3 加固梁纵筋屈服抗弯承载力计算

加固梁顶部混凝土没有被压碎，底部纵筋屈服。计算抗弯承载力假定除符合《规范》外，还须满足以下条件：

1）CFRP板与加固梁之间有可靠的粘结作用，不发生粘结破坏;

2）不考虑加固梁竖槽CFRP板及损伤情况对抗弯承载力的影响;

3）CFRP板的应力—应变关系为线弹性关系，即应力等于应变乘以弹性模量。

加固梁跨中正截面应变及应力分布见图10。依据平截面假定，将纵槽CFRP板与受拉/压区纵筋应变以受压区边缘混凝土应变表示：

[ε′S=y′Sεcx0=（x0-40）εcx0]，[εS2=400εcx0]

[ε3=y3εcx0=（550-x0-2d）εcx0]  ，[ε2=y2εcx0=（550-x0-d）εcx0][ε1=εy]

式中：y1、y2、y3为底部、中间、上部纵槽CFRP板至中和轴距离;ε1、ε2、ε3为底部、中间、上部纵槽CFRP板应变;εS2为上层受拉钢筋应变;d为纵槽间距;εy已知。

由力的平衡关系可得

[Cc+F′s=fyAs1+F1+F2+F3+Fs2]， （5）

[Cc=（εcε0-ε2c3ε2c）fcbx0 ，F′s=Esε′sA′s ，F1=2EFε1AF ，F2=2EFε2AF ，F3=2EFε3AF ，Fs2=Esεs2As2 ，]

式中：Cc为混凝土受压区合力;[F′s]为受压区钢筋合力;F1、F2、F3为底部、中间、上部纵槽CFRP板合力;Fs2为上层受拉钢筋合力。

将几何关系代入式（5）可得

[Mx20-Nx0-P=0]，                     （6）

[M=（εcε0-ε2c3ε2c）fcb ，N=fyAs1+2EFAFεy-（EsA′s+4EFAF）εc ，P=[40EsA′s+400EsAs2+2EFAF（1100-3d）]εc 。]

加固梁跨中正截面符合平截面假定数学表达式：

[x0h0=εcεc+εy][ 。]                             （7）

式（6）有2个未知数εc、x0，求解时首先假定一个εc值，代入式（6）、式（7），分别解出[x0]，如果两者不相等，调整[εc]值，直至由两式求出的[x0]近似相等即可，进而求出β[16]。

以受压区混凝土合力作用点取矩，则加固梁在纵筋屈服，混凝土没有压碎阶段抗弯承载力-My：

[My=Ms1+Ms2+MF1+MF2+MF3-M′sMs1=fyAs1（550-0.5βx0）Ms2=400EsAs2（400-0.5βx0）εcx0MF1=2EFAFεy（550-0.5βx0）MF2=2EFAFεc（550-x0-d）（550-0.5βx0-d）x0MF3=2EFAFεc（550-x0-2d）（550-0.5βx0-2d）x0M′s=EsAs（x0-40）（0.5βx0-40）εcx0]

式中：[My]为加固梁纵筋屈服时抗弯承载力;[Ms1]、[Ms2]为受拉区底层、上层钢筋弯矩;[MF1]、[MF2]、[MF3]为底部、中间、上部纵槽CFRP板弯矩;[M′s]为受压钢筋弯矩。

抗弯承载力试验值与计算值之比为1.02～1.19，见表9。本文提出的抗弯承载力公式可以作为今后理论研究的参考。

由[x0]可以求出加固梁在纵筋屈服时ε1、ε2、ε3值，见表10，纵槽CFRP板应变计算值与试验值之比为0.87～1.15，符合平截面假定，故本文提出的抗弯承载力计算公式具有合理性。

4 结论

通过分析側面开网状槽嵌入CFRP板加固受损RC梁的抗弯性能，可以得出以下结论：

1）竖槽CFRP板锚固效果良好，加固RC梁未出现粘结破坏，纵槽CFRP板与加固梁具有很好的整体受力性能;

2）与完好梁相比，此加固法可以提高加固梁抗弯承载力，有效提高抗弯刚度，减小跨中挠度，控制原受弯主裂缝、原分布微裂缝发展、数量;

3）纵槽间距增加，加固梁纵槽CFRP板抗拉作用减弱，导致抗弯承载力下降，抗弯刚度减小，裂缝宽度增加，通过本试验得出纵槽、竖槽最优间距分别为50 mm、600 mm;

4）本文提出的加固RC梁跨中挠度及抗弯承载力计算公式可以作为构件设计依据。

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[责任编辑    杨    屹]