预应力TRM加固RC梁正截面承载能力试验

任伟*，刘贺，李平2，赵满

(1.长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室， 陕西西安7100642.哈尔滨市市政工程设计院， 黑龙江哈尔滨150009)

0 引言

高强纤维材料用来加固桥梁、建筑等结构物，一直是结构加固的重点研究对象[1]。高强纤维材料具有轻质高强、施工简便的特点，目前常用的纤维加固材料有碳纤维(CFRP)，芳纶纤维(AFRP)等。本文所用加固材料—纤维织物网是用芳纶纤维编织而成，相对于碳纤维，芳纶纤维的抗剪和抗冲击强度均较优，而且芳纶纤维不导电，可以用在地铁等特殊场合中。

在常规粘贴非预应力FRP加固混凝土梁试验中， FRP发挥不到五分之一的强度时FRP就会因梁的变形而剥离[2]，所以直接粘贴FRP加固是很不经济的[3]。并且在钢筋屈服后不久，外贴FRP就开始剥离，对梁的极限荷载的提高帮助甚微[4]。为了解决传统外贴FRP加固方法中FRP利用率低和被动加固的问题，可对FRP施加预应力使FRP对梁体主动施力。经过众多学者的研究[5-10]，目前对FRP材料施加预应力的方法有以下几种：反拱法、波形锚具法、端锚固法和通过外部反力架张拉法。

上述方法除端锚固法外，其他方法由于受到施工条件和施工困难程度的影响很难在实桥上应用[11]。如反拱法需先用千斤顶对梁体跨中位置顶升，对设备要求高，并且容易对梁体造成破坏；波形锚具法不适用于跨径较大的梁；外部反力架张拉法需要用吨位较大的千斤顶，施工复杂。本文所采用的张拉锚固设备是本课题组按照端锚固法的加固思路和小吨位、分散锚固的加固形式自主设计研发的，并且已经申请了国家发明专利。

本文所用的张拉锚固设备是通过扭转施力法来施加预应力，简便易行，满足现场施工的条件。本文利用该张拉锚固设备来进行预应力TRM(纤维织物网增强砂浆)加固，对比分析加固后RC梁受弯性能的变化。

1 试验方案

1.1 试件设计

为了使试验梁尺寸在满足安装张拉锚固设备的要求的基础上尽量缩小，本次试验把矩形梁设计成两端渐变加宽的形式。试验梁长为3.3 m，跨度为3.2 m，截面尺寸为160 mm×320 mm。试验梁底部主筋为2Ф14的HRB400型钢筋，配筋率为0.6 %，架立钢筋采用2Ф8的HRB335型钢筋，试验梁采用C30强度混凝土。试验梁尺寸及配筋见图1。

(a) 立面图

(b)1-1横断面图 单位：mm

图1 试件参数及配筋图
Fig.1 Geometry and reinforcement details for specimens

1.2 试验材料

本文所用的加固材料芳纶纤维的力学参数见表1。纤维织物网实物见图2。

图2 纤维织物网Fig.2 Fabric web

表1 芳纶纤维性能参数Tab.1 Aramid fiber performance parameters

受拉钢筋经拉伸试验实测屈服强度为476.8 MPa，混凝土立方体抗压强度实测为34.4 MPa。

1.3 张拉锚固设备及加固流程

本文所采用的张拉锚固设备为课题组独立设计研发，通过在梁上种植化学螺栓固定。主要包括3部分：张拉端、锚固端、反力架。具体结构形式见图3。工作原理：扭动施力螺母，张拉端在固定滑道平移，依靠楔形块在分离式楔形夹具内的摩擦力来对纤维网进行稳定可靠张拉，锚固端依靠波形带齿锚具来阻止纤维网滑移，并且经试验验证在合适的锚固方式下滑移量控制在5 mm以下[12]。反力架固定在梁上承担张拉过程中的反力。

张拉设备的加固流程为：①在梁底测量好孔位后进行钻孔、种植化学螺栓；②安装好张拉端、锚固端和反力架；③在梁底先涂抹厚度为5 mm的环氧树脂砂浆，再将纤维网穿过张拉端和锚固端；④扭动施力螺母来拉动张拉端，通过S型传感器控制张拉力；⑤张拉到目标荷载后，再涂抹5 mm厚的环氧树脂砂浆将纤维网覆盖住；⑥待到砂浆养护完毕后旋转顶紧螺杆顶住张拉端，直到S型传感器读数为0。此时可以撤掉反力架和传感器。

图3 张拉设备Fig.3 Composition of stretching equipment

1.4 试验方案

本文通过3片矩形试验梁，对预应力TRM加固混凝土梁进行研究。其中B-02试验梁在加固前预先压裂0.1 mm宽的裂缝，再进行加固，加固参数见表2。

表2 试验梁加固参数Tab.2 Details of test beams

图4 加固后图示Fig.4 Schematic diagram after reinforcement

加固前首先进行预张拉，确定张拉设备各部位连接可靠。张拉分五级张拉到目标荷载，以2 kN/min匀速张拉，每级张拉完后观察2 min后再进行下一步张拉，直到张拉到指定荷载。加固图见图4。

试验使用电液伺服作动器进行位移加载。为了尽可能详细的采集试验梁各受力阶段的数据，在加载初期加载速率为0.5 mm/min，在试验梁开裂后将速率提高到1 mm/min，受拉钢筋屈服后采用2 mm/min加载速率。

1.5 试验加载及测量

试验通过分配梁进行四点加载，如图5所示。

图5 加载示意图Fig.5 Schematic of loading

本试验在梁底面、顶面、两侧面粘贴混凝土应变片测试各阶段梁的应变变化。通过提前预埋经过特殊处理的钢筋应变片来量测钢筋应变。在试验梁的跨中、四分点和支点处设置百分表来测量试验梁挠度变化。主要测试内容有：承载力，包括：开裂荷载、屈服荷载、极限荷载；位移；钢筋及混凝土应变。用裂缝观测仪观察裂缝宽度，人工摄像记录梁体裂缝各阶段发展情况。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

首先对B-01梁进行了抗弯试验。B-01梁为对比梁，没有进行加固。在加载过程中B-01梁经过短暂的弹性阶段后梁体产生了第一条裂缝，此时的荷载为15.8 kN。随后随着荷载的增加，裂缝逐渐增加发展，在荷载达到71.6 kN时，主筋应变为2 314 με，钢筋屈服。此后梁的挠度在荷载作用下明显增大，并于115.3 kN时受压区混凝土被压碎，达到极限破坏强度。破坏形态如图6所示。

图6 B-01试验梁破坏形态Fig.6 B-01 Ultimate failure mode of test beams

B-02梁为预应力加固后的试验梁，预应力加固后，原有裂缝宽度减小为0.03 mm。其在加载的初期与对比梁的情况一致，由于梁已经存在初始裂缝，不容易确定梁的开裂荷载数值。当荷载达到93.1 kN钢筋屈服，这时主要由纤维网承担外荷载。此时试验梁挠度增加较快，钢筋屈服后不久纤维网在纯弯段靠右位置拉断。后期纤维网与环氧树脂胶逐渐剥离，并在125.3 kN时压区混凝土压碎宣告试验结束。破坏形态如图7所示。

图7 B-02试验梁破坏形态Fig.7 B-02 Ultimate failure mode of test beams

B-03梁为预应力加固梁，且不存在初始损伤，试验梁在荷载达到28.8 kN时梁体出现第一条裂缝。开裂荷载与B-01梁有较为显著的提高。当荷载达到95.3 kN时，钢筋屈服。在钢筋屈服的同时纤维网在跨中位置拉断，纤维突然断裂导致断裂处裂缝也突然加宽。加固层随着梁体位移的增大产生剥离。荷载达到125.4 kN时试验梁最终破坏，见图8。

图8 B-03试验梁最终破坏形态Fig.8 B-03 Ultimate failure mode of test beams

2.2 承载能力分析

表3统计了抗弯试验中各试验梁承载能力大小。其中Pcr为试验梁开裂时的荷载，Py为屈服荷载，Pu为试验梁的极限荷载。

表3 各试验梁承载力对比表Tab.3 Comparison table of bearing capacity of each test beam

由表3中试验数据对比可以发现， B-03试验梁相比对比梁B-01开裂荷载提高了 82.3 %，说明该预应力加固方法可以明显提高混凝土梁的开裂荷载，并且验证了张拉锚固设备的可靠性。随着预应力的增大屈服荷载也在增大，B-02梁与B-03梁相比对比梁屈服荷载提高了30.0 %，33.1 %。由3片试验梁可以看出极限荷载的提高与加固量有直接关系，由于两片加固梁加固量相同且加固纤维网都被拉断，纤维网利用率都达到最大，所以极限荷载提高量也基本相同。

2.3 跨中荷载—挠度曲线分析

图9 跨中荷载—挠度曲线对比Fig.9 Load-deflection curves of specimens

在本文加固的方法中，预应力纤维网和环氧砂浆层都可以提高混凝土梁的刚度。本文对3片试验梁刚度进行分析，荷载位移曲线见图9。

由B-02和B-03梁的荷载位移曲线可见，钢筋屈服后由于纤维网还未拉断，荷载位移曲线斜率下降，荷载持续增加随后纤维网被拉断。在纤维网拉断的瞬间荷载降到了83 kN，钢筋进入强化阶段开始承但荷载，纤维网持续剥离，逐渐失去对梁的约束能力。荷载不断增加，试验梁跨中挠度增加明显加快，最后混凝土达到极限强度被压碎。

由图9可见， 进行加固的试验梁B-03的开裂荷载与屈服荷载均要大于未加固梁B-01，说明该种预应力加固方法能显著改善梁在屈服前的使用性能。相同大小荷载下，预应力大小和试验梁跨中挠度呈负相关关系。挠度关系为：B-03B-02>B-01。从荷载位移曲线可以看出B-02梁虽存在初始损伤，但对加固效果影响较小。

2.4 裂缝分析

由于各试验梁加固情况不一致，各试验梁的破坏损伤形态有所区别。其中裂缝的分布是一个明显特征[13]。各试验梁的裂缝分布图见图10(图中数字为裂缝出现的顺序)。

(a) B-01梁裂缝分布图

(b) B-02梁裂缝分布图

(c) B-03梁裂缝分布图

图11 荷载与最大裂缝宽度关系曲线 Fig.11 Relation curve betweenload and maximum crack

观察图10可以看出，未加固的B-01梁在屈服时共有21条裂缝，施加60 %预应力的B-03梁有23条裂缝。说明该加固方法对RC梁的裂缝有较好的分散能力。由图11可以看出，B-01试验梁在屈服阶段时梁体最大裂缝宽度为0.62 mm，而B-03梁在屈服阶段时梁体最大裂缝宽度为0.48 mm。说明本文预应力TRM加固对梁体裂缝最大宽度有较好的约束能力。

B-02梁虽存在初始损伤，但其裂缝发展过程与B-03梁极为相似，屈服时B-02梁也存在23条裂缝。但是由于初始损伤的存在造成梁的刚度下降，结果最大裂缝宽度为0.6 mm。

图11为试验梁出现第一条裂缝到试验梁屈服阶段的荷载与最大裂缝之间的关系。由图11可以得出，经过预应力加固的梁，在相同的荷载作用下，最大裂缝宽度要小于未加固梁的最大裂缝宽度。由荷载与最大裂缝宽度曲线说明本文加固方法对裂缝最大宽度有着较好的抑制作用，且预应力施加越大效果越好。

2.5 延性分析

纤维加固技术对钢筋混凝土梁抗弯承载性能有显著提升，但是会降低结构的延性[14-15]。结构延性是指结构屈服后到达到结构极限荷载之间承受荷载和变形的能力。结构的延性较低会导致梁的后期变形能力降低，在梁破坏之前发生脆性破坏的概率较大。因此，有必要对本文加固方法进行延性分析。试验梁延性指标比较见表4。

表4 试验梁延性指标比较Tab.4 Ductility index comparison of test beams

表4中：Δy表示屈服时跨中挠度，Δu表示达到极限荷载时跨中挠度，λ=Δu/Δy代表延性指标。

施加预应力后的纤维网其材料的预拉应变会增大，施加越大的预应力就会越接近其极限应变，就会使其剩余应变减小，从而导致被加固梁的延性下降[16]。B-02梁的延性比B-01梁延性降低23.2 %，B-03梁延性比B-01梁延性降低了35.7 %。

3 结论

本文通过3片模型梁试验，研究了预应力TRM加固RC梁的试验现象，得出以下结论：

① 预应力TRM加固RC梁可以显著提高开裂荷载，屈服荷载，极限荷载。与对比梁相比，加固梁B-03的开裂荷载提高了82.3 %；加固梁B-02、B-03的屈服荷载分别提高了30 %、33.1 %，极限荷载提高了8.7 %、8.8 %。由B-02、B-03梁的极限荷载可知，预应力大小对极限承载力影响不大。

② 加固梁的破坏形态均为纤维网的拉断破坏，说明本文预应力加固方法有效提高了纤维强度的利用率。

③ 预应力纤维网对梁体裂缝有较好的约束作用，加固后梁的裂缝数量增加，最大裂缝宽度减小。

④ 本文所用加固方法可以明显提高RC梁的刚度，但会使梁的延性降低。与对比梁相比，B-02梁和B-03梁的延性分别降低了23.2 %、35.7 %。