浅层埋设CFRP筋加固RC梁的力学性能研究

何双江，付 祥

(西华大学 结构工程研究所，四川 成都 610039)

0 前 言

CFRP筋是一种轻质高强材料，具有高弹性模量和良好的抗疲劳性能等特点。针对CFRP筋的加固效果，国内外学者开展了很多相关研究：Milan Žmindák等[1]进行了CFRP板的粘贴加固试验研究；Sun W等[2]通过将CFRP板锚固进混凝土结构并且结合有限元分析来进行研究；于天来等[3]通过锚固的方式在混凝土梁体外增加预应力CFRP筋来探索CFRP筋的加固效果；任振华等[4]研究了在混凝土梁中嵌入CFRP筋的加固效果，并对宽缺口进行了完善；张凯、朱虹等[5]对带砂浆包覆层CFRP筋高温后力学性能进行了研究，表明CFRP筋在砂浆包裹下在长时间高温作用后具有较高的残余强度；苏伟强等[6]研究了钢丝网砂浆层和附加肋提升嵌入式CFRP筋锚固的性能，试验表明该方法能改变试件的破坏形态;Al-Abdwais A等针对CFRP的近表面加固系统进行了探索和整理；丁亚红等通过内嵌CFRP筋加固钢筋混凝土梁，试验表明CFRP筋明显提高被加固梁的可靠指标，最大幅度为79.2%。这些方法都极大地提高了混凝土结构承载能力，但是加固方法都较为复杂。

基于此，本文研究了用早强砂浆埋设CFRP筋的方法加固钢筋混凝土悬臂结构。

1 梁的试验概况

1.1 试件设计

实验前对钢筋数量和构造进行设计，并按照设计的内容进行绑扎。在钢筋骨架不同位置绑接应变计用于数据采集与实验现象观察。浇筑过程中，待混凝土完全凝固后，在梁试件的底部刷上一层环氧树脂涂料，紧接着将拌和好的早强砂浆均匀浇筑在试件上，并将缠绕了GFRP布的CFRP筋埋入高强砂浆当中。

为了探究CFRP筋的加固效果，实验浇筑了4条梁试件。试件构造示意见图1，分组情况见表1。

图1 试件构造

表1 试件分组情况

1.2 实验材料

水泥型号选用C50，砂浆选用太平洋材料有限公司(日)所生产的早强水泥砂浆，为了得到混凝土和砂浆的抗压强度，制作了直径为100 mm、高为200 mm的圆柱形试件，并进行了压缩实验。CFRP筋采用了三菱化学生产的CFRP筋，直径为8 mm，抗拉强度为1 200 MPa，弹性模量为440 GPa，粘结材料选用环氧树脂粘结剂。

1.3 实验测量与加载方案

1)应变计的布置。在混凝土浇筑前沿CFRP筋和内部受力筋上每隔100 cm 距离均匀绑接应变计。为了研究混凝土结构挠度以及应变的变化，对试件在不同加载阶段进行高度和长度的测量。

2)加载机制。试验采用电液伺服万能试验机进行加载试验。支座有两个支点，允许试件在XY平面上能够转动，以模拟构件的受弯情况。荷载位于跨中位置，加载前保证梁跨中与加载装置的中轴线重合。试验中，使用10 mm/min速度进行低速加载，直至试件破坏。加载过程中，记录试件挠度与裂缝发展以及内部应力变化情况。

2 有限元分析

2.1 建模方法

本文使用ANSYS APDL进行非线性静态分析。八节点Solid 65用于创建混凝土和砂浆的模型。考虑到钢筋和CFRP筋仅承受拉伸应力和受压应力而没有受到扭转的作用，因此，Link 180单元用于模拟CFRP筋和钢筋的嵌入。为了防止应力集中的产生，在梁的加载位置和约束位置添加由Solid 185单元定义的刚性垫块来防止应力集中(见图2)。网格的大小为25 mm，FE模型通过扫掠的方法进行网格划分。

图2 梁的荷载和约束情况

2.2 模型设计

梁模型尺寸如图1所示，其中混凝土厚度为135 mm，在板的上部覆盖有一层厚度为25 mm的早强砂浆。为了研究CFRP筋不同的埋设深度对梁的影响，模拟中设计CFRP筋埋设深度分别为5、10和15 mm。

2.3 材料属性

材料参数使用“Material tool”进行定义，由于混凝土材料弹性模量不均匀，必须对“Multilinear Isotropic”进行定义，通过实验已经获取了材料的抗压极限强度以及所对应的应变量，可以通过公式(1)和公式(2)求得混凝土材料的应力应变关系曲线。

(1)

(2)

本文将钢筋和CFRP筋视为线弹性材料。由于CFRP材料没有屈服阶段，因而不考虑该材料的屈服强度。

3 试验结果与分析

1)梁的破坏形态。试件被逐渐加载到事先计算的开裂荷载之前，没有肉眼可见裂缝的产生。当荷载被加载到开裂荷载时，梁的底部出现了肉眼可见的细小裂缝，并且随着荷载的增加而增加。裂缝从梁底部开始，向上沿45°方向向加载处发展。随着荷载的继续增加，混凝土开始剥落，加载处的混凝土开始出现压碎现象。当到达极限荷载附近时，底部混凝土已严重剥落，底部加固筋已经显露出来。

不同试件的最终破坏形态有所区别：①未经过CFRP筋加固的钢筋混凝土梁底部裂缝均匀，加载部位很少有压碎现象，构件从中部断裂，肉眼观察到内部钢筋已变形；②未经过CFRP筋加固的梁，底部没有出现大的裂缝，但直接沿45°方向出现平滑的大断裂；③经过CFRP筋加固后的梁，上部出现大量压碎，底部也出现大量剥落，梁中间位置的CFRP筋抽丝剥离，但与混凝土之间没有明显的分离现象。

2)梁在XY平面上的应力分布特点。未经过CFRP筋加固的梁试件，在加载到开裂荷载之前时，整个截面应变较小，中性轴的位置也几乎保持不变，说明此时裂缝还没有出现，应力主要由混凝土承担；当荷载到达开裂荷载时，梁底部的应变消失，说明下部混凝土开裂。中性轴也随之上移，说明应力开始转由钢筋承担，中性轴下部的应变也大大增加，但是中性轴以上位置的应变变化仍然不大；在到达屈服荷载时，中性轴已接近顶部，说明混凝土已几乎不承受拉应力，几乎由钢筋承受。而对于CFRP筋加固的梁试件，在加载到开裂荷载之前时，中性轴几乎没有移动，并且相对于未用CFRP筋加固的试件，裂缝出现的荷载已经大大向上提升，此时拉应力由混凝土与CFRP筋共同承担。当裂缝产生时，下部应变消失，CFRP筋以下的混凝土已不再承受拉应力，此时中性轴也向上提升。随着荷载的不断增加，中性轴的位置略有改变，但幅度不大，CFRP筋承担了主要的拉应力。

3)梁的跨中挠度与荷载的关系。随着跨中挠度的增加，不同试件的荷载均呈现均匀且有规律的变化。第1段均匀直线的斜率最大，荷载的上升速率最快，此时混凝土尚未开裂，裂缝尚未产生，混凝土承担了主要应力，但是用CFRP筋加固的梁在这个阶段的过程明显更长，说明CFRP筋的使用增加了梁的开裂荷载，延缓了裂缝的出现。第2段直线斜率明显减小，但仍均匀稳定地发展，随着荷载的上升，梁的跨中挠度增加速率上升，说明裂缝此时已经开始发展，钢筋混凝土梁仍旧满足平截面假定。但CFRP筋加固梁的荷载增量明显更多，因为，此时CFRP筋参与了受拉，减少了梁的挠度变形。

4 有限元结果与分析

1)梁的模拟结果以及实验对比。梁的模拟破坏情况和现实中基本吻合，模拟结果与实验结果相比较基本吻合，荷载的变化情况也与实验差距不大，误差基小于20%，说明实验结果可靠，CFRP筋能够有效加固混凝土结构。

2)CFRP筋埋设深度和加固筋应力的关系。随着CFRP筋埋设深度的增加(B-1-5中末尾数字表示埋设深度)，筋的最大应力值先上升后下降。结合对比数据可以发现，外加荷载45 kN时，埋设深度相对较浅的CFRP筋，其最大应力值分布相对较均匀，而不是倾向于集中，因此，最大应力值有所下降。模拟说明，降低CFRP筋的埋设深度可以防止应力在CFRP筋上过于集中，从而降低CFRP筋的破坏风险。

5 结 论

1)采用高强砂浆埋设CFRP筋的方法用来加固钢筋混凝土梁，能够有效增加结构的开裂荷载以及极限荷载，并且能有效增加梁在混凝土开裂后阶段抵抗变形能力。

2)高强砂浆与混凝土之间并没有分离，说明环氧树脂粘结剂保证了混凝土和砂浆的共同工作。

3)CFRP筋在加固中的使用，改变了混凝土结构内部的应力分布，改变了梁的破坏模式。加固前，钢筋混凝土梁主要受到剪切破坏，加固后，梁的混凝土受到剪切破坏和受压破坏共同作用。

4)适当减小CFRP筋的埋设深度，可以防止应力在CFRP筋受荷位置上过于集中。

[ID:009836]