跨中留空粘贴长度对CFRP加固梁力学性能的影响

张正海，殷俊鹏

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001；2.中铁二十四局上海铁建有限公司，上海200071)

各类混凝土建筑物、构筑物因使用年限临近、使用功能要求变化、外部环境侵蚀等一系列因素影响，结构会不符合安全要求，无法继续使用[1-2]，而新建项目耗资较大，所以对原建筑进行有效加固成为主要方法。碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)因具有轻密、高强、抗腐蚀等优点，被广泛应用于建筑结构加固[3-6]。李国民[7]通过模拟寒冷环境，对经过冻融循环的混凝土试件施加循环荷载，探究了循环荷载及冻融循环次数对CFRP加固结构极限荷载的影响。孙家国等[8]通过双面剪切试验，以黏结层数、长度、宽度3个参数为控制变量，根据材料应变、界面应力规律，探究了C30混凝土试件和碳纤维片材界面的黏结性能，分析了 CFRP-混凝土界面的有效黏结长度。王宏军等[9]通过对混凝土进行单剪试验，研究了混凝土黏结面粗糙程度、强度等级、腐蚀龄期对 CFRP-混凝土界面极限荷载、最大滑移量、黏结强度、断裂能的影响，并基于 SEM 扫描电镜技术分析了界面破坏机制。但是，以跨中留空粘贴长度作为单一影响量，探究CFRP加固材料力学性能的研究较少[10]。针对这一问题，本研究以跨中留空粘贴长度作为控制变量，探究在相同试验环境下，跨中留空粘贴长度对混凝土结构承载力、挠度、应变等力学性能的影响，研究结论对探究实际工程中CFRP强化混凝土结构的力学性能有指导意义。

1 试验方案

1.1 试件制作

试验用试件为混凝土矩形梁，梁长度为2 000 mm，截面尺寸为150 mm×300 mm，按相同配合比制作，养护方法一致，梁顶部架立筋、箍筋均为直径6 mm的HPB300级钢筋，架立筋2根，纯弯区箍筋间距为150 mm，弯剪混合段箍筋间距为80 mm，底部受拉钢筋为3根直径14 mm的HRB335级钢筋，钢筋配筋率为1.2%。混凝土截面及钢筋配置见图1。

图1 混凝土截面及钢筋配置(单位：mm)Fig.1 Concrete cross-section and reinforcement configuration(unit:mm)

混凝土试件以C35强度浇筑，实际强度以回弹法测量值为准。试件共6根，分别编为1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#为试验对比梁，不进行CFRP粘贴，2#为全粘贴梁，跨中留空长度为0，从3#开始进行跨中留空粘贴，留空长度变化量为200 mm，呈阶梯式增长，分别为200 mm、400 mm、600 mm、800 mm。试验梁的编号、留空长度和加固方案见表1。在梁两侧距端部100 mm处进行支撑点安装，梁有效跨度为1 800 mm，加载点为跨中位置。混凝土、钢筋、CFRP材料规格见表2。

表1 试验梁的编号、留空长度和加固方案Tab.1 Test beam number,blank length and reinforcement plan

表2 试件材料规格Tab.2 Material specifications of specimen

由于1#为对比梁,并没有粘贴CFRP布进行加固，所以在1#底部粘贴2个电阻为120 Ω、灵敏度系数为2.05、栅宽×栅长为5 mm×60 mm的应变片，并对其做了温度补偿，即在相同条件的混凝土梁上粘贴应变片和试验梁上的应变片形成半桥接法接入应变仪中。

CFRP布加固试验梁的布置示意图、试验梁的实际照片见图2。

图2 CFRP布加固试验梁示意图及实际图Fig.2 Schematic diagram and actual drawing of CFRP reinforced test beam

1.2 加载方案

试验采用液压伺服压力机三点单调逐级加载方式，对6根混凝土梁均采用以力控制的方式进行四阶段受弯加载。首先，对试验梁进行预加载，设置预加载目标值为预计开裂荷载的70%(15 kN)，以3 kN/min匀速加载，至目标荷载后，继续持荷10 min后卸载；然后，以相同的方式加载至30 kN，加载速率为3 kN/min，待试验梁开裂后，以2 kN/min的速率持续加载，观察裂缝出现；接着，以6 kN/min的速率持续加载至底部受拉钢筋屈服，同样持荷10 min；最后，以位移控制加载的方式加载至试验梁破坏，加载速率为0.2 mm/min。在测试过程中，除未加固梁1#之外，其余5根试验梁都在底部CFRP布上布置了应变片，共计15个。应变片规格如下：电阻为120 Ω，灵敏度系数为2.086，栅宽×栅长为1 mm×2 mm。应变片具体位置如图3所示。在所有梁跨中两侧布置表面应变传感器，用以测量混凝土承荷状态下的跨中应变。传感器具体位置如图4所示。

图3 加固梁地面应变片尺寸及布置图(单位：mm)Fig.3 Dimensions and layout of ground strain gages for reinforced beams(unit：mm)

图4 梁侧面表面应变传感器布置图(单位：mm)Fig.4 Arrangement of strain sensors on the side surface of the beam(unit：mm)

2 结果与分析

2.1 破坏模式

试验梁破坏情况见图5。

图5 试验梁破坏情况Fig.5 Failure diagram of test beam

从试验结果来看，对比梁1#表现为典型的适筋破坏模式，首先梁跨中出现明显的细小裂缝，然后随着荷载的增加，裂隙明显增多，宽度变大，底部受拉钢筋屈服，最后跨中挠度逐渐增大，直至受压区混凝土被压碎。加固梁2#为整体粘贴梁，未设置留空，也呈现出明显的适筋破坏。试验加载初期，CFRP布开始受力，跨中开始出现细小裂纹，由于CFRP材料的加固效果，裂纹出现时间较晚、宽度较小；随着荷载的逐级增加，钢筋首先屈服，但变形较小；最后，荷载继续增加，试验梁的跨中挠度增大，受压区混凝土被压碎，但整个过程中CFRP布无错动、滑移及剥离现象。加固梁3#为跨中留空200 mm梁，随着承受荷载的不断增大，梁底部一侧的CFRP布发生局部剥离，梁的跨中裂缝宽度增速加快，挠度变形迅速增大，最终混凝土梁破坏模式为受压区被压碎。加固梁4#是留空长度为400 mm的局部未粘贴梁，它的破坏过程与3#相似，但无论是变形还是抗弯强度均有提升。加固梁5#是留空长度为600 mm的局部未粘贴梁，它的破坏过程与3#、4#相似，且底部CFRP布也发生了剥离，变形程度继续增加，抗弯强度开始下降，同时4#、5#未粘贴部分出现的裂缝比较密集，应与未粘贴长度有较大关联。加固梁6#是留空长度为800 mm的局部未粘贴梁，它的破坏过程与前5根梁基本相同，但CFRP布未出现剥离。试验梁破坏模式及相应试验结果见表3，其中P为竖向荷载，开裂荷载指首次出现裂缝时所对应的荷载，屈服荷载指钢筋屈服时的荷载，极限荷载指结构或构件所能承受的最大荷载。

表3 试验结果Tab.3 Test results

2.2 力学性能

2.2.1承载力

从表3可以看出，相对于未加固的1#，2#的开裂荷载有较大幅度提升，2#、3#、4#、5#、6#开裂荷载分别提升了53.4%、8.2%、24.0%、44.5%、52.7%，说明开裂荷载与留空长度、CFRP粘贴面积有关，即粘贴CFRP布明显提高了梁的开裂荷载，且随着梁跨中留空长度的增加，开裂荷载出现阶梯式提高；屈服荷载相较于开裂荷载，效果并不明显，2#、3#、4#、5#、6#的屈服荷载分别提升了22.0%、10.0%、21.1%、26.2%、15.5%，但2#、4#、5#仍有较大幅度提升，即跨中留空越长，屈服荷载提升越多；与此相同的是，极限荷载也随着留空长度的减少有一定提升，但增幅较小，2#、3#、4#、5#、6#的开裂荷载分别提升了16.1%、12.7%、25.4%、28.9%、15.5%，起到了一定的加固效果。对比以上数据可以看出，6#的数据偏离比较大，但整体趋势未受影响，应该是可剔除变量。相比较而言，极限荷载虽然有一定增幅，但增幅极小，应该与梁未处理平整、灰尘没有擦干净有关,虽然加固效果不是特别明显，但对比趋势比较明显，即梁跨中未加固部分越多，加固效果越好。

2.2.2挠度

各试验梁的荷载-挠度曲线见图6。从图6可以看出，1#挠度最小，2#、3#、4#、5#挠度逐渐增大，但6#不增反降。这可能是由于跨中留空长度过大，导致其有效粘贴面积减少，结构整体抗弯承载力下降。梁弯矩-挠度曲线(图7)说明粘贴留空长度的设置必须保证有良好的粘贴面积，否则结构承载力、挠度不仅不会增大，反而会出现由于结构被破坏，实际挠度远小于预计的现象。因为跨中部位有留空长度，所以测量的留空部位的混凝土与CFRP布并不共同工作，会存在误差，可以进行强化处理，防止中间位置先行破坏而影响整体强度。

图6 荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve

图7 梁弯矩-挠度曲线Fig.7 Beam bending moment-deflection curve

2.2.3刚度

观察荷载-挠度曲线(图6)，可以将刚度变化大致分为3个阶段：

(1)混凝土开裂前阶段。此时混凝土与CFRP布均为弹性变化，荷载-挠度曲线近似一条直线，刚度几乎为常量，同时CFRP布性能优良，弹性较为明显，极大提高了混凝土的整体刚度。

(2)底部混凝土开裂后到钢筋屈服前阶段。此时，梁底部混凝土开裂，混凝土无法弹性工作，结构刚度增幅降低，但CFRP布仍继续保持良好的弹性工作状态，且由于混凝土抗拉性能较弱，结构刚度提升程度有限，所以此时混凝土结构刚度仍很平稳。

(3)钢筋屈服后至混凝土破坏前阶段。梁底部钢筋屈服、混凝土开裂，荷载-挠度曲线与上一阶段相比斜率持续降低，刚度进一步下降，CFRP材料对混凝土裂缝的约束力进一步增强，抑制作用越来越明显，裂缝开裂速度降低，刚度进一步提升。

2.2.4延性

在工程加固中，为预防结构出现突然破坏，需要尽可能采用延性较好的加固材料。因为CFRP布具有突然脆性破坏特征，故在混凝土构件中使用CFRP进行结构加固时，有必要对CFRP材料的延性进行安全评估，以确保CFRP延性预留值不超出安全范围。

根据试验结果，结合无量纲化梁弯矩-挠度曲线，采用公式(1)所定义的位移延性系数来评价加固结构的延性：

(1)

式中：δult、δyield分别为极限状态和屈服状态时的挠度。

上述6根试验梁的结构延性见表4。从表4可以看出：

(1)与未加固梁1#相比，CFRP局部粘贴的试验梁2#、3#、4#、5#、6#的延性均得到了明显提升，并且可以看出留空面积并非越大越好，3#、4#、5#的延性明显高于其他梁，在留空长度为200～600 mm时，留空面积越大，延性提高越多。

(2)2#为全粘贴梁，加固效果与未加固梁相比有明显提高，但与部分粘贴加固的试验梁相比，全粘贴梁的延性要低，加固效果也差一些。

表4 试验梁结构延性Tab.4 Ductility of the test beam structure

3 结论

针对跨中留空CFRP加固长度对粘贴梁力学性能的影响进行了试验，考察了试验加固梁的承载力、挠度、刚度及延性的变化，主要结论如下：

(1)粘贴CFRP加固钢筋混凝土梁相较于不粘贴CFRP的混凝土梁，其受弯承载力、挠度、刚度及延性有提升，且提升幅度较大。

(2)留空长度为200～600 mm的部分粘贴梁，相对于全粘贴梁(2#)，承载力提升幅度为8%～11%，挠度、刚度、延性也有较大提升。这说明粘贴CFRP的混凝土加固梁的力学性能与跨中留空粘贴长度有关，且粘贴长度为200～600 mm时提升幅度大致相同。

(3)留空长度为600～800 mm的CFRP粘贴梁，其承载力、挠度、刚度与其他梁相比不增反降，这说明延性的增加基于确保CFRP有效粘贴长度，如果有效粘贴面积不够，CFRP加固梁会在未达到预计承载力之前就发生破坏，粘贴加固材料无意义，故有效粘贴面积必须足够。