碳纖維布加固混凝土梁彎曲性能的試驗研究

侯 敏，王清遠，董江峰，何 東

（四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065）

0 引 言

隨著我國經濟的逐年增長，越來越多的建筑結構被廣泛應用于房屋、橋梁及公共設施上；然而，隨著全球低碳經濟不斷發展，越來越多的建筑結構需要進行加固修復延長其使用壽命來滿足全球低碳經濟的要求。特別是近年來，由于地震活動頻繁，再加上原有大量建筑因結構老化、鋼筋腐蝕或使用環境的改變而需要對其進行加固修復來滿足新的使用和抗震要求[1-2]。混凝土梁是混凝土結構中的重要受力構件[3]，一旦發生破壞后果嚴重，汶川地震中大量的房屋倒塌均由于梁的破壞引起；因此，研究混凝土梁的加固具有非常重要的實際意義。

外貼碳纖維增強復合材料 （carbon fibre reinforced polymer，CFRP）加固是近年來使用較為廣泛的一種混凝土結構加固方法，與傳統的加固方法相比，CFRP具有自重輕、強度高、耐腐蝕、延性好、易于操作和抗疲勞特性好等優點，使其受到越來越多的關注[4-6]。通過將CFRP材料粘貼在需要加固的混凝土構件表面，達到提高結構承載力、減少結構變形以及延緩混凝土裂縫擴展的目的[7-8]。然而，實際工程中需要加固的結構往往存在一定程度的原始損傷[9-10]；因此，本文研究CFRP加固預裂混凝土梁與無損傷梁的斷裂特性和破壞機理具有非常重要的工程參考價值。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料和試件設計

試驗共設計了4根矩形截面簡支梁，截面尺寸為150 mm×250 mm，梁全長1 700 mm，計算長度1 500mm，混凝土保護層25 mm，架立筋為2φ8 mm，主筋為 2φ10 mm，箍筋為 φ6 mm@100。混凝土強度等級為C20，28 d時其立方體抗壓強度平均值為22.8 MPa。鋼筋強度按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的相關規定，測得主筋的屈服強度、極限強度和彈性模量分別為340 MPa、480 MPa和 210GPa；架立筋為 330MPa、490MPa和 210GPa；箍筋為240MPa、420MPa和210GPa。試驗用碳纖維復合材料厚度0.111 mm，屈服強度為3 400 MPa，極限強度為3 467 MPa，彈性模量為242 GPa，延伸率為1.7%。

1.2 加固方案

試驗主要以碳纖維布粘貼層數和加固梁是否預裂為試驗參數，研究碳纖維加固后對不同試驗梁的破壞形態、剛度變化、裂縫開展情況和極限承載力的影響。對于直接加固梁，首先對加固梁粘貼纖維布區域進行打磨處理，除去表層浮漿，并將錨固處的混凝土轉角打磨成半徑約20 mm的圓弧狀，水洗清理干凈后放置風干；然后用酒精擦拭清洗，待干燥后再用丙酮擦拭粘貼碳纖維布的梁表面，自然風干干燥后，用刷子涂刷底膠，并將纖維布浸濕完全后粘貼于加固部位；最后均勻施壓使膠層分布均勻。對于預裂加固梁，首先進行預裂，用PTS-C10智能裂縫寬度測試儀實時觀察裂縫寬度，待最大裂縫寬度達到0.5mm左右時卸載停機；然后按照加固步驟進行加固。為了防止纖維布在梁端發生早期剝離破壞[11]，在加固梁端或加固梁頂部兩側分別粘貼2條50 mm寬、間距50mm的U型壓條，粘貼1層；最后在最上層碳纖維布上涂面膠并養護至少2周后再進行試驗。試驗梁的具體加固方式如圖1所示。

1.3 試驗方案

圖1 CFRP加固方式及應變片布置（單位：mm）

試驗在200t日本島津液壓試驗機上進行，由分配梁實現4點彎曲，純彎段長度均為500 mm。加載時首先進行5次循環的加載-卸載預試驗，預加載至開裂荷載的40%左右，使儀器設備與構件接觸良好，并檢查所有試驗儀器的工作性能；預加載后采用分級加載方式進行正式加載，每級2kN，持載3min，在開裂前和接近破壞時以每級1kN進行加載，待儀表數值穩定后，采集試驗數據并觀察裂縫開展情況。試驗的主要內容包括：跨中截面混凝土應變、受拉縱筋應變、最大撓度和加載點的沉降。為了測量梁底碳纖維布的應變及發展情況，在梁底碳纖維布上粘貼了5個膠基應變片，間距為250mm。所有應變數據使用DH3816應變采集系統進行采集。試驗梁的加載方案及測點布置如圖2所示。

圖2 試驗梁加載及測點布置圖（單位：mm）

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及破壞形態

試驗結束后，記錄所有試驗梁的破壞形態。對照梁L1首先在純彎段出現一條垂直裂縫，沿豎向不斷延伸，當鋼筋屈服后，裂縫發展迅速，撓度增加很快，直至梁破壞，這一過程中僅出現2條新裂縫，破壞模式為典型的彎曲破壞，這與文獻[12]的現象相同。加固梁L2～L4的破壞形態截然不同，隨著荷載的增加，加固梁不斷出現新裂縫，直至裂縫兩段對稱分布，而且在主裂縫的底部會出現若干條裂縫，該裂縫發展到一定高度就停止了，直至受壓區混凝土壓碎或者碳纖維布拉斷破壞，這與文獻[9]研究CFRP嵌入式加固混凝土梁試驗時的破壞形態類似。

加固梁的破壞形態主要有3種：（1）碳纖維布拉斷，受壓區混凝土壓碎；（2）碳纖維布剝離，受壓區混凝土完好；（3）碳纖維布剝離，受壓區混凝土壓碎。其中碳纖維布剝離分為梁端壓條被拉斷剝離和壓條未被拉斷剝離，這與文獻[11]和[13]試驗現象類似，其具體破壞模式如圖3所示。加固梁L3和L4破壞時，梁底碳纖維布首先發生剝離，最后兩端碳纖維壓條被拉斷，受壓區混凝土被壓碎而破壞；梁L2破壞時，梁底碳纖維布由于剪切變形過大先局部剝離，然后兩端壓條被拉斷導致梁底纖維布整體剝離。試件發生卸載，導致加固梁L4受壓區混凝土壓碎破壞，但梁L2受壓區混凝土完好。

圖3 試驗梁的破壞形態

2.2 承載力分析

所有試驗梁的試驗結果如表1所示，其中“A”指彎曲破壞，“B”指碳纖維被拉斷破壞，“C”指發生纖維布剝離破壞。

表1 試驗結果

從表1可以看出，碳纖維加固后，各試件的承載力都有不同程度的提高。加載初期，由于碳纖維布的作用，有效地抑制了混凝土的變形，延遲了混凝土的開裂，使得L2梁的開裂荷載比對照梁L1提高了7.03%，L3梁的開裂荷載提高了27.9%，可見碳纖維加固層數越多，梁的開裂荷載提高的越明顯，這與文獻[9]研究碳纖維板條嵌入式加固時的結果相同。混凝土開裂后，原來混凝土所受的拉力由碳纖維布來承擔，使得梁的極限荷載也得到提高。L2梁的極限荷載比對照梁L1提高了41.7%，L3梁的極限荷載提高了72.5%，可見加固梁的極限荷載提高程度并不與碳纖維布加固層數成正比，這與文獻[11]的結果相同。對于預裂加固梁L4，在梁底粘貼2層碳纖維布后其抗彎承載力得到明顯提高。與對照梁L1相比，L4梁預裂0.51mm后加固，其承載力提高55.4%，但與具有相同參數的L3梁相比，其承載力降低9.9%，這主要與碳纖維布的剝離導致纖維布的利用率較低有關。

2.3 載荷與撓度、裂縫擴展曲線

由圖4（a）可以看出，與對照梁相比，所有加固梁在同一荷載作用下的撓度均有所降低，這充分表明碳纖維布可以有效地提高加固梁的剛度，這與文獻[12]的結果相同。在加載初期，各試驗梁的載荷-撓度曲線差別很小，此時碳纖維布的應變很小，還沒有發揮明顯的作用[8]。隨著荷載的增加，加固梁的跨中撓度發展緩慢，可見碳纖維可以明顯約束加固梁的變形，從而提高加固梁的延性。從圖4（a）中可以看出，在碳纖維加固量相同的條件下，預裂加固梁L4的跨中撓度比相同荷載下加固梁L3的跨中撓度發展要慢，可見預裂加固后由于碳纖維布的約束作用，使得原始裂縫的發展得以延緩，促進了新裂縫的發展。結合表1可見，加固梁的剛度提高程度越大，則對延性影響越小。

圖4 試驗梁的載荷-撓度曲線

試驗時利用PTS-C10智能裂縫寬度測試儀記錄所有試驗梁的最大裂縫寬度，試驗梁的荷載-裂縫寬度曲線如圖4（b）所示。從圖中可以看出，試驗梁加固后，裂縫發展速度明顯減緩。在加載初期，碳纖維布粘貼1層或2層對加固梁的裂縫發展約束不大，但隨著加載的進行，2層碳纖維布可以有效地約束裂縫發展，提高加固梁的承載力，但梁破壞時延性有所降低；對于預裂加固梁，由于碳纖維布的作用可以有效地限制原始裂縫的發展，使新裂縫不斷產生，提高碳纖維布的利用率。同時由于預裂加固梁L4梁底碳纖維布剝離嚴重，沒有充分發揮碳纖維的約束作用，所以其裂縫發展迅速。與圖4（a）對照可知，試驗梁的裂縫發展趨勢同加載梁的載荷-撓度曲線發展基本一致，可見裂縫發展是梁撓度增大的主要因素。

2.4 載荷-應變曲線

所有試驗梁的應變數據采用DH3816應變采集系統采集，具體測點布置如圖1和圖2所示。所有試驗梁的跨中截面混凝土的最大應變與載荷關系如圖5所示。

圖5 試驗梁的載荷-應變曲線

圖5 （a）為加固梁的跨中截面混凝土應變與應力關系對比圖。從圖中可以看出，試驗梁加固后混凝土的應變明顯降低，特別是加固梁開裂后，由于碳纖維布承擔了一部分應力，有效地限制了加固梁的變形，提高了試驗梁的承載力。提高配筋率和增加截面高度都可以有效地降低混凝土的應變，提高碳纖維布的利用率，其中提高配筋率的效果最明顯。

圖5（b）為加固梁的載荷與CFRP布應變關系對比圖。在加載初期，各加固梁CFRP的應變差別不大，這與文獻[8]的結果相似。加固梁開裂后，L3梁的CFRP應變略小于L2梁應變，可見加固層數越多，碳纖維利用率越低。與圖5（a）對比可知，對于預裂加固梁，碳纖維應變與混凝土應變發展趨勢基本一致，可見碳纖維布可以有效地約束加固梁的變形，從而提高加固梁的極限承載力。

3 極限承載力計算分析

試驗梁外貼碳纖維布加固后，其抗彎承載力由鋼筋、混凝土和碳纖維來共同承擔；因此，針對本文加固方式及纖維布加固用量，試驗梁受壓區混凝土壓碎破壞時，其極限承載力可由式（1）來表示。其中試驗梁加固后仍滿足平截面假設，鋼筋滿足理想彈塑性變形模式，且假設混凝土的最大壓縮變形為0.003。

式中：Mu——加固梁的極限彎矩；

Mcs——鋼筋混凝土梁的彎曲承載力；

Mf——碳纖維布提供的彎矩。

Rafi等[14]在研究CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁的彎曲承載力發現：若沒有碳纖維布，鋼筋混凝土梁的彎曲承載力可表示為

式中：As——鋼筋的截面積；

fy——鋼筋的屈服強度；

d——截面有效高度；

fc——混凝土的極限抗壓強度；

b——截面寬度。

根據Toutanji等[15]在研究CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁的極限承載力的研究結果時，發現梁底粘貼碳纖維加固后，碳纖維的貢獻值可表示為

式中：Af——纖維布的面積；

Ef——碳纖維布的彈性模量；

εfu——碳纖維的極限應變；

x——壓區混凝土的高度；

R——縮減系數，本文中等于0.5并表示碳纖維與混凝土的層間有效應力及預裂對加固梁抗彎承載力的影響，同時還可用來表示加載時纖維布剝離對加固梁承載力的影響；

h——橫截面的高度。

結合式（2）和式（3）可計算對照梁和加固梁的彎曲極限承載力。同時，Barros等[2]在研究碳纖維抗彎和抗剪加固鋼筋混凝土梁極限承載力時發現：沒有加固梁的彎曲極限承載力可由式（4）來計算；外貼碳纖維抗彎加固后，碳纖維布的貢獻值可由式（5）來計算，即有：

針對式（1）～式（5），計算得所有試驗梁的抗彎承載力Pana和試驗值Pexp的對比如圖6所示。由圖6可知，對于直接加固梁，理論計算值比試驗值略低，這與縮減系數的取值有關，因為文中考慮了預裂對加固梁極限承載力的影響。同時，文中僅考慮受壓區混凝土破壞時試驗梁的承載力理論計算；因此，對于不同的加固梁，其最大混凝土壓縮應變均取值0.003對試驗結果也有一定影響，建議可根據試驗梁的具體壓縮應變來進行計算。

圖6 理論計算值與試驗值的對照圖

4 結束語

通過對4根矩形截面梁的靜載試驗和試驗結果分析，可以得到如下結論：

（1）通過梁底粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，與對照梁相比，加固后其開裂荷載明顯增加，而且其極限荷載也明顯得到提高。充分表明外貼碳纖維布可以有效地提高鋼筋混凝土梁的承載力，是一種非常有效的加固方法，具有重要的研究和應用價值。

（2）碳纖維布加固層數越多，梁的開裂荷載提高得越明顯，加固梁極限荷載提高程度并不與碳纖維布加固層數成正比。

（3）碳纖維布加固后，可以有效地減少加固梁的撓度，對于預裂加固梁，加固后使得原始裂縫發展延緩，促進了新裂縫的發展，提高了加固梁的承載力。

（4）碳纖維布粘貼層數越多，碳纖維布的有效利用率越低，對于預裂加固梁，可有效地提高碳纖維布的利用率，降低加固梁的撓度，提高其變形能力。

（5）碳纖維布加固后，試驗梁的碳纖維應變和混凝土應變發展趨勢基本一致，因此，碳纖維布加固可以有效地約束試驗梁的變形，提高其承載力。

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