內嵌碳纖維板條加固混凝土梁抗彎性能試驗研究

董蛟震，梁玉國，魏志濤

（1.大連安泰建設有限公司，遼寧大連 116023；2.河北建筑科學研究院，河北石家莊 050021；3.河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲 056038）

碳 纖 維 （carbon fiber reinforced polymer，CFRP）材料以其高強、輕質、耐腐、耐疲勞等優點，近幾年來在混凝土結構加固改造工程中的應用趨于廣泛。在中國，外貼CFRP片材加固混凝土結構加固技術已早已普及，相關的標準已經出臺［1-3］。

外貼CFRP片材抗彎加固混凝土構件時常發生CFRP與混凝土間的剝離破壞，該破壞屬于脆性破壞，破壞前沒有明顯的預兆，破壞時CFRP的應變還處于較低水平，剝離破壞的產生不僅造成了材料的浪費，而且使加固的可靠度大大降低［4］。因此，開發簡便有效的加固方法成為土木工程界的研究熱點，而內嵌（near surface mounted，簡稱 NSM）纖維材料加固方法便是其中有代表的一種［5］，即在結構構件表層開槽，將纖維材料嵌入其中，利用黏結劑使其與構件結合緊密，達到加固和補強目的。

本文對5根試驗梁（1根對比梁、1根外貼碳纖維板條梁、3根內嵌不同黏結材料的碳纖維板條加固梁）抗彎靜載試驗，對加固梁的破壞形態、剛度、荷載-應變、極限承載力、裂縫等進行分析，同時比較在不同加固情況下加固梁加固效果［6-8］。

1 試驗設計

1.1 試件

本試驗共設計5根矩形截面（150mm×250 mm）簡支梁，試件均采用C30混凝土以及相同的配筋形式，梁長度為2 100mm，凈跨為1 800mm，梁底鋼筋為2根直徑為14mm的HRB335級受拉鋼筋，受壓鋼筋為2根直徑為10mm的HRB335級鋼筋，配筋率為0.94%，防止試驗梁受剪破壞先于受彎破壞發生，箍筋設計為Ф8＠100的HPB300級鋼筋。試件簡圖如圖1所示。

圖1 試驗梁的尺寸及配筋情況Fig.1 Testing beam size and reinforcement

1.2 加固方案

本試驗選用試驗梁5根，其中1根對比梁（L1），1根外貼加固梁（L2），3根開2個槽且分別以環氧樹脂、環氧砂漿、水泥砂漿為黏結材料加固梁（L3，L4，L5），加固梁的開槽尺寸為10mm×22 mm，此外，外貼加固梁碳纖維板條的黏結長度為1 800mm×40.37mm，并在板條兩端附加碳布錨固措施。

1.3 加載方案

本試驗梁采用正位試驗方式，無支撐裝置。試驗采用三分點加載，荷載作用在梁頂部，梁的實際受力為簡支梁結構，加載設備為長春試驗機廠制造的液壓式壓力試驗機（見圖2）。

預加載首先將所有的試驗設備安裝到位，依照加載裝置圖對所有試驗設備進行詳細檢查避免出現有遺漏設備或設備損壞等現象。確認可以開始試驗后，將各儀器（稱重傳感器、位移傳感器、靜態應變儀）讀數調零，然后在彈性范圍內對試驗梁進行預加載，加載值為開裂荷載的20%。正式加載采用分級加載方式，荷載以0.2倍的標準荷載為一級，讀數與記錄同步，每級加載間隔按標準要求，超過使用荷載后，以0.1倍的標準荷載為一級，直至構件破壞，觀察裂縫開展情況。

圖2 液壓式壓力試驗機Fig.2 Hydraulic pressure testing machine diagram

1.4 測點

試驗通過預埋在構件里的電阻應變片測量鋼筋、CFRP片材應變，采用百分表測量跨中撓度，并通過梁端支座上方位移傳感器對跨中撓度進行補償，裂縫采用裂縫顯微鏡觀測及記錄描繪。試驗過程中，測點的數據由日本東京生產的TDS-530靜態應變數據采集儀采集。

2 試驗結果分析

2.1 抗彎承載力及破壞形態分析［9］

依據《混凝土結構設計規范》中有關規定，各試驗梁的極限承載力實測值如表1所示。

通過對比發現，加固梁極限承載力比未加固梁L1提高幅度為17%～37%，此外，以不同黏結材料的內嵌碳纖維板加固梁（L3，L4，L5）的極限承載力均比外貼內嵌碳纖維板加固梁L2提高明顯，并且，以水泥砂漿為黏結材料的內嵌碳纖維板加固梁L4與以環氧樹脂為黏結材料的加固梁L5的力學性能相差不多，其極限承載力約為后者的95%；以環氧砂漿為黏結材料的內嵌碳纖維板加固梁L5極限承載力約為以環氧樹脂為黏結材料的加固梁L5的88%。從試驗梁的破壞形態看，外貼梁發生剝離破壞，所有內嵌加固梁都發生了板條與膠層間的黏結破壞。

表1 試驗梁抗彎承載力及破壞形態Tab.1 Experimental analysis of bearing capacity and failure modes

2.2 剛度分析

從圖3梁L1—L5荷載-跨中撓度曲線可以看出，加固梁的撓度曲線與對比梁L1一樣，可以分3階段表述。

圖3 梁L1—L5荷載-跨中撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of beam L1—L5

在混凝土開裂前，各加固梁荷載-撓度曲線基本呈線性關系，這主要由于開裂前加固片材的作用有限，梁負荷較小。

隨著荷載的增加，加固梁拉區混凝土開裂，截面的剛度降低，應力重新分布，其曲線出現較明顯的轉折。在縱向受拉鋼筋屈服前，荷載-撓度曲線曲線斜率變化不大，但各加固梁比未加固梁L1的曲線斜率均有不同程度的增大，相同荷載下，加固梁撓度小于未加固梁撓度。

受拉鋼筋屈服以后，荷載的增加緩慢，但撓度增長迅速，試驗梁進入破壞階段。較對比梁，內嵌板條加固梁在這階段同樣表現出一定的塑性特征，但外貼板條加固梁異然，其延性有所下降。

2．3 荷載-應變分析

從圖4跨中荷載-鋼筋應變關系曲線看出，試驗梁開裂荷載后，加固梁鋼筋應變明顯滯后于對比梁L1，加固梁第一折點高于未加固梁L1第一折點，說明開裂荷載有一定程度的提高，對加固梁極限荷載而言，內嵌加固梁較外貼梁L2的提高幅度明顯。

圖4 梁L1—L5跨中荷載-鋼筋應變曲線Fig.4 Loadreinforcement strain curves of beam L1—L5

從圖5加固梁跨中板條荷載-應變關系曲線看出，在開裂荷載后，外貼梁L2與內嵌梁的應變相差很大，即這階段CFRP板承擔的力相差很大，鋼筋屈服后，由于外貼梁發生剝離破壞，碳纖維板條早早退出工作，而內嵌加固梁表現良好，呈現一定的塑性。

圖5 梁L2—L5跨中荷載-板條應變曲線Fig.5 Loadstrip strain curves of beam L2—L5

2.4 裂縫分析

圖6 梁L1—L5荷載-裂縫寬度曲線Fig.6 Load-crack width curves of beam L1—L5

圖6給出了試驗梁荷載-裂縫寬度曲線，可以看出，未加固梁在混凝土開裂后，曲線斜率變小，裂縫變化較快，平均裂縫間距增大，而加固梁在受拉鋼筋屈服前，裂縫緩慢發展，直到碳纖維板條失效，裂縫才迅速加大［10］。

3 結 論

1）嵌入法加固梁正截面破壞過程與普通梁的破壞過程相似；內嵌CFRP板條加固混凝土梁出現板條與膠層界面黏結失效破壞；外貼CFRP板條加固梁破壞形態為剝離破壞，其屬于脆性破壞，與未加固梁相比，內嵌CFRP板條加固梁的極限承載力提高幅度要高于相應的外貼加固梁，內嵌加固梁呈現一定的塑性。

2）內嵌碳纖維板加固梁的剛度比未加固梁有較大程度的提高。不同加固情況的加固梁抗彎承載力有不同程度的提高，極限承載力加強效果介于17%～37%，且抑制了裂縫的發展，裂縫間距和裂縫寬度減小。

3）內嵌CFRP板條加固混凝土梁時，黏結材料黏結性能最好的是環氧樹脂，其次為水泥砂漿，環氧砂漿的黏結性能最差，三者加固梁的極限承載力均比外貼碳纖維板加固梁提高明顯。

／References：

［1］GB 50152—92，混凝土結構試驗方法標準［S］.GB 50152—92，Concrete Structures：Test Methods Standard［S］.

［2］CECS 146—2003，碳纖維片材加固混凝土結構技術規程［S］.CECS 146—2003，Carbon Fiber Sheet Reinforced Concrete Structures of Order［S］.

［3］GB 50367—2006，混凝土結構加固設計規范［S］.GB 50367—2006，Reinforced Concrete Structure Design Specification［S］.

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