基于反拱法的預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究

郄兵輝

（河北省交通運(yùn)輸廳機(jī)關(guān)服務(wù)中心，河北 石家莊 050051）

0 引言

為克服直接粘貼碳纖維布加固中受力滯后、不能提高梁體抗彎剛度等弊端，人們開(kāi)始關(guān)注預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的研究[1-2]，以充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)。但受制于碳纖維布各向異性的力學(xué)特點(diǎn)，必須研制專(zhuān)門(mén)的碳纖維布張拉設(shè)備，設(shè)備安裝和施工操作不方便，這就限制了直接張拉碳纖維布在實(shí)際加固工程中的推廣應(yīng)力。另一方面，脆性破壞特性使得直接張拉碳纖維布加固梁體的延性大幅降低，增加了橋梁在過(guò)載情況下突然斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，人們開(kāi)始研究利用反拱法使碳纖維布獲得預(yù)應(yīng)力的加固方法。歐陽(yáng)麗芳等針對(duì)25 m箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁[3]，利用有限元方法分析了反拱法預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板的加固效果；趙啟林等介紹了碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)[4]。使待加固梁體產(chǎn)生反拱有多種方法，如利用體外預(yù)應(yīng)力鋼筋作用于梁體原來(lái)的受拉區(qū)，產(chǎn)生一定的反拱。此時(shí)再粘貼碳纖維布，待膠粘劑固化后，卸去體外預(yù)應(yīng)力釋放反拱，從而使得碳纖維布獲得一定的預(yù)應(yīng)力。本文就以該方法進(jìn)行普通鋼筋混凝土梁的室內(nèi)加固試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效提高加固梁的剛度，抑制裂縫的發(fā)展，極大地改善了梁體的使用性能。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图捌浼庸踢^(guò)程

為進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)采用3根矩形截面試驗(yàn)梁，具體情況如表1所示。試驗(yàn)梁按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制作，設(shè)計(jì)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35 MPa（即C35混凝土）。試件采用同一尺寸，截面尺寸為b×h=230 mm×350 mm，梁全長(zhǎng)3 200 mm，凈跨徑L=3 000 mm，剪彎段長(zhǎng)1 000 mm，純彎段長(zhǎng)1 000 mm?？v向主拉鋼筋采用3φ25的HRB335鋼筋，縱向鋼筋配筋率p=2.1%。架立筋為2φ10的HRB335鋼筋，箍筋按規(guī)范構(gòu)造要求在沿試件長(zhǎng)度方向上配置22φ8的HRB335鋼筋，具體參數(shù)如圖1所示。

表1 試驗(yàn)梁安排

利用體外預(yù)應(yīng)力筋作為輔助手段實(shí)現(xiàn)碳纖維布的張拉，其主要步驟為：張拉體外預(yù)應(yīng)力筋→放設(shè)施工線→基層打磨、清洗→刷抹底層涂料→填補(bǔ)缺陷找平→粘貼碳纖維布→養(yǎng)護(hù)→放張?bào)w外預(yù)應(yīng)力，如圖2所示。此后，碳纖維布將和原鋼筋混凝土梁共同進(jìn)入工作狀態(tài)。試驗(yàn)中加固所用的碳纖維布規(guī)格如表2所示。

圖1 試件尺寸與配筋圖

圖2 利用體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的過(guò)程

表2 碳纖維布的規(guī)格

2 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)梁為簡(jiǎn)支梁，加載采用三分點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，詳細(xì)分析預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固普通鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能和極限承載能力。靜載試驗(yàn)的加載裝置如圖3b所示。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了荷載作用下的梁體撓度和裂縫（測(cè)點(diǎn)布置如圖3a），藉此評(píng)價(jià)加固效果。

圖3 靜載試驗(yàn)方案

加載采用荷載控制加載，加載速率為0.01 mm/min，終止加載條件為本級(jí)荷載作用下的位移量大于前一級(jí)荷載作用下的位移量的5倍，或者碳纖維布斷裂，或者混凝土被壓碎，加載即可終止。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

JD—1試驗(yàn)梁在試驗(yàn)過(guò)程中，表現(xiàn)出了較為明顯的適筋梁破壞特征。即荷載較小時(shí)，撓度隨著荷載F的不斷增大而增大，基本成比例；當(dāng)荷載F≈40 kN時(shí)，試件純彎段下緣混凝土出現(xiàn)第一批豎向裂縫；當(dāng)F≈240 kN時(shí)，裂縫急劇開(kāi)展，撓度急劇增大，裂縫幾乎貫穿整個(gè)梁高；當(dāng)F≈300 kN時(shí)，試驗(yàn)梁跨中上緣混凝土被壓碎，不能繼續(xù)承擔(dān)荷載而破壞，見(jiàn)圖4a。

JD-2試驗(yàn)梁在荷載F達(dá)到120 kN之前，加固構(gòu)件的撓度與JD-1試驗(yàn)梁的增長(zhǎng)比例接近；當(dāng)荷載超過(guò)120 kN后，加固構(gòu)件撓度和裂縫增長(zhǎng)較JD-2試驗(yàn)梁緩慢；荷載F超過(guò)240 kN后，裂縫急劇開(kāi)展，撓度急劇增大。在外荷載F達(dá)到290 kN時(shí)，CFRP布邊緣出現(xiàn)輕微翹起，持荷過(guò)程中繼續(xù)緩慢發(fā)展，最終CFRP剝離破壞，如圖4b所示。

JD-3試驗(yàn)梁在外荷載F達(dá)到390 kN之前，跨中應(yīng)變和撓度隨著外荷載F的不斷增大而線性增大，裂縫發(fā)展緩慢，CFRP與梁體之間無(wú)破壞現(xiàn)象，粘貼良好。外荷載F達(dá)到390 kN以后，應(yīng)變和撓度增長(zhǎng)趨勢(shì)加快。荷載F加至450 kN時(shí)突然一聲巨響，整幅CFRP在接近1/3處斷裂，如圖4c所示。

圖4 利用體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的過(guò)程

3.2 試驗(yàn)梁的力學(xué)性能

圖5 碳纖維布的應(yīng)力變化

圖5給出了試驗(yàn)梁JD-3所粘貼碳纖維布的應(yīng)力隨試驗(yàn)過(guò)程的變化情況。在本文的加固試驗(yàn)中，碳纖維布所獲得的預(yù)應(yīng)力為125 MPa。在直接張拉碳纖維布對(duì)梁體加固的研究中[6-7]，碳纖維布的張拉應(yīng)力一般在800 MPa以上，因此本文的加固方法也稱(chēng)為“低預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固法”。在本文的加載初期，碳纖維布的拉應(yīng)變隨著外荷載F的增大而線性增加。當(dāng)外荷載F達(dá)到390 kN以后，碳纖維布的應(yīng)變?cè)鏊倜黠@加快，直至拉斷。

圖6 試驗(yàn)梁的撓度變化

圖6是3根試驗(yàn)梁的跨中撓度隨外荷載P的變化情況。當(dāng)荷載F小于120 kN時(shí)，撓度隨著F的增大而線性增加。當(dāng)荷載F大于120 kN后，3根試驗(yàn)梁跨中撓度的增加速度開(kāi)始有所區(qū)別，未加固的JD-1試驗(yàn)梁的撓度增長(zhǎng)最快，預(yù)裂后直接粘貼碳纖維布加固后的JD-2試驗(yàn)梁的撓度增長(zhǎng)較JD-1緩慢，而利用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固后的JD-3試驗(yàn)梁的撓度增加最慢。

圖7是3根試驗(yàn)梁的跨中附近截面的裂縫隨外荷載P的變化情況。當(dāng)荷載F超過(guò)220 kN以后，JD-1試驗(yàn)梁的裂縫急劇開(kāi)展，幾乎貫穿整個(gè)梁高，該梁徹底喪失承載能力。在荷載F大于220 kN后，JD-2試驗(yàn)梁裂縫急劇開(kāi)展；當(dāng)外荷載達(dá)到290 kN時(shí)，裂縫最大寬度為1.20 mm，此時(shí)碳纖維布剝離，試驗(yàn)梁?jiǎn)适С休d能力。在整個(gè)加載過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力碳纖維布對(duì)加固試驗(yàn)梁JD-3的裂縫開(kāi)展起到了很好的抑制作用，大幅提高了梁體的開(kāi)裂荷載。當(dāng)荷載小于120 kN時(shí)，JD-3試驗(yàn)梁的裂縫幾乎不發(fā)展。當(dāng)荷載F位于120 kN到400 kN之間時(shí)，裂縫發(fā)展的十分緩慢。當(dāng)荷載超過(guò)400 kN以后，裂縫才開(kāi)始急劇增長(zhǎng)，直至構(gòu)件破壞。

圖7 試驗(yàn)梁的裂縫變化

同時(shí)，由圖5～圖7可以看出，低預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的JD-3試驗(yàn)梁的極限荷載是未加固試驗(yàn)梁JD-1的1.73倍，是直接粘貼碳纖維布普通加固JD-2試驗(yàn)梁的1.55倍。當(dāng)外荷載F為200 kN時(shí)，JD-3試驗(yàn)梁的跨中撓度是JD-1的75%，同時(shí)JD-3試驗(yàn)梁跨中截面附近的最大裂縫寬度是JD-1的52%。

4 小結(jié)

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了利用體外預(yù)應(yīng)力筋使梁體產(chǎn)生反拱從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明：

a）利用體外預(yù)應(yīng)力筋使梁體產(chǎn)生反拱從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固試驗(yàn)梁的極限承載力可提高70%以上。

b）該加固方法能顯著提高加固梁體的開(kāi)裂荷載。相比直接粘貼碳纖維布的加固梁體，加載前期裂縫幾乎不發(fā)展，梁體破壞時(shí)的裂縫寬度大幅縮小。

c）該加固方法能顯著提高加固梁體的剛度。相比直接粘貼碳纖維布的加固梁體，在同級(jí)荷載作用下，預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁體的撓度可降低40%。

綜上所述，本文所提到的加固方法可大幅提高加固梁體的剛度，減緩裂縫的發(fā)展，提高其力學(xué)性能。由于避免了碳纖維片材專(zhuān)用錨固系統(tǒng)的制備，因此本文所提到的方法在工程上具有很好的可操作性，可廣泛推廣應(yīng)用。