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

郄兵輝

（河北省交通運輸廳機關(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)揮其抗拉強度高的特點。但受制于碳纖維布各向異性的力學(xué)特點，必須研制專門的碳纖維布張拉設(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，增加了橋梁在過載情況下突然斷裂的風(fēng)險。

針對上述問題，人們開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。歐陽麗芳等針對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的受拉區(qū)，產(chǎn)生一定的反拱。此時再粘貼碳纖維布，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。本文就以該方法進行普通鋼筋混凝土梁的室內(nèi)加固試驗。試驗結(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?zāi)Ｐ图捌浼庸踢^程

為進行對比分析，試驗采用3根矩形截面試驗梁，具體情況如表1所示。試驗梁按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制作，設(shè)計混凝土抗壓強度標(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3 200 mm，凈跨徑L=3 000 mm，剪彎段長1 000 mm，純彎段長1 000 mm。縱向主拉鋼筋采用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 試驗梁安排

利用體外預(yù)應(yīng)力筋作為輔助手段實現(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→填補缺陷找平→粘貼碳纖維布→養(yǎng)護→放張體外預(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入工作狀態(tài)。試驗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)力筋進行預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的過程

表2 碳纖維布的規(guī)格

2 加載方案及測點布置

試驗梁為簡支梁，加載采用三分點對稱加載，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]進行靜力加載試驗，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。靜載試驗的加載裝置如圖3b所示。試驗過程中測量了荷載作用下的梁體撓度和裂縫（測點布置如圖3a），藉此評價加固效果。

圖3 靜載試驗方案

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荷載作用下的位移量大于前一級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 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗梁的破壞形態(tài)

JD—1試驗梁在試驗過程中，表現(xiàn)出了較為明顯的適筋梁破壞特征。即荷載較小時，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，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，裂縫急劇開展，撓度急劇增大，裂縫幾乎貫穿整個梁高；當(dāng)F≈300 kN時，試驗梁跨中上緣混凝土被壓碎，不能繼續(xù)承擔(dān)荷載而破壞，見圖4a。

JD-2試驗梁在荷載F達(dá)到120 kN之前，加固構(gòu)件的撓度與JD-1試驗梁的增長比例接近；當(dāng)荷載超過120 kN后，加固構(gòu)件撓度和裂縫增長較JD-2試驗梁緩慢；荷載F超過240 kN后，裂縫急劇開展，撓度急劇增大。在外荷載F達(dá)到290 kN時，CFRP布邊緣出現(xiàn)輕微翹起，持荷過程中繼續(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)變和撓度增長趨勢加快。荷載F加至450 kN時突然一聲巨響，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)力筋進行預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的過程

3.2 試驗梁的力學(xué)性能

圖5 碳纖維布的應(yīng)力變化

圖5給出了試驗梁JD-3所粘貼碳纖維布的應(yīng)力隨試驗過程的變化情況。在本文的加固試驗中，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)變增速明顯加快，直至拉斷。

圖6 試驗梁的撓度變化

圖6是3根試驗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，撓度隨著F的增大而線性增加。當(dāng)荷載F大于120 kN后，3根試驗梁跨中撓度的增加速度開始有所區(qū)別，未加固的JD-1試驗梁的撓度增長最快，預(yù)裂后直接粘貼碳纖維布加固后的JD-2試驗梁的撓度增長較JD-1緩慢，而利用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固后的JD-3試驗梁的撓度增加最慢。

圖7是3根試驗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220 kN以后，JD-1試驗梁的裂縫急劇開展，幾乎貫穿整個梁高，該梁徹底喪失承載能力。在荷載F大于220 kN后，JD-2試驗梁裂縫急劇開展；當(dāng)外荷載達(dá)到290 kN時，裂縫最大寬度為1.20 mm，此時碳纖維布剝離，試驗梁喪失承載能力。在整個加載過程中，預(yù)應(yīng)力碳纖維布對加固試驗梁JD-3的裂縫開展起到了很好的抑制作用，大幅提高了梁體的開裂荷載。當(dāng)荷載小于120 kN時，JD-3試驗梁的裂縫幾乎不發(fā)展。當(dāng)荷載F位于120 kN到400 kN之間時，裂縫發(fā)展的十分緩慢。當(dāng)荷載超過400 kN以后，裂縫才開始急劇增長，直至構(gòu)件破壞。

圖7 試驗梁的裂縫變化

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

4 小結(jié)

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

a）利用體外預(yù)應(yīng)力筋使梁體產(chǎn)生反拱從而實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固試驗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。