內嵌式CFRP混凝土梁抗彎試驗研究

黃 鸝，李荷美，付士峰，王金平

（1.河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省建筑科學研究院，河北石家莊 050021；3.河北省電力建設第一工程公司，河北石家莊 050000）

近年來，利用碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced plastic，簡稱CFRP）來加固混凝土結構的方法越來越受到國內外的關注，其中外貼碳纖維布是混凝土結構加固中的常見方法［1］。除此之外，還有一種更為新穎的加固方法，那就是內嵌碳纖維板條加固［2－4］。內嵌碳纖維板條加固法是在被加固的構件上開槽，把碳纖維板條嵌入，通過膠凝材料的粘結使碳纖維板條參與構件受力［5－7］。與外貼法相比，嵌入式加固具有材料用量少、強度高、耐腐蝕等優點［8－10］。本文對5根混凝土試驗梁進行了加載試驗，對在不同開槽數量和不同加固條件下試驗梁的承載力、裂縫形態、跨中荷載撓度曲線以及板條荷載應變曲線進行了比較分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計

共制作5根相同尺寸的矩形截面簡支梁，編號為L1—L5，截面尺寸均為b×h＝150 mm×250 mm，梁總長2.1 m，凈跨1.8 m。混凝土的設計強度等級均為C30，鋼筋保護層厚度為25mm。試驗梁受拉鋼筋為2根14HRB335筋，受壓鋼筋為2根10HRB335筋，箍筋為φ8＠100的HPB300鋼筋，剪跨區、純彎段長度均為600 mm。試驗梁的尺寸及配筋如圖1所示，加固梁L2，L3 的截面如圖2所示，加固梁L4，L5的截面如圖3所示。

為分析在碳纖維板條用量相同的情況下，開槽數量不同對梁抗彎性能的影響，以及混凝土梁在無損傷加固與損傷加固的條件下對抗彎性能的影響，設計試驗梁L1為未加固梁（即對比梁），L2，L3，L4與L5 為內嵌碳纖維板條加固梁，其中L2與L3開2個槽，碳纖維板條規格為寬20.19mm、厚1.4mm；L4 與L5 開3 個 槽，碳 纖 維 板 條 規 格為寬13.46 mm、厚1.4 mm。開槽尺寸均相同，10mm寬，20mm 深。以環氧樹脂作為板條與槽的粘結材料，粘結長度相同，均為1 800 mm。加固條件為L2和L4無損傷直接加固，對L3 和L5先預加載到65%的極限荷載值（此極限荷載值由對比梁L1得到）并完全卸載后，再進行加固（即損傷加固梁）。圖4為試驗梁加載裝置及測點布置圖。

圖1 試驗梁的尺寸及配筋圖Fig.1 Dimensions and reinforcing steel configurations of the test beams

圖2 L2，L3截面圖Fig.2 Cross－section of L2and L3

圖3 L4，L5截面圖Fig.3 Cross－section of L4and L5

圖4 試驗梁加載裝置及測點布置圖Fig.4 Loading device and measuring point arrangement of the test beams

1.2 試驗梁材料性能

表1給出了所用鋼筋的力學參數。混凝土的軸心抗壓設計強度為14.3 MPa，彈性模量為30GPa。碳纖維板條的主要性能指標由廠家提供，抗拉強度為2 450MPa，彈性模量為170GPa，伸長率為1.72%。

1.3 試件制作

根據《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》（CECS146：2003）的技術要求和內嵌加固的特點，試件按照一定的施工工藝將碳纖維板條嵌入梁槽內，圖5為加固材料及試驗梁示意圖。具體施工程序是：1）按照設計標準制作試件；2）在梁底面開槽；3）清理槽內灰塵和殘渣；4）將結構膠即環氧樹脂按比例混合均勻；5）在槽表面刷一層環氧樹脂，放入碳纖維板條后再向槽中注滿環氧樹脂；6）待環氧樹脂固化后進行表面處理［11］。

表1 鋼筋的力學性能指標Tab.1 Mechanical properties of steel bars

圖5 加固材料及試驗梁Fig.5 Reinforcement materials and the experimental beams

2 試驗結果分析

2.1 試驗梁承載力分析

試驗梁承載力詳見表2。

表2 試驗梁承載力Tab.2 Bearing capacity of the test beams

從表2可看出，采用碳纖維板加固的加固梁L2，L3，L4，L5，屈服荷載和極限荷載均高于未加固的對比梁L1，其中極限荷載較屈服荷載提高較明顯。損傷程度為65%的加固梁極限荷載提高幅度均略大于無損傷加固梁，二開槽加固梁的極限荷載提高幅度均高于三開槽加固梁。

從試驗結果可以得到：采用嵌入式加固以后，各梁的承載力均有所提高，對于無損傷直接加固梁的L2和L4，在加載初期由于嵌入梁底混凝土內的碳纖維板條的影響，抑制了混凝土變形的發展，推遲了混凝土的開裂［12］，混凝土開裂以后，原梁底混凝土所受拉力由鋼筋和碳纖維板條共同承擔，碳纖維板條在鋼筋屈服以后發揮了很大的作用。對于損傷加固的L3和L5，在加固前已存在裂縫，加載初始階段碳纖維板條即參與工作，與鋼筋一起承擔荷載，當鋼筋退出工作以后，荷載全部轉移至碳纖維板條上，由板條繼續承擔荷載直至梁破壞，其極限荷載提高程度略高于無損傷加固梁。

2.2 試驗梁裂縫分析

試驗梁破壞后裂縫形態見圖6。

圖6 試驗梁裂縫Fig.6 Cracks of the experimental beams

在對比梁L1 的加載過程中可以觀察到，隨著荷載的增加，當鋼筋達到屈服以后，混凝土被壓碎，呈現典型的彎曲破壞，主裂縫寬度均較大，主要分布于純彎段處。在L2，L3，L4，L5的加載過程中可以觀察到，加固梁的裂縫延伸較對比梁緩慢，裂縫的分布與對比梁相比更為均勻，純彎區段主裂縫的分枝少，裂縫寬度較對比梁要小［13］，其中L3的純彎段裂縫數量較對比梁少，其他加固梁的純彎區主裂縫數量與對比梁相同或多于對比梁。

2.3 試驗梁荷載－撓度曲線分析

圖7為試驗梁荷載－撓度曲線。

從圖7a）可看出：對于二開槽加固梁，在初始加載階段，撓度曲線基本重合，加固條件對混凝土梁的撓度無明顯影響［14］，但是隨著荷載的增加，對于加固條件不同的梁，撓度也有差別。在相同荷載條件下，未加固梁L1 的撓度最大，無損傷加固梁L2的撓度次之，有損傷加固梁L3 的撓度最小。這是由于L2 和L3 的碳纖維板條在梁剛開始受力時就對原始裂縫的開展有控制作用，致使其撓度小于梁L1；當荷載達到最大值時，加固梁的撓度均明顯大于對比梁的撓度，說明加固梁的碳纖維板條起到了抑制裂縫發展的作用［15］，使梁的抗彎剛度得到提高。

從圖7b）可看出：對于三開槽加固梁，其撓度發展趨勢和特征與二開槽加固梁相似。

圖7 荷載－跨中撓度曲線Fig.7 Load－deflection curves of the beams

2.4 試驗梁板條荷載－應變分析

圖8為梁中板條的荷載－應變曲線。

由圖8a）可看出：對于二開槽加固梁在加載初期，同一荷載作用下L3的板條應變略大于L2，這是因為L2在加載初始階段混凝土未開裂，板條參與承擔荷載的作用需要在混凝土開裂以后，而L3 在加固前由于加載混凝土已經開裂，板條在初始加載時即參與承擔荷載，隨著荷載的增加，L3的板條應變小于梁L2。當鋼筋屈服之后，碳纖維板條應變曲線出現較大轉折，應變迅速增大，曲線水平傾斜向上，此時荷載主要由碳纖維板條承擔。

圖8 荷載－應變曲線Fig.8 Load－strain curves of the beams

由圖8b）可看出：對于三開槽加固梁，其碳纖維板條荷載－應變曲線的形狀與二開槽加固梁相似，但是在同一荷載條件下，加固梁L4與L5的板條應變差別較小，這說明，二開槽加固梁加固條件的不同對碳纖維板條的應變有一定影響，但三開槽加固梁加固條件的不同對碳纖維板條的應變影響不大。

3 結 論

1）采用內嵌式碳纖維板加固的梁，屈服荷載和極限荷載均高于未加固梁，其中極限荷載提高幅度大于屈服荷載。本試驗中，二開槽加固梁的極限承載力提高幅度為34.9%和39.5%，三開槽加固梁的極限承載力提高幅度為15.3%和22.8%，同時表明，在碳纖維板條加固量相同的條件下，二開槽加固梁的承載力提高幅度要高于三開槽加固梁。

2）對于二開槽加固梁，損傷程度為65%的加固梁極限荷載要略高于無損傷的加固梁；對于三開槽加固梁，情況也大致相同，這表明損傷加固梁的極限承載力要略高于無損傷加固梁。

3）加固梁的裂縫發展情況與對比梁的裂縫發展情況相比具有裂縫延伸緩慢、寬度小、分布更為均勻的特點，能夠較好地抑制混凝土梁裂縫的發展。

4）二開槽加固梁在直接加固與損傷加固的情況下碳纖維板條的應變差距較為明顯，而對三開槽加固梁則不太明顯。

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