HFRP加固鋼筋混凝土抗彎構件的應用分析

黃春蕾

重慶建筑工程職業學院,重慶400039

HFRP加固鋼筋混凝土抗彎構件的應用分析

黃春蕾

重慶建筑工程職業學院,重慶400039

HFRP加固鋼筋混凝土結構的方法在實際工程已經逐漸被應用。本文采用13根梁作為試驗基礎，分別對黏貼不同纖維材料的鋼筋混凝土梁進行了破壞性試驗。結果表明：采用混凝土應力一應變全曲線進行推導的公式能夠真實的表現混凝土材料的這個破壞過程；加固鋼筋混凝土梁的極限承載力隨纖維材料加固層數增多而增大，但承載力非線性的增長；加固后鋼筋混凝土梁能夠減小極限狀態的最大裂縫寬度，而且裂縫的均勻性更好。

HFRP;混凝土梁;試驗研究;工程案例

隨著科學技術的高速發展，工程界對建筑結構的質量以及使用功能要求更高，加固技術應運而生。目前，碳纖維材料在國外發達國家已經應用到建筑業的各個領域，碳纖維材料將在土木工程的應用率在20%以上。因此，研究HFRP(Hybrid Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土抗彎性能具有十分重要的理論和顯示意義。國內外多學者Meier[1]研究采用FRP板取代傳統的鋼板加固Ebach橋。FRP材料在美國的應用十分廣泛[2,3]，美國混凝土協會推出FRP材料加固混凝土結構規程。日本在1993年頒布關于FRP加固的設計指南，然后又頒布了一系列的規程和行業標準[2]。我國1997年開始研究FRP加固技術，2000年成立預應力混凝土分會纖維增強塑料(FRP)，2003年制訂相關規程[4]。綜合分析國內外的研究現狀可以看出，目前對HFRP加固鋼筋混凝土的研究主要集中在研究梁和板的抗彎粘結方式、錨固技術以及界面剛度等方面內容[5-8]；研究FRP加固混凝土柱主要是研究加固后混凝土柱應力—應變關系[9]。

本文較為深入的從理論和試驗兩個角度分析HFRP加固鋼筋混凝土抗彎性能，主要是研究變分法分析預應力框架梁的解析解，結合較為典型的預應力框架結構的試驗，探討預應力混凝土梁的有效翼緣寬度的取值，并提出預應力混凝土梁的有效翼緣寬度的解析解，為建筑工程中預應力混凝土結構的設計以及施工提供有效的參考。

1　理論分析

鋼筋混凝土梁主要包含由鋼筋和混凝土兩種力學性。混凝土具有抗壓性能好、抗拉性能差的特點，而鋼筋具有較好的抗拉、抗壓性能。粘貼復合材料纖維加固梁是在受拉區粘貼纖維材料，提高鋼筋和混凝土抗彎能力，進而提高混凝土的整體抗彎性能。達到結構補強的目的。

1.1HFRP片材加固梁抗彎承載力計算公式

鋼筋混凝土梁的混凝土壓碎，CFRP還沒有被拉斷，梁的極限彎矩Mu為：

相比普通混凝土梁，加固后的混凝土梁的破壞同樣經歷三個不同的階段，通過研究發現開裂前的FRP材料對鋼筋混凝土的受力性能的影響不是很明顯。本文采用混凝土應力一應變全曲線進行公式的推導，相比規范而言，計算較為復雜，但能夠真實的表現混凝土材料的這個破壞過程，在工程的適用度較高。相對普通的鋼筋混凝土梁，加固梁的拉區除了有鋼筋作用之外，還有纖維材料的附加作用，鋼筋混凝土梁的極限受拉性能得到很大的提高。本文中的公式根據混凝土梁底部粘貼一層CFRP來推導，對于粘貼多層纖維材料的工況，在計算時候可以改變設計厚度進行計算。

2　試驗研究

加固鋼筋混凝土梁采用在梁底受拉區粘貼FRP材料的方法，FRP片材可以為梁截面提供額外的拉力，從而提高混凝土梁的抗彎承載力。本文研究HFRP(混雜纖維)片材加固鋼筋混凝土簡支梁試驗，分析采用HF加固的鋼筋混凝土梁的正截面彎矩一曲率，通過試驗結果驗證加固后的混凝土梁的極限抗彎承載力計算公式，討論HFRP片材加固梁的截面極限狀態。

2.1工程概況

某學校的教學樓采用三層框架結構，該教學樓的建筑面積在3320 m2左右，每一層所采用的混凝土等級不同，梁柱的混凝土都是采用C30，板的混凝土采用C25，該結構的基礎采用的是柱下獨立基礎，深2.5 m。該教學樓在2006年建設完成之后開始投入使用，在使用一段時間之后使用功能上有新的需要，打算在原來原結構上面再增加一層，可以作為教師和學生的閱覽室。

為了更好的解決這個工程加固問題，本文首先進行相應的實驗研究。本試驗采用13根鋼筋混凝土梁（表1），截面為矩形截面，寬和高分別為120 mm和200 mm，鋼筋混凝土梁長度為1400 mm。簡支梁的加載方式為兩點對稱加載，鋼筋混凝土梁中縱筋為2Φ10（HPB235），架立筋為2Φ6，箍筋為Φ6@80，圖1為試件的尺寸及配筋。

圖1　混凝土梁的截面尺寸Fig.1 The Sectional dimensions of concrete beams

圖2　電阻應變計Fig.2 The resistance strain gauges

圖3　試驗裝置Fig.3 The test device

2.2施工工藝

外貼纖維布對施工質量要求較高，膠結強度取決于界面結合力、膠層內部的應力情況以及膠層強度，為保證粘結質量，必須選擇好膠粘劑，采用一些錨固措施和合理粘結工藝。

施工前首先準備好施工機具，按試驗設計要求剪好纖維布，在施工過程中如果發現混凝土表面有剝落、蜂窩、腐蝕的現象要剔除并用水泥砂漿修復，裂縫要進行封閉處理。采用環氧樹脂填補混凝土表面凹陷部位。按相應的比例配置好浸潤樹脂，然后用毛刷涂抹在所要粘貼的部位，將裁剪好的纖維布粘貼到位并用滾筒在纖維布表面滾壓，以便纖維布與混凝土能夠較好的粘結。施工完畢之后再常溫室內養護7 d后進行試驗。

隨著生活水平不斷提高，更多人認識到了高等教育的重要性，校企合作已成為近幾年高校的熱門詞匯。校企結合模式打破常規教學，更多地增加了實踐教學，與企業建立了親密的合作關系。校企合作模式是學校和企業在共同目的基礎上構建相互合作，用自己的長處來彌補對方的不足，由雙方指導，達到教育與實踐相結合，實現校企雙方共享，促進校企結合成果的實際化。校企結合通過共同培養企業所需的高級管理人才，促進方雙的合作共贏，并且在合作的過程中實現對專業人才的培養。

表1　混凝土梁的編號以及加固情況Table 1 Number and state of reinforced concrete beam

2.3試驗過程

試驗前要準備好相應的支座以及反力架，在梁的高度方向貼好應變片，傳感器和應變儀要調試好。

本試驗加載方式為手動千斤頂形式（圖3），荷載傳感器控制荷載值，采用分級加載形式，每級2 KN，破壞荷載階段提升為3 KN，加載的時間間歇為10 min，加載到破壞荷載80%之后，逐級加載1 KN至破壞。混凝土梁的破壞標志:①鋼筋混凝土梁的受壓區混凝土壓碎；②鋼筋混凝土梁的鋼筋屈服；③HFRP被拉斷；④HFRP與混凝土剝離破壞。

2.3.1未加固混凝土梁試驗研究通過試驗得到未加固鋼筋梁的極限承載力以及相應的變形性能，以便與其它幾組的混凝土加固梁作比較。未加固的鋼筋混凝土梁1、2的破壞是適筋梁的破壞，首先純彎段出現豎向裂縫，隨著荷載的不斷增加，裂縫寬度增大，最后，受壓區混凝土被壓碎。1組的鋼筋混凝土梁在荷載為11.2 KN時底部混凝土產生裂縫，荷載46.5 KN試件破壞，破壞時撓度8.35 mm；1組的鋼筋混凝土梁在荷載為14.35 KN產生見裂縫，破壞荷載為53.5 KN，破壞時撓度7.12 mm，如圖4、5。

圖4　1、5組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.4 The load-flexibility curve of beams 1、5 group

圖5　1、5組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.5 The beam moment-curvature graph of 1、5 group

2.3.2一層碳纖維布加固混凝土梁試驗研究本組通過試驗研究三根混凝土梁的受彎性能，主要目的是研究加固量不同的纖維材料對對鋼筋混凝土梁的承載力以及破壞特征的影響，方便HFRP在工程中的應用。

第2組鋼筋混凝圖梁底粘貼一層碳纖維布，鋼筋混凝土在荷載為11.75 KN產生裂縫，隨著荷載的不斷增加，受彎段不斷有新裂縫的產生，試件破壞的時候首先受拉鋼筋屈服然后受壓區的混凝土出現壓碎的情況，可以在實驗室聽到纖維布絲脆斷發出劈啪的聲音，最終是碳纖維布被拉斷然后鋼筋混凝土梁的受壓區混凝土壓碎，鋼筋混凝土梁破壞時的荷載是72.3 KN，破壞時候的撓度是7.555 mm，試驗結果如圖6、7所示。

第3組鋼筋混凝土梁底粘貼了一層碳纖維布和一層玻璃纖維布，荷載是12.01 KN的時候鋼筋混凝土梁產生可見，荷載的不斷增加，受彎段不斷有新裂縫的產生，試件破壞的時候首先受拉鋼筋屈服然后受壓區的混凝土出現壓碎的情況，纖維布沒有被拉斷。鋼筋混凝土梁破壞時的荷載是75.8 KN，破壞時候的撓度是7.51 mm，試驗結果如圖8、9所示。

圖6　二組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.6 The load-flexibility curve of beams in group 2

圖7　二組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.7 The bending momentcurvature graph in group 2

圖8　三組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.8 The load-flexibility curve of beams in group 3

圖9　三組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.9 The bending momentcurvature graph in group 3

2.3.4一層碳纖維布和二層玻璃纖維布加固混凝土梁試驗研究第4組鋼筋混凝土梁在底部底粘貼了一層碳纖維布和二層玻璃纖維布，鋼筋混凝土在荷載為11.82 KN產生裂縫，隨著荷載的增加，出現裂縫地方與上一組梁基本相似，試件最終的破壞形式是受拉鋼筋先發生，然后受壓區的混凝土出現壓碎的情況，纖維布沒有被拉斷。鋼筋混凝土梁破壞的極限荷載是79.5 KN，發生破壞的撓度是6.82 mm，試驗結果如圖11、12所示。

圖10　四組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.10 The load-flexibility curve of concrete beams in group 4

圖11　四組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.11 The bending moment-curvature of beams in group 4

圖12　鋼筋混凝土梁的裂縫Fig.12 The cracks of reinforced concrete beams

2.4鋼筋混凝土梁的開裂機理及工程加固方案

通過研究得出HERP加固后的鋼筋混凝土的抗彎性能得到很大的提高，裂縫也可以得到有效的控制，在本工程案例中，采用一些的加固方案，在原來的樓層上面新加層的柱子采用鉆孔植的形式，在原柱的節點上面將鋼筋引出，底層柱要進行截面的增大，一般是采用增加原鋼筋混凝土柱的的受力鋼筋，并在新增加的鋼筋外面澆筑混凝土，從而提高混凝土的承載力。對框架結構的三層梁黏貼混合纖維布加固，首先對底層的柱進行加固，將原來的柱400 mm×400 mm增大到550 mm×550 mm，植筋下部錨固長度要大于等于20倍的鋼筋直徑，外露鋼筋的長度大于等于40倍的鋼筋直徑和1000 mm直徑的最大值，同時在柱四面布置錨拉筋。三層鋼筋混凝土梁的加固采用混合纖維加固，選用的HFRP的技術參數為：E=2.35×105，[ε]≤0.01，HFRP達到允許拉應變和混凝土同時壓壞的相對受壓區高度bξ=0.188，極限拉應變ε大于等于0.015，具體HFRP的施工方法參照上文。本建筑物在經過初步的加層以及加固之后，已經在實際中得到使用，經檢測發現框架柱沒有明顯的裂縫和破壞的跡象，能滿足建筑結構安全方面的要求。

3　結論

本文較為深入的從理論和試驗兩個角度分析FERP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能，結合具體的工程案例采用13根梁作為試驗基礎，分別對黏貼不同纖維材料的鋼筋混凝土梁進行了破壞性試驗。根據得到的試驗現象和數據，并結合相應的理論研究成果，得出了以下主要的結論。

（1）加固鋼筋混凝土梁的極限承載力隨這纖維材料加固層數增多而增大，但承載了不是線性的增長。

（2）本文采用混凝土應力一應變全曲線進行公式的推導，相比規范而言，計算較為復雜，但能夠真實的表現混凝土材料的這個破壞過程，在工程的適用度較高。相對普通的鋼筋混凝土梁，加固梁的拉區除了有鋼筋作用之外，還有纖維材料的附加作用，鋼筋混凝土梁的極限受拉性能得到很大的提高。

（3）玻璃纖維和碳纖維混雜布加固后的承載力略低于相同情況下的單一碳纖維布加固效果，但混雜加固后的鋼筋混凝土的延性增加，費用也也得到很大降低，從技術和經濟將對選擇FERP加固較為合理。

（4）加固后鋼筋混凝土梁能夠減小極限狀態的最大裂縫寬度，而且裂縫的均勻性更好。

（5）通過工程案例應用分析，FERP加固鋼筋混凝土梁能夠較為廣泛的應用到實際工程中，可以提高梁的屈服荷載和極限荷載，本文的結果能為FERP加固鋼筋混凝土構件的設計及應用提供參考。

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Theoretic Analysis and Experimental Study on Reinforced Concrete Members Being Resistance to Bending and Strengthened with HFRP

HUANG Chun-lei
Chongqing Vocational College of Architectural Engineering,Chongqing 400039,China

The approach to reinforce concrete structure with HFRP in practical engineering has been applied gradually.This paper used 13 beams as a test base to respectively paste different fiber materials and to damage them.The results showed that the formula of concrete stress-strain curve could be used to derive the destroyed process,the ultimate bearing capacity of reinforced concrete beam was increasing with layers of fiber increasing,but it was not linear and the reinforced concrete beam strengthened later could reduce into the maximum crack width and the uniformity of crack was better then before.

HFRP;reinforced concrete beam;experimental study;engineering project

TU375

A

1000-2324(2015)02-0270-04

2013-06-12

2013-10-23

黃春蕾(1972-),女,重慶人,管理學碩士,副教授、高級工程師,國家一級注冊建造師、質量工程質量工程師,全國高職高專教育指導委員會施工分指委委員.從事施工技術和施工組織與管理的教學、科研工作.E-mail:yangqivip@yeah.net