預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁試驗研究

郭 蓉，吳二朋，張寶虎，宋 昌，趙少偉

（1．河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401；2．河北省土木工程技術研究中心，天津 300401；3．天津公路工程總公司，天津 300201）

預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁試驗研究

郭 蓉1,2，吳二朋1,3，張寶虎3，宋 昌1,3，趙少偉1,2

（1．河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401；2．河北省土木工程技術研究中心，天津 300401；3．天津公路工程總公司，天津 300201）

通過研制的一套張拉錨固設備對碳纖維板施加預應力后加固試驗梁對其進行抗彎靜載試驗．試驗表明未施加預應力CFRP板梁開裂荷載沒有影響，而預應力CFRP板加固梁的開裂荷載有明顯提高，可以延緩梁的開裂；所有加固梁的屈服荷載、極限荷載都有所提高，同時增加了構件的剛度；試驗時粘貼CFRP板加固梁超過了CFRP板極限抗拉強度的25%，而預應力CFRP板加固梁接近粘貼CFRP板的二倍，充分發揮了材料的強度；試驗所用的錨具在梁加載過程中沒有出現滑移，錨固效果良好．

碳纖維板；張拉設備；預應力；加固；抗彎試驗

目前，傳統的外部粘貼碳纖維板加固法由于其施工操作簡單、加固效果顯著受到工程加固界的青睞，但隨著材料的深入研究與普遍應用，發現這種傳統加固方法材料浪費極大[1-2]．CFRP板與鋼筋彈性模量相差不大，而抗拉強度卻比鋼筋高許多，導致CFRP不能充分發揮自身強度[3-4，10]．Garden[5]通過實驗證明CFRP板施加的最低預應力水平至少是其極限抗拉強的25%才能收到CFRP板良好的預應力加固效果，提高構件的承載力．Garden與Hollaway[6-7]等人對2種尺寸的試件進行了預應力CFRP板加固的抗彎性能研究．指出CFRP板施加預應力不僅增大了混凝土受壓區的高度，提高混凝土利用率，而且增大了構件剛度，提高CFRP板利用率，從而提高構件的承載力．Quantrill與Holaway[8]等人通過對CFRP板施加預應力證明了預應力損失主要來自CFRP板放張后混凝土彈性收縮．彭暉、尚守平[9]等人在自主研發的錨固設備的基礎上對8根試驗梁進行外部粘貼預應力CFRP板抗彎試驗研究．結果表明：對加固試驗梁的CFRP板進行張拉可以提高構件的開裂荷載和屈服荷載，改善構件的變形，提高CFRP板材料的利用效率．本文自主研制出一套預應力CFRP板張拉錨固裝置，通過對不加固梁、非預應力CFRP板加固梁和預應力CFRP板加固梁的靜載抗彎試驗，分析了對承載能力、剛度、裂縫開展情況、CFRP板的利用率等性能指標．研究成果有助于推進此種加固方法在梁板構件加固工程的應用．

1 試驗概述

1.1 試件設計

本試驗設計了3根矩形截面試驗梁，混凝土抗壓強度等級為C50．梁底主筋采用3C25，架立筋采用2B12，箍筋采用A10，通長布置．梁的尺寸及具體配筋圖見圖1，試驗梁編號加固情況見表1．

圖1 試驗梁的尺寸和配筋示意圖（單位：mm）Fig.1 The size of the test beam and reinforcement of schematic diagram

表1 試驗梁加固情況Tab.1 Test beam number and reinforcement

1.2 張拉錨固裝置的設計

目前國內對CFRP板施加預應力的張拉裝置研究較少，并且配套設施和技術不成熟．它們大多具有裝置自重較大、施工工序繁瑣、操作受條件限制、理想應力難以控制、加固效果存在缺陷等缺點．為了實現預應力CFRP板的安全張拉，錨具作為傳力和錨固裝置，可靠的錨固、充足的剛度和承載能力是其必備條件．本試驗所用的錨具是在以往錨具的基礎上進行了改進而產生的鉸式粘結咬合錨，設計原理是螺栓錨固、膠體粘結外加機械咬合，主要包括上齒板和下齒板兩部分．為了克服摩擦力不足產生的滑移問題，把兩塊鋼板做成像牙齒一樣的咬合狀，并注入膠體，增大了它們之間的摩擦力．為了克服在張拉過程中出現偏拉的問題，把固定端提供反力的反力塊做成凹狀，錨固板一端做成凸狀，弧度稍小于反力塊，避免了現場設備安裝誤差產生CFRP板偏心受拉而造成預應力損失或被拉斷．在總結前人研究經驗的基礎上，盡量克服施工過程的不利因素，結合波形粘結的錨固方式，經反復嘗試最終研制出了一套可拆卸、安裝便捷、加固效果理想的張拉裝置，如圖2所示．張拉裝置整體可分為張拉單元和夾具單元．張拉單元由液壓缸支架、掛環和錨固板組成．夾具單元由滑槽和夾具構成．張拉設備照片見圖3．

1.3 材料性能

試驗所用碳纖維板規格：厚度1.2mm，寬度55mm，抗拉強度標準值2 424MPa，受拉彈性模量1.69 ×105MPa，伸長率1.71%，等級為高強度1級．

1.4 測點布置及加載方案

為了分析構件的受力性能及鋼筋、CFRP板和混凝土的協同關系，本試驗在鋼筋、混凝土和CFRP板粘貼了電阻應變片，鋼筋應變片的規格為5mm×3mm，混凝土應變片的規格為100mm×5mm．鋼筋的測點布置見圖4．混凝土的測點布置見圖5．碳纖維板測點布置應變測點布置圖見圖6．

圖2 張拉裝置整體設計圖Fig.2 The overall blueprint of Tensioning device

圖3 張拉設備實物圖Fig.3 Tensioning device object graph

圖4 鋼筋測點（單位：mm）Fig.4 Steel arrangement of measuring points

圖5 混凝土測點布置（單位：mm）Fig.5 Concrete arrangement of measuring points

圖6 碳纖維板測點布置（單位：mm）Fig.6 CFRB arrangement of measuring points

試驗通過手動式液壓千斤頂采用分級加載的加載方案，試驗開始前，先進行預加載一兩級，檢驗百分表安裝是否穩定和試驗儀器能否正常工作．等儀器檢查完成準確無誤后進行卸載，靜置15 m in后進行正式加載．正式加載時，加載制度為：小于70%試算開裂荷載時采用10 kN/級進行加載，大于70%試算開裂荷載后然后改為5 kN/級進行加載．截面開裂后小于70%試算屈服荷載時采用20 kN/級進行加載，然后改為10 kN/級加載直至試件受拉鋼筋屈服．屈服后改為變形控制，1mm/級加載直至試件破壞．每級荷載加載完畢后持荷5m in，觀察裂縫發展情況和構件撓度的變化．另外，為了測量試驗加載過程中梁體變形情況，在梁的支座跨中、支座截面以及三分點分別布置百分表，來測量試件的跨中最大變形，支座沉降和加載點變形．裝置詳圖如圖7所示．加載現場如圖8．

圖7 加載示意（單位：mm）Fig.7 Loading diagram

圖8 加載現場Fig.8 Loading live-action

2 試驗現象及結果分析

2.1 試驗現象分析

試驗所采用配筋率為0.8%的適筋梁，把對比梁B0進行靜力抗彎荷載試驗，其試驗現象與標準的鋼筋混凝土受彎構件相吻合．當荷載施加到76 kN時，在試驗梁跨中純彎段梁底出現第一條豎向裂縫，當荷載在330 kN擺動時，梁B0底主筋裂縫達到1.5mm，撓度增大到23.69mm，宣告試驗梁破壞．當荷載加到75 kN時，在梁B1底跨中純彎段出現第1條豎向裂縫，當荷載增加到355 kN時，梁底CFRP板出現“啪啪”的響聲，在梁底CFRP板出現輕微剝離，見圖9．試驗梁B2在荷載施加到90 kN時，在跨中梁底純彎段出現豎向裂縫，此時梁的撓度變形為2.04mm；荷載繼續增大的同時，在彎剪區開始出現斜裂縫，當荷載增加到376 kN時，此時梁底CFRP板出現刺耳的“啪啪”響聲，在梁底結構膠也出現輕微開裂，見圖10．試驗結束時，從B1、B2梁碳板的剝離情況來看，碳板預應力的施加有助于緩解碳板的剝離．

圖9 B1碳板剝離Fig.9 Carbon plate stripping

圖10 B2結構膠開裂Fig.10 Structural plastic cracking

2.1 試驗梁承載性能分析

各試驗梁承載性能分析如表2所示．

從表2可以看出與對比梁B0的開裂荷載相比，梁B1的開裂荷載幾乎沒有發生變化，而梁B2的開裂荷載提高至118%．說明施加預應力CFRP板加固的梁在提高抗彎構件的抗裂性能方面有一定的作用．對于屈服荷載和極限荷載而言，梁B1分別提高至109%和108%，梁B2提高至117%和114%．說明粘貼CFRP板和施加預應力CFRP板加固的梁承載能力有所提高，施加預應力加固效果更加明顯．與梁B1相比，梁B2開裂荷載提高值與屈服荷載提高值很接近，這是因為試件底部混凝土開裂至鋼筋屈服的過程中，鋼筋應變增長值一定，根據應變協調，碳纖維板應變增長也為定值，梁B1與梁B2的鋼筋應變增長與碳纖維板應變增長相同，因此荷載值增長也會接近，所以這一結果是合理的．

2.2 裂縫分析

由表3可以看出試件破壞時，B1、B2梁的裂縫條數與B0梁相比依次增多，而裂縫范圍同樣比B0梁分布廣，但B1、B2梁裂縫分布范圍相差不大，B0、B1、B2梁的裂縫平均間距依次減小．經過分析可知對試驗梁粘貼CFRP板或粘貼施加預應力的CFRP板，增大了裂縫的分布范圍，避免了局部大裂縫的出現，從而避免了梁因局部產生過大的變形而脆性破壞．因此，CFRP板加固后的梁在提高承載力的同時，增加了裂縫的數量，減小了裂縫寬度，提高了構件的耐久性，滿足了構件正常的使用要求，并且預應力CFRP板加固梁效果更明顯．鋼筋屈服即梁B0、B1、B2分別荷載達到308 kN、335 kN、359 kN后，梁的荷載增加相對緩慢，裂縫寬度迅速增長，CFRP板由此發揮的作用增強，限制相同荷載作用下裂縫的延展．

表2 試驗梁承載性能Tab.2 Test beam bearing capacity

2.3 剛度分析

圖11為各梁的跨中彎矩-撓度曲線，從中可以分析出，開裂前3個試件變形曲線基本重合，初始剛度大致相同；在跨中彎矩達到91.2 kN m，對比梁B0開裂荷載，與其相比，B1、B2兩根加固梁的抗變形能力都有所提高，B1梁的剛度提高14.3%，B2梁的剛度提高27.6%，說明CFRP板隨著混凝土開裂，梁體變形加大，CFRP板的增強作用逐漸發揮出來，特別是施加預應力的CFRP板的增強作用更加明顯；跨中彎矩達到369.6 kN m，也即對比梁B0的屈服荷載后，鋼筋應力不再增長，增加的荷載轉為CFRP板承擔，所以對比梁 B0的承載能力不再增加，加固梁 B1、B2的承載力還繼續增長，各試件屈服荷載后的平均剛度分別為0.26 kN m/mm、2.64 kN m/mm、3.35 kN m/mm，相比對比梁B0，B1、B2的剛度均有大幅度提高，施加預應力后的CFRP板在鋼筋屈服后的增強作用更加顯著，有效地限制裂縫的開展，具有良好的變形性能．B0的剛度出現負數是因為試件以跨中最大裂縫達到 1.5mm為破壞標志，試件破壞荷載小于試件屈服荷載．

表3 試驗梁裂縫開展范圍表Tab.3 Test beam crack propagation

圖11 荷載—撓度曲線Fig.11 Load-deflection curve

2.4 CFRP板和鋼筋協同性分析

試驗梁跨中鋼筋、CFRP板荷載-應變曲線如圖12所示．開裂前，B1、B2梁的鋼筋和CFRP板的應變增長值幾乎相同，開裂之后，由于B2梁CFRP板施加了預應力，使得CFRP板的應變增加量大于同等荷載作用下的鋼筋的增加量；由于CFRP板發揮強度需要一定的變形，此時梁的變形不大，所以B1梁在同等荷載作用下CFRP板的應變增長值比鋼筋的應變增長值小，隨著梁變形的增加，CFRP板承受的拉力越來越大，應變值越來越大．在鋼筋屈服后，B1和B2梁CFRP板應變增長值相比鋼筋大得多，遠遠大于鋼筋應變．

2.5 CFRP板強度利用效率分析

CFRP板是高強性能材料，具有很高的抗拉強度．在利用CFRP板進行結構加固時，CFRP板自身發揮的強度即是否被充分利用是值得大家關注的一個問題．為了解決這個問題，表5列出了CFRP板的強度利用效率．

由上述結果可以看出施加預應力的CFRP板的應變值比粘貼的CFRP板在加載過程中的各個階段都大．梁破壞時，B1梁的CFRP板應變增長了4 122，大約為CFRP板極限抗拉強度的28.7%，B2梁的應變增長了457 9，總應變占CFRP板極限抗拉強度的56.9%．經分析表明，無論是在開裂荷載、屈服荷載或極限荷載，預應力加固后的構件的CFRP板的使用效率均大于不加預應力加固構件的CFRP板，使CFRP板材料高強性能充分發揮．

表5 CFRP板的強度利用效率Tab.5 The utilization rate of the CFRP plate

圖13 跨中鋼筋與CFRP板的荷載-應變曲線Fig.13 Span reinforced with CFRP plate load-strain curves

3 結論

1）本試驗所用的錨具在張拉過程中沒有出現滑移，錨固效果良好．

2）預應力加固后的梁對構件抗裂性能提高明顯而粘貼CFRP板加固后的梁對構件的抗裂性能影響不大；CFRP板加固后對構件的屈服荷載和極限荷載產生極為有利的影響并且大大提高了CFRP板的利用效率，預應力加固梁影響幅度更明顯．

3）從粘貼CFRP板加固到施加預應力加固相對于對比梁裂縫發展緩慢，裂縫分布范圍廣且細密．粘貼碳纖維板對梁的剛度有所提高，預應力加固的梁提高幅度更大，此效果在開裂后更為明顯．鋼筋和CFRP板受力協同性良好．

[1]彭暉．預應力碳纖維片材加固鋼筋混凝土受彎構件的性能研究[D]．長沙：湖南大學，2006．

[2]趙彤，謝劍，戴自強．碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的受彎承載力試驗研究 [J]．建筑結構，2000（7）：11-15．

[3]尚守平，彭輝，童樺，等．預應力碳纖維布材加固混凝土受彎構件的抗彎性能研究 [J]．建筑結構學報，2003，24（5）：24-30．

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[責任編輯 楊 屹]

Experimental study on fiexura behavior of reinforced concrete strengthened with carbon fiber plates

GUO Rong1,2，WU Erpeng1,3，ZHANG Baohu3，SONG Chang1,3，ZHAO Shaowei1,2

(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province,Tianjin300401,China;3.Tianjin Highway Engineering General Corporation,Tianjin 300201,China)

This article conducts bending static load test after tensioning CFRP at the basic of a tensioning anchorage independently developed and reinforcing CFRP to bending test beam.Test shows that cracking load of beam pasting CFRP plate has not changed,while prestressed CFRP plate reinforcement beam cracking load has obviously improved and delay the cracks of beam.Reinforced beams yield load and ultimate load are improved,at the same time increase the stiffness and ductility of beams.In the process of the test,pasting CFRP plate reinforcement beam more than a quarter of CFRP plate ultimate tensile strength.Reinforcement of prestressed CFRP plate is almost twice of paste CFRP plate and give full play to the strength of materials.Test of anchorage slip did not appear in the process of the beam loaded,the anchoring effect is good.

CFRP plate;tensioning equipment;prestressed;reinforcement;bending test

TU378.2

A

1007-2373(2015)05-0106-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.017

2015-08-03

天津市交通運輸科技發展計劃項目（2016A-02）

郭蓉（1974-），女（漢族），副教授，博士．