TRC板增強鋼筋混凝土梁的抗彎性能

周芬，徐文，杜運興

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TRC板增強鋼筋混凝土梁的抗彎性能

周芬1, 2，徐文1, 2，杜運興1, 2

(1. 湖南大學 工程結構損傷診斷湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410082；2. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410082)

基于短切鋼纖維增強TRC板具有較強的抗拉性能，可用于提高鋼筋混凝土梁的抗彎性能，通過四點彎曲試驗研究TRC板增強混凝土梁的工作機理。將TRC板中碳纖維網格層數作為研究參數設計2種增強工況，并建立對比工況，每種工況有2根相同的構件。對各工況構件的荷載?應變關系、荷載?撓度關系、承載力、梁的延性、裂縫開展及破壞模式進行分析。采用平截面假定提出相應的抗彎承載力計算公式。研究結果表明：TRC板能有效提高梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，梁的極限承載力可最大提高33%；TRC板增強鋼筋混凝土梁的延性有一定下降；采用抗彎承載力計算公式所得承載力計算值與試驗值較吻合。

鋼纖維；TRC板；鋼筋混凝土梁；碳纖維網格；抗彎承載力；平截面假定

纖維增強混凝土(TRC)[1?3]是一種采用纖維網格或織物來增強細骨料混凝土的高性能復合材料。TRC材料性能優異，表現在2個方面：1) TRC本身具有密度低、強度高、耐久性好的特點[4?5]，TRC板中采用的高性能細骨料混凝土使整個TRC厚度減小；2) TRC增強混凝土構件中采用水泥基材料作為黏結劑，與FRP加固中使用的有機黏結劑相比，既能保持纖維織物與基材間的相容性、互相滲透性、協調性，又能方便于潮濕和低溫環境下施工[6?7]。國內外學者對這類加固方法進行了大量研究，如：徐世烺等[8?9]對纖維增強混凝土(TRC)增強鋼筋混凝土(RC)梁抗彎性能進行了試驗研究，考慮了網格布層數、抗剪銷釘、聚丙烯纖維等，發現在水泥基材料中添加聚丙烯纖維摻和料有助于提高構件的開裂荷載，植入抗剪銷釘加強TRC層的錨固可以提高鋼筋混凝土梁的整體受力性能。在鋼筋混凝土梁配筋率一定時，提高TRC中的配網率可以有效地延緩混凝土梁主裂縫的發展，減小裂縫的寬度和間距，明顯提高梁的屈服荷載和極限承載力。PAPANICOLAOU等[10]采用纖維織物增強砂漿(TRM)對RC構件進行了抗彎加固研究，并與FRP抗彎加固技術進行對比，發現TRM加固構件承載力雖比FRP加固構件承載力低，但TRM加固構件延性性能較好。PAKRAVAN等[11]通過三點彎曲試驗探討了在基體中外摻PVA纖維對TRC薄板力學性能的影響，發現外摻PVA纖維提高了薄板的抗彎強度和斷裂耗能，增大了裂縫條數，薄板由原來的單一裂縫破壞轉變為多縫開裂破壞。本文作者在TRC復合板力學性能[12]和新老混凝土界面性能[13]的研究基礎上，提出并試驗研究一種采用預制TRC復合板材增強鋼筋混凝土梁的方法，即對碳纖維網格單向鋪平，澆筑細骨料混凝土形成TRC復合板材，采用無機砂漿黏結TRC板材到混凝土梁的受拉區表面完成加固[14]。采用雙向均質的碳纖維網格制作TRC復合板材，能充分發揮多向織物的力學性能[15]。摻入短切鋼纖維來增強復合板材，能有效防止纖維網格與水泥基體剝離，改善板材拉伸性能。

1 試驗

1.1 試驗設計與制作

研究6根鋼筋混凝土梁，分為3種工況，每種工況包含2根梁。梁截面的尺寸及配筋見圖1，梁試件編號及工況設置見表1。其中，試驗梁編號由2部分構成：第1部分中B0，B1和B3分別表示對比試件梁、含1層碳纖維網格的TRC復合板增強梁、含3層碳纖維網格的TRC復合板增強梁；第2部分中數字1和2分別表示相同工況下的第1根和第2根試驗梁。TRC復合板采用無機砂漿HPG-A黏貼在梁的受拉區。為了增強TRC板在端部錨固[16?17]，在板材加固端400 mm范圍內的梁上纏繞黏貼寬度為50 mm的CFRP布材，間隔50 mm。增強梁試件見圖2。

數據單位：mm。

(a) TRC復合板加固；(b) CFRP端部錨固處理

表1 試驗工況

注：ffabric/(f),為復合板材纖維網格配網率，其中fabric為纖維網格面積，為梁的寬度，f為復合板材的厚度，f在工況2和3中分別取12 mm和15 mm。

梁試件中鋼筋力學性能見表2，混凝土平均抗壓強度為29 MPa。圖3所示為TRC復合板中采用的砂漿摻和料、短切鋼纖維、碳纖維網格，其中，碳纖維網格的力學參數見表3。無機砂漿的28 d抗壓強度均值為76.7 MPa，端部CFRP單向布抗拉強度為 3.100 GPa。

表2 鋼筋力學性能

表3 纖維網格性能

(a) 砂漿摻和料；(b)短切鋼纖維；(c)碳纖維網格

1.2 TRC復合板材性能

TRC復合板材單向拉伸性能直接影響增強梁的力學性能。采用軸向拉伸試驗繪制TRC復合板材的應力?應變曲線，如圖4所示，其中，該曲線縱軸為板材纖維的名義應力，通過板材所受拉力除以板材截面內纖維面積得到。板材的拉伸應力?應變曲線分為3段，分別對應板材的線彈性階段、裂縫發展段、強化段。當板材出現第1條裂縫時，曲線達到1點；當板材出現通縫時，曲線達到2點；之后復合板材裂縫數目基本不增大，裂縫寬度將不斷擴大；當板材達到極限荷載時，曲線達到末點3。在第3段中，板材承受的拉力主要由纖維網格承擔，板材拉伸應力?應變曲線的斜率與同等橫截面面積的纖維網格拉伸應力?應變曲線的斜率接近。

圖4 TRC復合板材應力?應變曲線

1.3 測點布置、加載方案及觀測記錄

1.3.1 測點布置

試驗中主要測量參數有位移、荷載、鋼筋應變、混凝土應變、纖維網格應變以及裂縫開展情況。

鋼筋混凝土梁澆筑前在跨中縱向鋼筋上布置鋼筋應變片。在試驗開始前，在跨中梁頂面布置一組混凝土應變片測量混凝土壓應變，在梁跨中底面、加載點底面及支座處頂面布置位移計以測量鋼筋混凝土梁撓度變化，同時，在板材內部碳纖維網格上等距離布置應變片以測量纖維應變。試件應變片布置見圖5。

數據單位：mm。

1.3.2 加載方案及觀測記錄

采用四點彎曲試驗研究試驗梁的抗彎性能，試驗裝置見圖6。

圖6 試驗裝置

采用機械式千斤頂加載。在試驗過程中，按照荷載分級采集相應位置的位移、荷載、應變等。試驗開始以每級5 kN分級進行加載，在達到開裂荷載計算值前適當分級加密，鋼筋屈服后按照跨中撓度每級1 mm分級加載，同步繪制每級加載下鋼筋混凝土梁裂縫 走勢。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

試驗梁有2種破壞形態。

1) 第1類破壞形態。表現為縱向鋼筋屈服之后，在外部荷載作用下，隨著變形的發展，最終梁頂混凝土壓碎破壞，工況1、工況3試驗梁均屬于這種破壞形態，見圖7(a)，(b)和(c)。

2) 第2類破壞形態。表現為縱向鋼筋屈服之后，在外部荷載的作用下TRC板突然斷裂，外荷載降低。該工況試驗梁表現的力學性能與未增強梁的力學性能相近。工況2中增強梁屬于這類破壞形態，見圖7(d)和(e)。

(a) B0-1梁整體破壞形態圖；(b) B3-1梁整體破壞形態圖；(c) B3-2梁整體破壞形態圖；(d) B1-1梁整體破壞形態圖；(e) B1-2梁整體破壞形態圖

2.2 跨中應變沿梁截面高度分布

圖8所示為跨中沿梁截面高度上的應變分布，其中負值代表跨中混凝土壓應變，正值代表跨中鋼筋和跨中TRC板內部碳纖維網格應變。混凝土開裂前，應變沿梁截面高度呈線性分布，符合平截面假定；隨著荷載增大，受拉區混凝土開裂，相應區域的混凝土退出工作，鋼筋及纖維網格應變明顯增大，工況2中的纖維網格應變增大更快，而工況3中的纖維網格應變增大速度較小，這主要是這2種工況中TRC板中纖維網格的配網率不同所致。工況2的TRC復合板材承載力低于工況3相應的板材的承載力，2種工況采用的端部錨固措施相同。工況2的錨固充足，而工況3錨固相對較弱。工況3中復合板材與梁底界面存在一定的滑移，因而這2種工況在截面高度上的應變分布規律并不相同。

(a) B1-1梁；(b) B1-2梁；(c) B3-1梁；(d) B3-2梁

2.3 承載力

試驗梁的承載力及撓度試驗結果見表4。從表4可知：采用TRC復合板材加固鋼筋混凝土梁后，梁的開裂荷載c、縱筋屈服荷載y及極限荷載u都有提高。采用含1層纖維網格的TRC板加固時，與對比梁相比，增強梁開裂荷載、屈服荷載及極限荷載的最大提高幅度分別為22%，13%和13%。試件的開裂荷載提高幅度明顯高于屈服荷載和極限荷載的提高幅度，這主要是由于摻入短切鋼纖維之后，TRC板的抗裂能力增強，加固層與原結構協同受力，分擔了部分截面彎矩，開裂荷載提高較大。由于板材中纖維網格配網率較低，板材對增強梁的屈服荷載、極限荷載提高作起的作用遠小于梁鋼筋本身的作用，因此，增強梁的屈服荷載、極限荷載提高不大。采用含3層纖維網格的TRC板加固時，與對比梁相比，增強梁開裂荷載、屈服荷載及極限荷載的最大提高幅度分別為31%，22%和33%。梁試件的極限荷載提高幅度明顯加大，增大纖維網格配網率能有效提高增強梁的極限荷載。

2.4 梁的延性

梁的延性通常采用延性系數衡量：

=u/y(1)

式中：y為縱向鋼筋屈服時梁跨中的撓度；u為最大外荷載對應梁跨中的撓度。

延性系數越大，說明結構耗散能量的能力越強，具有較強的抵抗變形能力。從表4可知：與對比梁相比，當TRC板的纖維網格配網率較大時，梁截面的抗彎能力增強，鋼筋屈服對應的荷載增大，鋼筋屈服前梁表現出較好的彈性性能，由于梁上屈服荷載增大，梁上相應的撓度也增大；此外，TRC板內的纖維束存在應力不均勻的現象，板內的纖維束越多，不均勻現象越明顯，增強梁隨著外荷載增大，TRC板中的個別纖維束首先達到極限承載力，發生斷裂，此時，外荷載達到最大值。雖然此時梁并沒有失效，對應于這個荷載的撓度就是u，但撓度小于極限撓度，從而導致該梁的延性系數降低，如梁B3-2延性系數為2.12，為對比梁的52%。當TRC板的纖維網格配網率較小時，增強梁在TRC板斷裂前達到最大外荷載，此時，梁跨中撓度較小，梁延性較差，如梁B1-1延性系數僅為對比梁的32%。

2.5 撓度、鋼筋應變、纖維網格應變、混凝土應變與荷載的關系

根據試驗結果繪制梁的荷載?跨中撓度曲線(見圖9)、荷載?混凝土應變曲線和荷載?纖維網格應變曲線(見圖10)以及荷載?鋼筋應變曲線(見圖11)。

從圖9~11可知：試件均經歷開裂和縱筋屈服階段；開裂前，荷載?跨中撓度曲線、荷載?混凝土應變曲線、荷載?纖維網格應變曲線、荷載?鋼筋應變曲線都接近于直線；開裂后至鋼筋屈服前，荷載由鋼筋和TRC板一起承擔，增強梁的剛度略有增大；所有梁試件的混凝土應變變化差別不大，此階段中和軸上升不明顯；縱向鋼筋屈服后，對比梁縱向鋼筋應變、跨中撓度急劇增大，中和軸迅速上移，混凝土壓應變急劇增大；增強梁在縱向鋼筋發生屈服之后仍能承擔一定荷載，后續增大荷載產生的彎矩由TRC板和受壓區混凝土承擔，中和軸上移緩慢。與工況2相比，在TRC板斷裂之后，梁試件跨中撓度及壓區混凝土應變快速增長，所能承受的荷載基本降低至對比梁的承載力。對于工況3，縱向鋼筋屈服后，梁試件的跨中撓度及受壓區混凝土應變緩慢增大，增強梁極限承載力由受壓區的混凝土和加固層的界面承載力控制。

表4 試驗結果

1—B0-1；2—B0-2；3—B1-1；4—B1-2；5—B3-1；6—B3-2。

1—B0-1；2—B0-2；3—B1-1；4—B1-2；5—B3-1；6—B3-2。

1—工況1，B0-1；1—工況1，B0-2；3—工況2，B1-1；4—工況2，B1-2；5—工況3，B3-1；6—工況3，B3-2。

在增強梁構件中，復合板材中的纖維網格應變直接反映了復合板材對梁承載力的加固作用。沿著復合板材縱向在纖維束上等間距對稱布置一組應變片。圖12所示為不同外荷載下板材內部碳纖維網格在不同位置上的應變分布情況。

分析圖12可知：對于工況2和3中的增強梁B1-2和B3-2，當外荷載低于對應鋼筋屈服荷載0.92u和0.87u時(u為極限荷載值)，復合板內部纖維網格應變隨荷載平穩增大；屈服荷載之后，纖維網格應變顯著增大。

(a) B1-2梁；(b) B3-2梁

2.6 裂縫發展

試驗中，對比梁首先在純彎段下側出現第1條裂縫；隨著荷載增大，純彎段相繼出現多條裂縫。在鋼筋屈服荷載后，跨中裂縫寬度不斷增大形成幾條主裂縫，隨后，跨中主裂縫寬度突然增大，并向上發展，壓區混凝土壓碎破壞，見圖13(a)。

試驗中增強梁試件首先在純彎段混凝土梁底開裂，隨后板材出現裂縫，TRC板與黏結層砂漿黏結良好，一旦開裂迅速出現若干條裂縫，裂縫分布密集并且均勻。隨著荷載增大，裂縫向上發展并不斷延伸，但發展速度較對比梁緩慢，尤其是在鋼筋屈服之后。這主要是由于板材承擔了相當一部分荷載，使得受拉區混凝土受拉變形發展緩慢。進一步增大荷載，工況2中增強梁由于纖維網格配網率低，TRC板內部碳纖維拉斷破壞；繼續加載，梁頂混凝土壓碎，見圖13(b)和圖13(c)。工況3中增強梁TRC板與黏結層砂漿間雖會出現水平裂縫，并向兩邊發展，但板材端部錨固充足，水平裂縫得到控制，跨中裂縫一直向上發展直到受壓區混凝土壓碎，見圖13(d)和圖13(e)。

(a) B0-1梁裂縫；(b) B1-1梁裂縫；(c) B1-2梁裂縫；(d) B3-1梁裂縫；(e) B3-2梁裂縫

3 正截面受彎承載力分析

3.1 基本假定

1) 根據試驗結果，增強梁沿梁截面高度上應變分布符合平截面假定，如圖14所示。

2) 混凝土開裂后不考慮受拉區混凝土的作用。

3) TRC板與黏結層砂漿、黏結層砂漿與增強梁底部黏結良好。

5) 根據文獻[5]中TRC板單軸拉伸應力應變曲線，將TRC板拉伸應力應變曲線簡化為2段，即線彈性段和強化段，如圖16所示。

(a) 梁截面示意圖；(b) 應變沿梁高分布圖；(c) 內力沿梁高分布圖h—混凝土梁截面高度；H—加固后梁截面高度；b—梁寬度；xn—中和軸高度；ψ—曲率；εc—混凝土應變；εf—板材應變；εs—鋼筋應變；C—混凝土合力；Ts—鋼筋合力；Tf —板材合力；x—等效受壓區高度；h0—截面有效高度。

圖15 混凝土應力?應變曲線

圖16 TRC板應力?應變曲線

3.2 理論分析

由混凝土受壓應力?應變曲線，混凝土的受壓合力為

式中：0為混凝土剛到應力峰值時對應的壓應變，取0.002；c為混凝土軸心抗壓強度；

由圖14可知應變沿梁截面高度方向符合平截面假定，即

由結構力學知

式中：a為梁一端剪彎區長度。截面內力平衡關系為

當破壞模式為TRC板斷裂時，對混凝土壓應力合力作用點取矩：

式中：y為受拉縱筋屈服強度；s為受拉縱筋截面積；fu為TRC板的極限抗拉強度；f為板材內部纖維網格截面積。對工況1中的對比梁，由于沒有TRC板增強，對鋼筋作用點取矩，求得其受彎承載力：

對工況3中加固梁，對板材合力作用點取矩：

式中：=1u為混凝土等效受壓區高度。此時，板材應變為

3.3 對比分析

表5 極限承載力計算值與試驗值比較

4 結論

1) TRC板增強鋼筋混凝土梁能有效地提高梁的開裂、屈服和極限荷載。隨著TRC板中纖維網格層數的增大，增強梁的抗彎承載力與對比梁的極限承載力相比提高11%~33%。

2) 增強梁的破壞模式與TRC板中纖維網格配網率有關。當配網率較低時，TRC板發生斷裂破壞；當配網率較大時，縱筋屈服后，頂部混凝土壓碎破壞。

3) 相對于對比梁，增強梁的剛度有所提高，但延性有不同程度下降。

4) 給出了增強梁正截面受彎承載力計算方法，采用該方法所得承載力計算值與試驗值較吻合。

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(編輯 陳燦華)

Flexural behavior of RC beams strengthened with TRC plates

ZHOU Fen1, 2, XU Wen1, 2, DU Yunxing1, 2

(1. Hunan Provincial Key Laboratory on Damage Diagnosis for Engineering Structures, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Textile reinforced concrete(TRC) plates enhanced with steel fiber have excellent tensile performance which can be used to strengthen the flexural performance of reinforced concrete(RC) beams. The working mechanism of RC beams strengthened with TRC plates was investigated through four-point bending tests. Two strengthening cases and one contrast case were designed according to the number of carbon fabric layers in TRC plates. Each test case contained two beams. The load?strain relationship, load?deflection relationship, flexural capacity, structural ductility, crack development and failure modes of all the beams were analyzed. The formulas to calculate the flexural capacity of strengthened beams were put forward based on the plane section assumption. The results show that TRC plates can increase the cracking, yielding and ultimate loads of strengthened beams effectively compared with the contrast beams. The largest increase of ultimate load is 33%.The ductility of beams strengthened with TRC plates has a certain decrease. The loads obtained by the proposed formula agrees with that obtained by experiments.

steel fibre; TRC plates; RC beams; carbon fabric; flexural capacity; plane section assumption

TU362

A

1672?7207(2018)01?0183?09

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.024

2017?03?20；

2017?05?15

國家自然科學基金資助項目(51108174，51378199) (Projects(51108174, 51378199) supported by the National Natural Science Foundation of China)

周芬，副教授，從事加筋土、結構加固研究；E-mail: zhoufen@hnu.edu.cn