AFRP布加固預損RC梁抗剪性能試驗研究*

邢麗麗， 孔祥清， 韓 飛， 何文昌， 劉華新

(遼寧工業大學土木建筑工程學院， 錦州 121001)

0 引言

隨著經濟建設的不斷加快，鋼筋混凝土結構被廣泛應用于各種建筑工程領域，但由于鋼筋銹蝕、使用年限臨近等問題導致結構使用功能發生改變，造成鋼筋混凝土結構無法滿足正常使用要求，故需要對結構采取加固和修復措施[1]。混凝土受彎構件的破壞模式主要分為受彎破壞和剪切破壞兩種，其中受彎破壞屬于延性破壞，試件破壞前具有明顯的征兆；而剪切破壞屬于脆性破壞，破壞前無明顯征兆且破壞較為突然，通常會造成較嚴重的后果以及經濟損失。因此，當受彎混凝土構件上發生抗剪承載力不足時，為了確保構件的正常使用，亟需對其進行抗剪加固[2]。

纖維增強復合材料(FRP)作為一種新型的復合材料，具有輕質高強、耐腐蝕性好等優點[3-6]。此外，由于外貼FRP布加固混凝土梁(RC梁)施工簡單、易操作等特點，近年來備受國內外學者的關注。國內外學者對外貼FRP布加固RC梁的抗剪性能已經進行了大量研究[7-10]。例如，董江峰等[7]對外貼玻璃纖維(GFRP)布和碳纖維(CFRP)布的RC梁進行抗剪性能加固試驗，分析了外貼FRP布加固對試驗梁的剛度、裂縫、破壞模式以及極限承載力的影響。Javed M等[8]對鋼筋混凝土深梁通過外貼CFRP布進行抗剪加固，分析了不同加固形式對梁抗剪性能的影響。趙彤等[9]對外貼CFRP布的混凝土梁進行抗剪加固試驗研究，研究結果表明，外貼CFRP布加固形式能夠明顯改善低配箍率試驗梁的抗剪性能，尤其是對于無腹筋梁的抗剪力學性能。Chaallal等[10]對外貼CFRP布加固RC梁進行抗剪試驗研究，結果表明，外貼CFRP布可明顯提高RC梁的抗剪承載能力和剛度，并且斜向加固效果比垂直加固效果更好，可更有效地抑制斜裂縫的開展。

綜上可以發現，雖然在FRP抗剪加固RC梁研究方面已取得豐富的成果，但加固材料多集中采用GFRP和CFRP，而對于AFRP加固RC梁結構的研究卻鮮有報道，AFRP作為FRP材料中的一種，除了常見FRP的優點外，還具有良好的熱穩定性和耐疲勞性。此外，已有FRP布加固RC梁的抗剪性能研究大多是基于無損梁，而實際工程中大多數抗剪承載力不足的構件均存在不同程度的損傷。因此，為了更好地解決在實際工程中出現的問題，本文制作了6根AFRP布加固預損RC梁，進行了抗剪試驗，研究了AFRP布不同加固方式和粘貼層數對預損RC梁加固效果的影響，并基于試驗結果建立了AFRP布加固預損RC梁的抗剪承載力計算公式。

1 試驗概況

1.1 材料性能

試驗中所有梁混凝土的強度等級設計為C40，混凝土的力學性能測試結果如表1所示，試驗中水泥采用的是P·O42.5級渤海牌普通硅酸鹽水泥；選用HPB300光圓直徑6mm的鋼筋作為箍筋，試驗梁的縱筋采用HRB400帶肋鋼筋，梁底部配置3根直徑為20mm的鋼筋作為縱向受拉筋，架立筋采用直徑為10mm的HRB400帶肋鋼筋，筋材的力學性能如表2所示。表3為加固AFRP布基本性能指標。采用環氧樹脂膠作為AFRP布和混凝土之間的粘結材料，其抗拉強度為45～70MPa，粘度在25℃時為20 000～40 000MPa·s，環氧值為(0.41～0.47)g/100g。

混凝土力學性能 表1

鋼筋的力學性能 表2

AFRP布基本性能指標 表3

1.2 試驗梁設計

本試驗中澆筑了6根RC梁(編號分別為L-0，L-1，L-2，L-3，L-4，L-5，其中L-0為參照梁)，試驗梁長l=1 900mm，截面尺寸b×h=250mm×150mm，凈跨l0=1 600mm，混凝土保護層厚度為25mm，剪跨比為2.87。各試驗梁配筋率相同，且選取配筋率較保守，其目的是為了確保參照梁的破壞在斜截面發生，此外，在支座處增設了箍筋以避免出現筋材錨固長度不夠的現象，試驗梁的尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 試件的尺寸及配筋

1.3 加固方案

在對試驗梁加固前，需要對試驗梁進行預損處理，各試驗梁的加載量為參照梁最大承載力的50%，對試驗梁加載完成后進行卸載，然后采用外貼AFRP布對試驗梁進行加固處理，加固完成后再對試驗梁加載直至破壞。本次試驗梁的加固采用三種形式：分別為U形條帶+壓條、斜向U形條帶+壓條及交叉U形條帶+壓條，具體加固形式如圖2所示。為了研究AFRP布粘貼層數對試驗梁加固效果的影響，在混凝土梁的剪彎區粘貼不同層數的AFRP布，試驗梁的具體設計參數如表4所示。

試驗梁的設計參數 表4

圖2 AFRP布加固形式及測點分布示意圖

1.4 試驗加載制度及測量內容

本試驗所采用的設備是5 000kN機控制電液伺服壓剪試驗機，試驗梁兩端簡支，加載方式采用四點加載，兩側支座到鄰近加載點的水平長度為600mm，在跨中布置跨度為400mm的分配梁以實現兩點對稱加載，加載示意圖如圖3所示。

圖3 試驗梁鋼筋測點分布及加載裝置示意圖

采集荷載和應變的系統由兩臺計算機分別控制，如圖4所示，保持它們同時進行，以便后期數據處理。對預損程度為50%的試驗梁預加載至75kN，卸載后進行加固，受損后待加固梁如圖5所示。在加載過程中，采用記號筆對試驗梁開裂趨勢進行標記，以便于觀察裂縫的發展趨勢，同時記錄不同荷載作用下裂縫的發展高度情況。

圖4 加載裝置、采集系統圖

圖5 受損后倒置待加固梁圖

本次試驗所測量的內容主要有裂縫的分布狀態、位移以及應變的情況，其中對剪彎區箍筋、AFRP布應變進行了重點測量，跨中縱向受力筋的應變主要作為輔助測量數據。試驗梁應變所需測點分布分別如圖2和圖3所示，試驗梁位移的測點主要布置在跨中、支座和加載點位置；而裂縫的寬度采用型號為DJCK-2裂縫測寬儀進行測量，主要記錄在試驗梁開裂時、斜截面開裂時以及裂縫達到最大時的裂縫寬度，同時觀察裂縫在加固梁的分布情況。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及破壞模式

各試驗梁在加載初期發展情況類似，均在純彎段首先出現裂紋，且裂縫發展高度相近；隨著荷載的繼續增加，試驗梁在斜截面出現主斜裂縫。參照梁的斜截面僅有一條腹剪斜裂縫貫穿到梁頂，隨著裂縫繼續發展，在彎剪段偏向加載點位置處裂縫逐漸成為主斜裂縫；然而，各加固梁在斜截面處出現多條可貫穿到梁頂的腹剪斜裂縫，此外，主斜裂縫的位置基本在彎剪段的中間。對比于參照梁，加固梁在靠近支座的裂紋條數相對較少。加固梁L-3在主斜裂縫出現后，在繼續加載過程中，主斜裂縫的寬度變化較小，同時純彎段裂縫繼續向上延伸，最終純彎段混凝土被壓壞而發生彎曲破壞，其余各試驗梁均在斜截面處發生剪切破壞。

各試驗梁及AFRP布的最終破壞形態見圖6。從圖中可以看出，各加固梁的AFRP布均出現了不同程度的剝離現象。加固梁L-1和L-2在AFRP條帶與斜裂縫交匯處出現明顯剝離現象，并且加固梁L-2最終破壞時AFRP條帶與壓條出現大面積的剝離；可見在受力過程中，AFRP條帶與壓條之間具有較好的整體性，若提高加固梁L-2 AFRP條帶末端的錨固性能，可更充分地發揮AFRP布的抗拉性能，進而可更顯著地提高試驗梁的加固效果。而加固梁L-3，L-4及L-5在AFRP條帶與斜裂縫交匯處未出現明顯剝離，且加固梁L-3在AFRP壓條末端也未出現明顯的剝離現象，而加固梁L-4和L-5在壓條穿過主斜裂縫處發生部分拉斷。

圖6 試驗梁的裂紋分布及破壞模式圖

另外，在加載過程中發現，當荷載加載至100kN左右時，試驗梁的AFRP布與混凝土之間會產生“噼啪”的聲音，試驗梁在發生破壞前，加固梁具有相對明顯的征兆，改善了試驗梁在發生受剪破壞時的突然性，具有一定的安全性，與目前任海東等[11]的研究結果類似。

2.2 試驗特征荷載

AFRP布加固混凝土梁的特征荷載值如表5所示。由表可以看出，經過外貼AFRP布加固處理的試驗梁，受損梁的抗剪承載力均有不同程度上的提高。對預損試驗梁進行加固后發現開裂荷載與參照梁相差不大，而梁斜截面開裂荷載相比于參照梁要滯后，這是因為斜截面出現裂縫前在抗剪性能方面AFRP布的作用較小，因此，加固梁斜裂縫出現時開裂荷載相差較小，而隨著荷載繼續增加，AFRP布在斜截面裂縫的發展中發揮作用。此外，對加固梁L-1，L-2及L-3的特征荷載進行對比分析發現，在加固條件相同的情況下，AFRP布粘貼層數為1層、2層、3層的加固梁極限抗剪承載力分別為176.8，199.1，208.3kN，與參照梁相比分別提高了13.1%，27.3%，33.2%。這表明加固AFRP布粘貼層數越多，加固效果越好，但加固效果并不是隨著AFRP布粘貼層數的增加呈線性增長。這是因為加固AFRP布粘貼層數為3層時，加固梁L-3破壞模式由剪切破壞轉變為彎曲破壞，在此情況下再繼續增加AFRP布的粘貼層數并不會提高梁的抗剪承載力，這與孫海霞等[12]的研究結果類似。另外，通過對比不同加固形式的梁L-1，L-4及L-5的特征荷載發現，采用U形+壓條加固形式的梁L-1極限抗剪承載力為176.8kN，與參照梁相比提高13.1%；斜向U形條帶+壓條加固形式的梁L-4粘貼的條帶方向與支座到加載點連線方向垂直，可有效地抑制裂縫的發展，其極限抗剪承載力為185.1kN，與參照梁相比提高18.4%；梁L-5采用交叉U形條帶+壓條的加固形式進行加固后，極限抗剪承載力為190.9kN，與參照梁相比提高22.1%。由此可知，交叉U形條帶+壓條加固形式的加固效果最好，U形條帶+壓條加固形式的加固效果最差，斜向U形條帶+壓條形式加固形式的加固效果介于兩者之間。

試驗梁特征荷載及其破壞模式 表5

2.3 梁荷載-撓度曲線

外貼AFRP布抗剪加固受損混凝土梁的荷載-跨中撓度曲線如圖7所示。由圖可以看出，加載前期，試驗梁斜截面開裂前，各試驗梁的撓度曲線變化趨勢基本相似；隨著荷載繼續增加，試驗梁斜截面開裂，各試驗梁的撓度發展趨勢呈不同發展規律；相比于參照梁，加固梁的跨中撓度均有所減小，這表明通過AFRP布加固的試驗梁，其抵抗變形的能力均得到了不同程度的提升。對比不同粘貼層數的AFRP加固梁L-1，L-2及L-3可以看出，隨著AFRP粘貼層數增多，同一荷載下梁撓度逐漸減小。但值得說明的是AFRP粘貼層數為3層的梁L-3相較于加固層數為2層的梁L-2，撓度相差不大，僅稍有減小，這主要是因為AFRP粘貼層數達3層時，加固梁的破壞模式由剪切破壞轉變為彎曲破壞。另外，通過對比不同加固形式的梁L-1，L-4及L-5發現，采用不同加固形式的試驗梁產生不同撓度，采用斜向U形條帶+壓條加固形式的梁撓度小于交叉U形條帶+壓條加固形式的梁，但要大于U形條帶+壓條加固形式的梁。

圖7 試驗梁荷載-跨中撓度曲線

2.4 AFRP布荷載-應變曲線

外貼AFRP布抗剪加固受損混凝土梁的荷載-應變曲線如圖8所示，應變取值為距離主斜裂縫較近的最大應變值。由圖8可以看出，外貼AFRP布抗剪加固受損混凝土梁的AFRP布荷載-應變曲線由兩個階段組成：曲線轉折點處為斜截面出現主斜裂縫，試驗梁斜截面開裂前，AFRP布的應變基本無明顯變化；斜截面開裂后，隨著荷載繼續增加，AFRP布的應變顯著增加，這與目前Mosallam等[13]的研究結果相吻合。通過分析不同AFRP布粘貼層數的梁L-1，L-2和L-3發現，粘貼3層AFRP布的梁L-3和粘貼2層AFRP布的梁L-2的AFRP布應變均小于粘貼1層AFRP布的梁L-1，并且加固梁L-2的AFRP布的應變值介于梁L-1和L-3之間，但兩者應變值之間相差不大，這說明，雖然隨著AFRP布粘貼層數增加，AFRP布的應變有所減小，但改變AFRP布粘貼層數對AFRP布應變的影響較小。另外，比較不同加固形式的梁L-1，L-4和L-5試驗結果發現，采用斜向U形條帶+壓條加固形式的梁L-4和采用交叉U形條帶+壓條加固形式的梁L-5的AFRP布應變明顯大于采用U形條帶+壓條加固形式的梁L-1，并且可以看出加固梁L-5的AFRP布應變小于梁L-4，且梁L-5的極限承載力提高程度大于梁L-4，這主要由于交叉U形條帶+壓條加固形式的U形條帶之間相互搭接，提高了AFRP布的整體加固效果。

圖8 AFRP布荷載-應變曲線

2.5 箍筋荷載-應變曲線

外貼AFRP布抗剪加固受損混凝土梁的箍筋荷載-應變曲線如圖9所示，其箍筋應變取值點為圖3中的測點2。箍筋荷載-應變曲線與AFRP布荷載-應變曲線變化規律相似：加載初期，箍筋應變呈線性變化，且應變較小；隨著荷載增加，梁斜截面開裂，曲線斜率明顯減小，不同加固形式的箍筋應變大小呈不同的變化。對比試驗梁L-1，L-2和L-3可以看出，當AFRP布粘貼層數由1層增加為2層和3層時，箍筋的應變由3 102με減小為2 923με和2 691με。由此可以得出，隨著AFRP布粘貼層數的增加，箍筋應變呈減小趨勢。另外對比試驗梁L-1，L-4和L-5可以發現，斜向U形條帶+壓條加固形式梁L-4和交叉U形條帶+壓條加固形式梁L-5的應變明顯大于U形條帶+壓條加固形式梁L-1，相比于斜向U形條帶+壓條加固形式梁L-4，交叉U形條帶+壓條加固形式梁L-5的極限抗剪承載力的提高程度相對較大，而梁L-5的箍筋應變相對較小，由此可見，交叉U形條帶+壓條的加固形式可更顯著地抑制梁L-5箍筋應變的增大。

圖9 箍筋荷載-應變曲線

3 承載力計算

目前，國內外學者[5，12-14]普遍認為FRP抗剪加固混凝土梁試驗中，FRP所起到的作用以及機理與試驗梁內箍筋相似，試驗梁采用FRP加固后，極限抗剪承載能力由FRP、混凝土與箍筋三者共同承擔，即FRP加固RC梁的抗剪承載力計算公式為：

V=Vcs+Vf=Vc+Vs+Vf

(1)

式中：V為加固梁的極限抗剪承載力；Vc為混凝土的抗剪承載力；Vs為箍筋的抗剪承載力；Vf為FRP布的抗剪承載力設計值，其折減計算公式如下式所示[15]：

(2)

Af=2nfωftf

(3)

式中：αf為FRP布受剪折減系數；ff,y為FRP布抗拉強度設計值；Af為同一截面的纖維條帶的全部截面積；nf為FRP布粘貼層數；tf為單層FRP布的厚度；ωf為FRP條帶的寬度；Sf為FRP條帶間距；h0為橫截面的有效高度；θ為AFRP布與梁縱軸線的夾角。

上述的試驗結果表明，外貼AFRP布粘貼層數和試驗梁的預損程度對抗剪承載力計算結果影響較大。目前，現有規范并未考慮AFRP布粘貼層數和試驗梁的預損程度等因素影響，因此，本文對AFRP加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力計算公式進行修正，提出相應的修正系數K來替代折減系數αf，如下式所示：

K=k1k2

(4)

式中k1，k2分別為預損程度對抗剪承載力的影響系數和粘貼層數對AFRP布強度的影響系數。

根據試驗結果對k1和k2進行數據擬合，擬合公式如下式所示：

k1=1-0.77φ(0

(5)

(6)

式中：φ為預損荷載與參照梁極限抗剪力的比值；n為AFRP布粘貼層數。

由式(2)～(6)推導出AFRP布的抗剪承載力的計算公式：

(7)

由式(7)計算加固梁的極限抗剪承載力，并將理論公式計算的結果與試驗得到的結果相比較，如表6所示。從表中可以看出，修正后的AFRP布加固受損RC梁的極限抗剪承載力的計算結果與試驗結果吻合較好，且大多偏于保守，可滿足實際工程的要求。

試驗梁極限抗剪承載力計算值與試驗值對比 表6

4 結論

本文通過對6根AFRP布加固預損RC梁進行抗剪性能試驗，得到如下結論：

(1) 通過外貼AFRP布加固受損RC梁，可有效地抑制試驗梁裂縫的發展，梁剛度有所增強，梁的抗剪承載力明顯提高。

(2) 隨著AFRP布粘貼層數增加，試驗梁的抗剪承載力顯著增加，進而抗剪加固效果越好。但加固效果并不是隨著AFRP布粘貼層數的增加呈線性增長。當AFRP布粘貼層數達到3層時，梁的破壞模式由剪切破壞轉為彎曲破壞，在此情況下再繼續增加AFRP布的粘貼層數并不會提高梁的抗剪承載力。

(3) 通過改變加固形式可不同程度地提高梁抗剪承載力。交叉U形條帶+壓條加固形式的加固效果最好，U形條帶+壓條加固形式的加固效果最差，斜向U形條帶+壓條形式加固的加固效果介于兩者之間。

(4) 未進行加固的混凝土梁發生剪切破壞屬于脆性破壞，破壞時無明顯征兆，這種破壞應避免在實際工程中發生。然而，對試驗梁進行采用AFRP布加固處理后，在試驗梁達到極限抗剪承載力前有明顯的破壞征兆，且破壞前試驗梁會出現“噼啪”的聲音，有效地改善了梁發生脆性破壞所帶來的危害。

(5) 考慮預損程度和AFRP布粘貼層數對AFRP布加固RC梁抗剪承載力影響，提出相應的修正系數來替代FRP布折減系數，在此基礎上建立了計算公式，計算了外貼AFRP布加固預損 RC梁的抗剪承載力，發現通過理論計算公式得到的結果與試驗得到的結果吻合較好。