梯度錨固預應力 NSM CFRP 加固 RC 梁靜力及疲勞性能研究

龔爽 彭暉 粟淼 張建仁 鐘卿瑜

摘要：針對表層嵌貼預應力 CFRP加固梁因黏結端部應力集中導致混凝土保護層易剝離破壞的問題，提出了在 CFRP 端部設置梯度預應力的構造措施，并通過構件試驗系統研究了梯度錨固預應力 CFRP加固梁的靜載和疲勞性能.試驗結果表明：在靜力荷載作用下，梯度錨固預應力 CFRP加固梁極限荷載較普通表層嵌貼預應力 CFRP加固梁最大提高35.06%，破壞模式由端部保護層剝離破壞轉變為保護層剝離與 CFRP 斷裂復合破壞，梯度錨固預應力 CFRP加固顯著提高了 RC 梁的靜載性能，且有明顯的黏結應力峰值傳遞現象;疲勞荷載下梯度錨固預應力加固梁的疲勞壽命也較普通嵌貼加固梁顯著提高，且疲勞破壞模式由端部保護層剝離轉變為縱向受拉鋼筋疲勞斷裂;梯度錨固預應力構造顯著增強了加固梁抵抗剝離破壞發生的能力，提高了加固梁疲勞性能.

關鍵詞：表層嵌貼;CFRP;梯度錨固;靜力性能;疲勞性能

中圖分類號：U447? 文獻標志碼：A

Study on Monotonic and Fatigue Behavior of RC Beams Strengthened with Gradually Anchored Prestressed NSM CFRP

GONG Shuang1，PENG Hui1，2?，SU Miao1，ZHANG Jianren1，2，ZHONG Qingyu1

（1. School of Civil Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114，China;

2. Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Department of Education（Changsha Universityof Science & Technology），Changsha 410114，China）

Abstract：The existing studies show that reinforced concrete beams strengthened with prestressed near-surface mounted （NSM） CFRP are easy to fail by concrete cover separation due to the stress concentration at the bonded end of CFRP. In this paper， the construction details of applying gradient prestress at the end of CFRP were proposed， and a series of experiments were carried out to study the load-carrying behavior of the strengthened beams under static and fatigue loads. The test results show that under static load， the ultimate load of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was increased up to 35.06%， compared with the beam strengthened with prestressed NSM CFRP. And the failure mode was changed from the concrete cover separation at bonded end into the combined failure of the concrete cover and CFRP fracture. These indicate that the strengthen method with gradually anchored prestressed NSM CFRP can significantly improve the monotonic behavior of beams， and there is an obvious bond stress peak transfer phenomenon. In addition， the fatigue life of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was significantly increased， and the fatigue failure mode is changed from the concrete cover separation to the fatigue fracture of longitudinal steel bars . The details of applying gradient prestress enhances the ability of strengthened beams to resist the failure of end concrete cover， and thus improves the fatigue performance.

Key words：near-surface-mounted（NSM ）;CFRP;gradually anchored;static behavior;fatigue behavior

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer， FRP ）具備輕質、高強、耐腐蝕和耐疲勞性好等優異性能，已被廣泛應用于橋梁和建筑等工程結構的加固及新建工程中，其中碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP ）強度較高，在混凝土結構加固中應用最為廣泛[1-2].為提高 FRP 材料強度利用率，Triantafillou 等[3]對 FRP 材料施加預應力，并提出了在保證預應力體系不發生錨固破壞條件下最大預應力水平的分析模型;葉列平等[4]研發了 CFRP 布預應力張拉設備，進行了預應力 CFRP 布外貼加固受彎梁的試驗研究，證實了對 CFRP 布施加預應力能有效提高加固梁的承載力，減小梁的撓度和裂縫寬度.為改善外貼預應力 FRP 加固易發生 FRP 剝離的不足并省去 FRP 永久錨具，國內外學者將預應力 FRP 加固技術與表層嵌貼（ Near? Surface Mounted，NSM ）技術[5-6]相結合，對 FRP 先施加預應力，再嵌入到被加固結構的混凝土保護層內預先開好的槽中，并填入環氧樹脂將 FRP 黏結于混凝土上.嵌貼方式顯著擴大了 FRP 與混凝土的黏結面積從而提高了兩者之間的黏結能力，從而單靠嵌貼 FRP-混凝土之間的黏結能力即可實現對預應力 FRP 的錨固，無需設置較昂貴的 CFRP 專門錨具，降低了加固成本.已有的試驗研究表明[7-9]：表層嵌貼預應力 FRP 加固顯著提高了受彎構件的承載性能，有效抑制了外貼預應力 FRP 加固中經常出現的近跨中剝離，在技術效果和經濟性方面具有獨特優勢，有望在中小跨度的混凝土結構中得到廣泛應用.

但另一方面，外貼和表層嵌貼 FRP 加固混凝土梁都容易出現黏結端部混凝土保護層剝離現象，這是因為 FRP 端部位置截面存在剛度突變，荷載作用下會產生較大應力集中.滕錦光等[10-11]提出了適用于 NSM FRP 加固梁保護層剝離破壞的強度模型，并驗證了其良好的預測性能;Rezazadeh 等[12]針對端部保護層剝離破壞，假設了預應力 FRP 端部斷面形狀，并提出用抵抗黏結長度來衡量抵抗剝離破壞的能力.嵌貼 FRP 被施加預應力后端部混凝土保護層剝離破壞現象更易出現[13-14]，并可能導致加固梁過早破壞.預應力由嵌貼 FRP 向混凝土傳遞時會在其黏結端部出現應力集中，加上荷載在此處引起的黏結應力，嵌貼 FRP 端部截面的混凝土保護層更容易發生剝離.為延緩或避免預應力 CFRP 加固梁發生端部混凝土保護層剝離破壞，Motavalli等[15-16]提出了“梯度預應力”概念，通過分級放張的方式人為增加預應力傳遞長度，減小傳遞長度內的應力集中;研制了用于外貼預應力 CFRP 板加固實現梯度預應力的樹脂快速固化設備和放張設備，但由于設備較昂貴且使用復雜，該技術并未得到廣泛應用.嵌貼 CFRP 的構造及工藝使得在 CFRP-混凝土間二次或多次填充樹脂簡單方便，運用本課題組研發的碳纖維錨具、溫控養護設備和加固流程，并結合已有實橋加固經驗，將梯度預應力與表層嵌貼加固技術相結合，有利于發揮兩者的各自優勢，在實際工程中有一定的可行性和應用前景.因此，本文通過靜載試驗研究了梯度預應力設置方式對加固梁靜力性能的影響，通過疲勞試驗研究了梯度預應力和疲勞上限荷載對加固梁疲勞性能的影響.

1研究方案

1.1梯度錨固預應力構造

梯度錨固預應力是指通過分段放張預應力的方式使梁兩端 CFRP 預應力在一定長度區段內呈梯度減小.較一般預應力加固不同，梯度錨固將放張端部的預應力（?σ）拆分為數段，使端部 CFRP 預應力與撓度和彎矩呈相似的變化趨勢，減小端部預應力差及對混凝土保護層的拉應力，并設置無預應力黏結段（0 MPa）以提供黏結錨具的作用，提高加固梁的變形協調性和受力性能，如圖1所示.

梯度錨固預應力的施工工藝分為以下步驟：

1）在加固區預制或開設凹槽并清理凹槽;

2）嵌入 CFRP板條，張拉預應力并在跨中段填入黏結劑，室溫下養護5～7 d;

3）該段養護完成后，將預應力放張至設計梯度，填入黏結劑并養護;

4）重復步驟3）至完成所有梯度設置.

施工過程中，CFRP預應力以張拉端力傳感器的力控為主，CFRP 的應變控制為輔，施工過程中未發現明顯的預應力損失.

試驗中施加梯度錨固預應力的裝置如圖2所示.以梯度錨固預應力梁 PS-LⅢ為例，具體步驟為：1）將開槽后的試驗梁放置于臺座內;2）嵌入 CFRP板條，使用千斤頂張拉1000 MPa預應力，在跨中2300 mm 長度內填入黏結劑后室溫養護;3）1000 MPa 段養護完成，降低預應力至500 MPa，在1000 MPa兩端各150 mm 區段填入黏結劑并養護;4）500 MPa段養護完成，降低預應力至0 MPa，在500 MPa 兩端各150 mm 區段填入黏結劑并養護;5）養護后，梯度錨固預應力完成.

1.2試件設計

本文共設計了10片表層嵌貼預應力 CFRP加固梁，其中4片試驗梁用于研究不同端部梯度預應力設置對加固梁靜力性能的影響;6片試驗梁用于研究梯度錨固預應力對加固梁疲勞性能的影響.以梁 PS-L0的靜力極限承載力作為疲勞加載依據，設置疲勞加載試件的荷載上限分別為梁 PS-L0極限荷載的50%、60%和70%，疲勞下限為荷載上限的20%.具體試件設計如表1所示，試件編號中 P代表預應力加固，S 為靜載梁，F 為疲勞梁，后接數字代表疲勞荷載上限與梁 PS-L0極限荷載的比值;I 表示預應力為500 MPa 的黏結段，Ⅱ表示預應力為0 MPa 的黏結段，Ⅲ表示預應力為500 MPa 與0 MPa 的組合段，U 表示設置 U 型箍，上述端部處置方式的長度均為300 mm，其中Ⅲ為500 MPa 與0 MPa 各150 mm 的組合.U 型箍由3道寬度100 mm 單層外貼 CFRP 布組成.

梁全長3500 mm，凈跨徑3300 mm，截面尺寸160 mm×350 mm;混凝土強度等級為C40，采用一批次澆筑，在標準養護條件下養護28 d;配置216受拉鋼筋，縱筋配筋率0.72%，箍筋通長布置8@100;梁底預設兩條中心距65 mm、尺寸15 mm×20 mm 的通長凹槽，槽內嵌貼2條預應力 CFRP 板條. CFRP 采用Dextra公司生產的 ASTEC CT124-2型矩形截面板條，截面尺寸2 mm×16 mm.已有研究表明，CFRP 預應力水平宜取其拉伸強度的40%～50%，這樣既充分發揮其材料性能又保有足夠剩余變形能力以保證加固結構延性，因此本文試驗取 CFRP 預應力為1000 MPa （約40%拉伸強度）.黏結劑采用 Sikadur-30CN 環氧樹脂，雙組份按3∶1（質量比）比例混合，黏結劑拌合填充后在室溫下養護.各材料的力學性能如表2所示.

1.3試驗加載方案及量測內容

試驗采用四點彎曲加載，如圖3所示，純彎段長度為1000 mm，剪彎段長度為1150 mm.靜載試驗采用5 kN為級差的加載制度分級加載，每級荷載下測定撓度與應變數值.疲勞試驗時先靜力加載至疲勞上限荷載，記錄數據后卸載至0，再按正弦進行疲勞加載，加載頻率為3 Hz;在疲勞循環次數分別達到1、5、10、25及以后每25萬次時停機，靜載至疲勞上限并記錄相應的撓度與應變變化.卸載后繼續疲勞加載，圖4為一個疲勞加載周期的示意圖.

測試內容包括：特征荷載、撓度、裂縫發展趨勢、混凝土壓應變、受拉鋼筋和 CFRP 應變.在梁跨中、加載點、梯度段起點及支座處安裝百分表測量梁撓度值，在梁跨中截面的受拉鋼筋、混凝土表面粘貼電阻應變片以量測應變.其中，CFRP 應變片主要布置于梯度預應力段，純彎段與彎剪段布置較稀，每根 CFRP 板條沿長度方向約布置14個應變片，加載前將所有應變數據平衡清零，人工測繪裂縫.

2加固梁靜力性能試驗

2.1 加固RC 梁受力行為

如前所述，端部保護層剝離破壞是表層嵌貼預應力 CFRP 加固受彎構件的主要破壞形態之一，包括過大的黏結剪應力和剝離正應力導致的端部混凝土保護層剝離破壞、CFRP-膠層界面破壞、膠層-混凝土界面破壞等[17].加固 RC 梁的屈服荷載和極限荷載測試結果如表3所示，不同端部梯度錨固設置改變了加固梁的受力性能，4片梁的破壞模式有一定區別，但均為混凝土保護層剝離破壞，如圖5所示.

由于預應力的存在和截面剛度突變，CFRP 黏結長度為2900 mm 的梁 PS-L0在 CFRP 端部出現斜裂縫后，在此裂縫的基礎上產生了大量裂縫分支，荷載引起的黏結應力與預應力傳遞引起的黏結應力都集中在 CFRP 端部，加載至154 kN時在此處發生槽底

混凝土剝離破壞，如圖5（a）所示，破壞時極限撓度為15.96 mm，此時梁內受拉縱筋尚未屈服;梁 PS-LI 的 CFRP 總黏結長度同樣為2900 mm，但在兩端分別設置了300 mm 長的 I 級（500 MPa）梯度段，CFRP 端部彎剪裂縫集中的現象有所改善，在幾乎相同的荷載（152 kN）下發生混凝土保護層剝離破壞，如圖5（b）所示，破壞時極限撓度與梁 PS-L0相當，僅為17.61 mm，這表明兩端的Ⅰ級梯度段對分散梁端剪切應力的效果有限;梁 PS-LⅡ的 CFRP 總黏結長度也為2900 mm，但兩端設置了各300 mm 長的Ⅱ級（0 MPa）梯度段，雖然也發生混凝土保護層剝離破壞（圖5（c）），但極限荷載顯著提高至198 kN，極限撓度達到了34.41 mm，這是由于兩端設置的無預應力黏結段分散了 CFRP端部的黏結應力，預應力傳遞引起的黏結應力集中于放張端部，而荷載引起的黏結應力集中于無預應力段黏結端部，因而減小了 CFRP端部的應力集中，提高了端部混凝土保護層的剝離荷載;梁 PS-LⅢ則在兩端同時設置Ⅰ級和Ⅱ級梯度段各150 mm，該試件破壞模式轉變為端部保護層混凝土和CFRP板條混合破壞，極限荷載提高至208 kN，極限撓度增加至37.74 mm，這表明梯度錨固預應力的設置更有效地減小了端部區域的黏結應力集中，使得與其它加固梁相比，梁 PS-LⅢ彎剪段裂縫間距最小，CFRP黏結端部開裂最晚，破壞時由于 CFRP板條回縮瞬間釋放極大的拉應力，導致較大長度內混凝土保護層與膠層剝落，CFRP 板條部分裸露或斷裂，如圖5（d）所示.

2.2梯度段 CFRP應變分布

圖6為荷載作用下 CFRP 應變沿黏結端部的分布曲線，由于部分應變片正好處在裂縫位置，其兩側受力方向不同，因此應變數值出現波動，如圖6（b）中450 mm 和6（c）中250 mm位置.由圖6（a）可看出，荷載超過90 kN后梁 PS-L0黏結端部 CFRP應變逐漸呈現負增長，至130 kN時端部200 mm 區域內 CFRP應變均為負值，這應是因為 CFRP 端部發生黏結剝離或混凝土保護層開裂，混凝土對預應力 CFRP 的錨固被削弱，端部 CFRP 發生回縮導致預應力損失;梁 PS-LI300在端部設置了 I 級梯度段（500 MPa）以減小應變差，可看到未出現如梁 PL-L0的 CFRP端部應變負增長區域，表明將端部 CFRP初始應力減小一半后，一定程度減小了 CFRP 端部位置的黏結應力集中，未出現因混凝土開裂和黏結界面剝離導致的明顯 CFRP 預應力損失（圖6（b））;但梁發生保護層剝離破壞的極限荷載無明顯提高，表明設置 I級梯度段未能顯著改善 CFRP端部的應力集中.

梁 PS-LⅡ在端部設置了Ⅱ級梯度段（0 MPa），類似于用黏結劑設置了一段錨具，保護層剝離破壞對應的極限荷載較 PS-L0增加了28.57%，CFRP利用率提高7.13%，但端部區段 CFRP應變幾乎為0（圖6（c）），CFRP 端部開裂荷載與 PS-L0相近;梁 PS-LⅢ在端部將Ⅰ、Ⅱ級梯度段結合（圖6（d）），極限荷載增加了35.06%，極限撓度增加了136.47%，跨中部 CFRP利用率提高了10.87%，應變沿 CFRP從跨中以穩定變化率向端部近似線性遞減，CFRP端部開裂荷載較 PS-L0明顯增大，極大地改善了端部區段的嵌貼 CFRP-混凝土體系的受力性能.

2.3界面黏結應力

CFRP 與膠層及槽底混凝土間的黏結應力過高是引起端部保護層剝離的主要因素，破壞過程中黏結應力的分布變化是研究剝離發展和發生的關鍵，針對這一破壞模式，在梯度段CFRP上密集粘貼應變片以監測不同位置 CFRP 的應變變化，并用式（1）計算與混凝土間的黏結應力：

式中：τk 為第 k 號和 k+1號應變片中間位置的黏結應力（k =1，2，…，n-1）;εk 和εk +1分別為第 k 號與 k+1號應變片的應變值;ECF 和tCF分別為 CFRP 的彈性模量和厚度;lk為第 k 號和 k+1號應變片的間距.

計算不同端部預應力錨固方式引起的黏結應力，根據實測預應力控制數據，得到預應力引起的 CFRP 與混凝土間的黏結應力分布曲線如圖7所示.梁 PS-L0與 PS-LⅡ的預應力變化值均為1000 MPa，因此兩者黏結應力相當，僅位置不同;梁 PS-LI 和 PS-LⅢ的預應力變化值均為500 MPa，但梁 PS-LI 的預應力變化更集中在 CFRP黏結端部，預應力傳遞長度較梁 PS-LⅢ短，因此黏結應力峰值更高.加載過程中，CFRP板條預應力隨荷載和撓度的增加而逐漸抵消（消壓），由于傳遞至 CFRP 端部的應力較小， CFRP 端部的黏結應力難以抵消.加載后期，一條條裂縫將加固梁受拉區保護層切割成一個個由 CFRP連接的混凝土齒，在未抵消的預應力和荷載引起的黏結應力共同作用下，CFRP端部成為發生保護層剝離破壞的薄弱界面.結合表3中破壞荷載可知，黏結應力峰值越大，位置越接近 CFRP 端部，越容易發生保護層剝離破壞.

計算不同荷載作用下的黏結應力，通過樣條函數插值得到 CFRP 與混凝土間的黏結應力分布曲線. CFRP 與混凝土間黏結應力，主要由沿縱向梁截面抵抗彎矩變化形成的剪切黏結應力和混凝土回縮引起的開裂黏結應力組成[18].其中，彎剪段的剪切黏結應力恒為正，開裂黏結應力在裂縫兩側大小與分布近似相同，方向相反.

如圖8所示，梁 PS-L0在150 kN時，距加載點600 mm位置彎剪裂縫處黏結應力迅速增大，端部過大的預應力使得槽底混凝土同 CFRP 一起被拉拽下來，梁迅速破壞，無明顯破壞征兆.梁 PS-LⅢ加載至160 kN時其梯度段內（距黏結端部300 mm 位置）出現與受拉鋼筋平行的水平裂縫，并逐步向支座方向發展，與圖8（b）中應力峰值的發展趨勢相同，當應力峰值傳遞至 CFRP黏結端部附近時，梁到達剝離臨界狀態.荷載作用下梯度錨固預應力梁的 CFRP 應變在端部區域變化規律大致相同，受力傳遞較為均勻，CFRP 與混凝土間的黏結應力自加載點逐漸往支座方向發展，當應力峰值達到黏結強度時，發生局部剝離，并使應力峰往支座方向傳遞，直至整體剝離發生，破壞征兆明顯.

3加固梁疲勞性能試驗

值得注意的是，抗彎試驗中觀察到的剝離行為與在黏結試驗中觀察到的剝離現象[19-22]有很大不同，因為梁的破壞主要與保護層的開裂和彎曲變形有關，不能簡單看做沿 CFRP-膠層界面的拉拔破壞[23-25].黏結應力峰值4 MPa 時就已到達剝離臨界狀態，與黏結試驗中最大黏結應力12 MPa 有明顯差距，這是因為梁的撓度、裂縫發展等現象在黏結試驗中都沒有體現.由于裂縫的存在，CFRP 黏結應力分布由整個試驗段分割成相鄰兩條裂縫之間的小段，黏結應力曲線也出現了應力峰.

3.1加固梁疲勞壽命及破壞模式

在靜力試驗研究基礎上進行了6片梁的疲勞試驗，各試件編號、參數設置及主要試驗結果如表4所示.其中，通過梁 PF0.5-L0、PF0.6-L0與 PF0.5-LⅢ、 PF0.6-LⅢ的對比考察普通嵌貼預應力加固與梯度嵌貼預應力加固的疲勞性能差異;通過梁 PF0.6-LⅢ與梁 PF0.7-LⅢ研究梯度預應力加固梁疲勞壽命隨上限荷載的變化規律;通過 PF0.6-LU對比 U 型箍與梯度錨固兩種方式的抗疲勞性能.

疲勞上限荷載為50%的梁都在疲勞加載中未破壞，疲勞結束后再靜力加載至破壞.靜載試驗中梁 PF0.5-L0在154 kN時發生端部槽底混凝土剝離破壞，如圖9（a）所示.梁 PF0.5-LⅢ發生端部保護層混凝土剝離破壞，如圖9（b）所示，破壞時 CFRP 回縮，導致被彎剪裂縫切分成塊狀的混凝土伴隨著膠層和 CFRP 表層一起剝落，裸露出 CFRP 板條.加固梁極限荷載上升至200 kN，較 PF0.5-L0增大29.87%，極限撓度較之增長108.73%，混凝土保護層縱向剝離長度大幅增加.疲勞上限為60%的梁均在疲勞加載過程中發生破壞，但破壞模式因端部構造變化而發生明顯轉變：梁 PF0.6-L0在疲勞壽命約10萬次時于 CFRP 黏結端部出現裂縫并迅速發展，繼續疲勞約4萬次后發生如圖9（b）所示的端部保護層剝離破壞;端部設置了 U形箍的梁 PF0.6-LU疲勞壽命提高約1倍至25萬次，且破壞模式由端部保護層剝離轉變為跨中鋼筋疲勞斷裂，這表明采用合理措施對端部區段進行處置，能夠避免 CFRP 黏結端部疲勞失效破壞.與端部設 U 型箍的加固試件類似，采用梯度錨固預應力的梁 PF0.6-L Ⅲ疲勞加載至50萬次時在 CFRP 黏結端部出現彎剪裂縫，繼續加載48萬次后破壞，破壞模式同樣由端部保護層剝離轉變為跨中鋼筋疲勞斷裂而發生正截面強度破壞（圖9（c）），表明疲勞加載條件下加固梁端部的梯度錨固段起到了與碳纖維布 U形箍相類的、較顯著的錨固作用.當疲勞上限荷載增大到70%時，梯度錨固預應力梁 PF0.7-LⅢ的疲勞壽命為23萬次，高于承受60%上限荷載的梁 PF0.6-L0，破壞模式同樣為跨中縱向鋼筋疲勞斷裂，如圖9（d）所示.上述試驗結果表明設置梯度錨固段后，與靜載試驗結果類似，梯度錨固預應力梁在疲勞試驗中展現了較好的疲勞性能，彎剪段裂縫間距減小、破壞撓度增加，疲勞壽命均大幅提升.最重要的是，黏結端部不再是嵌貼 CFRP加固梁的薄弱環節，設置梯度錨固段能夠有效避免 CFRP黏結端部疲勞失效破壞.

梁 PF0.5-L0與 PF0.5-LⅢ為疲勞后靜載，破壞模式與同參數的靜載梁無明顯差別.梁PF0.6-L0在疲勞加載過程中端部裂縫及水平裂縫分支發展迅速，對比同參數加固梁在靜力和疲勞荷載下的 CFRP 應變曲線（圖6（a）與圖10（b））可知，疲勞循環放大了此處的應變差;相比靜載時的破壞荷載（154 kN），加固梁在疲勞上限荷載90 kN時發生破壞，疲勞循環更容易使端部混凝土保護層發生剝離破壞.

3.2梯度段 CFRP應變分布

如前所述，圖10為不同疲勞次數下各加固試件的荷載-端部 CFRP應變曲線，可看出普通預應力加固梁與梯度錨固預應力梁的端部 CFRP應變分布呈現明顯不同的特征.由圖10（a）可以看出，疲勞荷載作用下梁 PF0.5-L0端部的 CFRP應變沿黏結長度的分布與荷載分布較為一致，表明在該疲勞荷載作用下 CFRP 與混凝土黏結較完整.觀察圖10（b）可看到梁 PF0.6-L0在疲勞加載1萬次以后，端部0～250 mm 區段應變較小且呈線性增長，端部250～350 mm 區段應變陡然增長，推測最靠近支座的裂縫應出現在此區段內，圖9（b）證實了這一推斷（裂縫出現在230 mm處），過大的應變差也是 PF0.6-L0發生保護層剝離破壞的重要原因.圖10（c）顯示梁 PF0.6-LU 端部約300 mm 區段內 CFRP應變較小，在300 mm 區段外顯著增大，這可能是由于端部區段內混凝土梁體及 CFRP板條被碳纖維布 U形箍有效加固約束，混凝土未開裂且與 CFRP板條黏結完好，同時碳纖維布 U形箍也起到了增強作用.

觀察圖10（d）可看出，PF0.5-LⅢ在0萬次時，其黏結端部 CFRP應變分布與彎矩分布大致相同，近似呈直線分布，但從1萬次開始在150～300 mm 區段內的 CFRP 應變即顯著高于300～400 mm 區段，這是由于在疲勞荷載作用下，300 mm 處（全預應力段與梯度預應力段分界，圖9（a）左上圓圈處）梁體混凝土出現裂縫，開裂后混凝土對全預應力段 CFRP 的錨固被削弱，CFRP 向跨中回縮致使其測量應變（未包含初始應變）減小，因回縮被梯度錨固段約束，部分預應力遷移至梯度錨固段，造成梯度段 CFRP應變增大，因此梯度段 CFRP應變大于全預應力段.由圖10（e）能看到，梁 PF0.6-LⅢ在0萬次時150～300 mm 區段內的 CFRP 測量應變大于300～400 mm 區段，隨著疲勞次數增加兩區段 CFRP應變差值增大，表明可能第一次加載時全預應力段-梯度錨固段分界混凝土即已開裂（圖9（c）圓圈處），并隨著疲勞加載而不斷發展.另外，梁 PF0.7-LⅢ在0和1萬次時其位于150 mm 處的 CFRP應變即達到較高值，5萬次和10萬次時均為黏結端部600 mm 范圍內的應變最大值，這表明該試件可能在150 mm 處（Ⅰ和Ⅱ梯度段分界位置，圖9（d）圓圈處）也出現了混凝土開裂及Ⅰ梯度段的 CFRP 回縮，即使這樣Ⅱ梯度段仍有效地錨固住了預應力 CFRP，加固梁最終發生受拉縱筋疲勞斷裂破壞.

4結論

本文提出了在 CFRP 黏結端部設置梯度錨固預應力的構造措施，以減小黏結端部的應力集中且抑制混凝土保護層的剝落破壞，并通過靜載與疲勞性能試驗，研究了端部設梯度預應力段的表層嵌貼預應力CFRP加固梁的受力性能，通過對加固梁受力行為、破壞模式、與應變分布的分析，得到以下結論：

1）本文靜載試驗中設置梯度錨固預應力段后，加固梁承載能力最大提升35.06%，極限撓度最大提升136.47%，CFRP 利用率最大提升10.87%.試驗結果表明在 CFRP 黏結端部設置梯度錨固預應力能減小端部混凝土應力集中，使端部 CFRP與混凝土間應力傳遞更均勻，因而提高加固梁抵抗混凝土保護層剝離破壞的能力;端部設置兩級梯度錨固預應力的加固梁，具有更好的受力性能，技術具有可行性.

2）疲勞試驗結果表明，兩級梯度錨固預應力后加固梁的破壞模式由端部保護層剝離轉變為跨中縱向鋼筋拉斷，表明梯度錨固預應力有效減小了端部混凝土的應力集中，因而 CFRP黏結端部不再是加固梁的薄弱環節.

3）本文試驗中，在60%、70%上限的疲勞荷載作用下，梯度段與全預應力段分界甚至兩梯度段分界都發生了混凝土開裂以及 CFRP 回縮現象，但梯度段仍有效實現了對預應力CFRP 的錨固.

參考文獻

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