CFRP布抗剪加固預加載RC梁的力學性能研究

黃志剛 林俊 黃衛國 王海濤 吳瓊

收稿日期：2023-12-01

基金項目：江西省交通運輸廳科技項目（2022H0020）

文章編號：1005-0523（2024）03-0037-08

摘要：【目的】為了研究端部錨固方法和預加載對碳纖維復材（CFRP）加固鋼筋混凝土（RC）梁抗剪性能的影響，【方法】進行了4根矩形RC梁的剪切試驗，分析了失效模式、荷載-撓度曲線、特征荷載、箍筋和CFRP應變的發展，最后，采用既有的CFRP加固RC梁抗剪承載力計算方法對文章試件的抗剪承載力進行了預測。【結果】試驗結果表明，在可靠的端部錨固下，采用U形CFRP條帶加固可以顯著提升RC梁的抗剪性能；抗剪加固效果受CFRP條帶的端部錨固方法影響很大，機械錨固顯著優于CFRP布壓條錨固，相比于未加固梁，采用機械錨固的加固梁抗剪承載力提高了約60%，而CFRP布壓條錨固的抗剪承載力僅提高了9.8%；預加載雖然明顯降低了加固梁的開裂荷載，但對抗剪承載力幾乎沒有影響。【結論】研究結果可為CFRP布抗剪加固RC梁的工程應用提供參考。

關鍵詞：CFRP布；抗剪加固；錨固方法；預加載；鋼筋混凝土梁

中圖分類號：TU375；U416 文獻標志碼：A

本文引用格式：黃志剛，林俊，黃衛國，等. CFRP布抗剪加固預加載RC梁的力學性能研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（3）：37-44.

Study on the Mechanical Properties of Preloaded RC Beams

Shear-Strengthened with CFRP Sheets

Huang Zhigang1，2， Lin Jun3， Huang Weiguo3， Wang Haitao4， Wu Qiong4

（1. Jiangxi Transportation Engineering Group Co.， Ltd.， Nanchang 330038， China; 2. Jiangxi Bridge Intelligent Maintenance Engineering Technology Research Center， Nanchang 330038， China; 3. Jiangxi Highway Engineering Testing Center，

Nanchang 330013， China; 4. College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210096， China）

Abstract： 【Objective】The shear tests of four rectangular reinforced concrete （RC） beams were conducted to investigate the effects of the end-anchorage method and preloading on the shear behavior of the carbon fiber reinforced polymer （CFRP）-strengthened RC beams. 【Method】The failure mode， load-deflection curve， characteristic load， strain developments of the stirrup and CFRP were analyzed. Finally， the shear capacity of the specimens was predicted using the existing calculation methods for the shear capacity of the CFRP-strengthened RC beam.【Result】The test results show that the using U-shaped CFRP strengthening can significantly enhance the shear behavior of RC beams under the reliable end-anchorage. The shear strengthening effect is significantly affected by the end-anchorage methods. The mechanical anchorage is obviously superior to the CFRP sheet anchorage. Compared with the unstrengthened beam， the shear capacity of the strengthened beam with the mechanical anchorage increases by about 60%， whereas that with the CFRP sheet anchorage only increases by 9.8%. The preloading significantly decreases the cracking load of the strengthened beams， but does not affect the shear capacity. 【Conclusion】The research results can provide reference for the engineering application of shear strengthening of RC beams with CFRP sheets.

Key words： CFRP sheet; shear strengthening; anchorage method; preloading; reinforced concrete beam

Citation format： HUANG Z G， LIN J， HUANG W G， et al. Study on the mechanical properties of preloaded RC beams shear-strengthened with CFRP sheets[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（3）： 37-44.

【研究意義】鋼筋混凝土（RC）構件在長期服役過程中，由于環境侵蝕、材料性能劣化及超載等因素，面臨著承載能力下降、剛度衰退、開裂等問題。RC梁抗剪能力的不足將會引發斜裂縫不斷發展，導致構件產生較大的撓度，直接影響結構的正常使用性能，對結構的耐久性和安全性造成很大危害[1]。

【研究進展】碳纖維復材（CFRP）具有輕質、高強、耐腐蝕性能好等優勢，外貼CFRP技術已經被廣泛應用在混凝土結構的加固修復中，成為一種主流的混凝土結構加固技術[2-5]。采用CFRP對RC梁進行抗剪加固時，CFRP加固形式主要有全包裹加固、U形條帶加固和側面加固[6]，其中全包裹和U形條帶加固需要將CFRP在RC梁拐角處彎折，所以質地柔軟的CFRP布比CFRP板更合適于全包裹和U形條帶加固。研究表明，與外貼CFRP抗彎加固相似，CFRP與混凝土的界面剝離失效也是抗剪加固常見的失效模式[7]，過早的界面端部剝離會顯著降低CFRP的加固效果和強度利用率，因此需要對CFRP實施必要的端部錨固。國內外研究者已經開發了多種端部錨固措施，包括壓條錨固、嵌入式錨固、機械錨固、扇形錨固等[8-13]，不同錨固方法對加固效果的改善作用相差很大。周朝陽等[11]研發了CFRP條帶的自鎖錨板并形成了混錨U形CFRP條帶抗剪加固方法，發現提出的錨固方法能夠有效避免CFRP條帶的端部剝離破壞并實現拉斷破壞，混錨和純粘貼方法的抗剪承載力提升幅度分別為89.6%和16.3%。Mhanna等[12]采用CFRP扇形錨對U形條帶進行錨固，發現CFRP扇形錨可以推遲U形條帶的剝離，抗剪承載力相比未錨固的加固試件提高了20%～50%。另一方面，采用CFRP對RC梁進行抗剪加固時，待加固構件可能在荷載長期作用下已出現了開裂等初始損傷，而目前僅有少數研究考慮了初始損傷的影響。Karzad等[13]研究發現，對于預損傷混凝土梁，先采用環氧樹脂膠進行修復再利用CFRP布進行抗剪加固能夠使預損傷梁的性能恢復到未損傷梁的水平。Yu等[14]的研究發現，預損傷度影響CFRP布抗剪加固梁的斜裂縫形成機理，斜裂縫發生機理和斜裂縫寬度，而預損傷度較低時，CFRP加固預損傷梁的受力性能與加固的未損傷梁相似。

【創新特色】學者們雖然開展了大量U形CFRP條帶的端部錨固方法研究，但大多著眼于錨固方法的創新，而一些新型錨固方法存在錨固工藝復雜等問題，不便于在實際工程中應用，因此有必要針對適用于工程實踐的錨固方法開展研究；另一方面現有研究中RC梁的配箍率普遍很低，不滿足《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）對最小配箍率和最大箍筋間距的要求。因此，為了使試驗試件更好地反映實際構件，需要針對CFRP布加固正常配置箍筋的RC梁開展研究。

【關鍵問題】為進一步研究CFRP布加固RC梁的抗剪性能，本文開展了4根矩形RC梁的試驗研究，其中2根加固梁通過預加載來考慮正常服役荷載引起的初始損傷；考慮到工程應用的便捷性，試驗設計了機械錨固和CFRP壓條錨固兩種錨固方法。通過分析失效模式、荷載-撓度曲線、特征荷載、箍筋和CFRP布應變的發展，研究了錨固方法和預加載對CFRP布加固RC梁抗剪性能的影響，并根據既有的理論模型對CFRP布加固RC梁的抗剪承載力進行了預測，研究結果可為CFRP布抗剪加固RC梁的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

RC梁長度為3 000 mm，截面尺寸為b[×]h=200 mm[×]400 mm，保護層厚度為15 mm。梁底部配置了5根直徑為25 mm的受拉鋼筋，上下兩排間隔25 mm，受拉鋼筋配筋率為3.61%；梁頂部配置了3根直徑為25 mm的受壓鋼筋。箍筋直徑為8 mm，其中彎剪段的箍筋間距取《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）規定的最大間距，即200 mm，純彎段內箍筋間距為150 mm。試驗梁尺寸及配筋情況如圖1所示。

試驗考慮了U形CFRP條帶端部錨固方法和預加載對CFRP布加固RC梁抗剪性能的影響，試件設計見表1。試件B1為未加固對比試件，試件B2，B3和B4為粘貼U形CFRP條帶的加固試件，其中試件B2和B3采用機械錨固，試件B4采用CFRP布壓條錨固，圖2為兩種錨固方法的加固示意圖。所有加固試件均采用對稱的8條U形CFRP條帶進行加固，CFRP條帶編號從左向右依次為U1～U8。對于機械錨固，先將CFRP布端部采用粘結劑浸漬并在鋼錨板上纏繞3圈，然后通過化學錨栓將鋼錨板固定在RC梁兩側。鋼錨板的長度、寬度和厚度分別為164，38 mm和14 mm，在鋼錨板兩側設置了直徑為20 mm的圓孔，在鋼錨板與CFRP布接觸的拐角進行了倒角處理，倒角半徑為3 mm。對于CFRP布壓條錨固，在CFRP條帶頂部縱向粘貼2層100 mm寬、1 450 mm長的CFRP布。為了反映加固前正常使用荷載對RC梁造成的初始損傷，并參考既有研究[10]，對試件B3和B4在加固前首先進行了預加載處理，預加荷載值為未加固試件極限荷載的40%，即165 kN，卸載后再對RC梁進行抗剪加固。預加載試驗發現，預加載導致試件出現了彎曲裂縫和斜裂縫。

1.2 材料性能

試件采用強度等級為C40的商品混凝土進行澆筑，在室外自然條件下養護28 d后，實測的立方體抗壓強度平均值為42.3 MPa。試驗所用的鋼筋等級均為HRB 400級，實測的主要力學指標如表2所示。CFRP布的寬度為100 mm，單層CFRP布的名義厚度為0.167 mm，粘結劑為兩組份環氧結構膠，廠家提供的CFRP布與粘結劑的力學性能見表2。

1.3 加載及測量方案

使用量程為1 000 kN的電液伺服試驗機進行四點彎曲加載，試件的純彎段為900 mm，支撐方式為簡支支撐，凈跨為2 700 mm，剪跨比為2.61。采用分級加載制度和位移控制模式，箍筋屈服前加載速率為0.4 mm/min，每級荷載為40 kN，箍筋屈服后以0.8 mm/min的速率加載至破壞。為了測量試件撓度隨荷載的變化，分別在跨中、加載點和支座位置布置了5個位移計。在箍筋和CFRP條帶上分別粘貼了8個應變片，粘貼位置為支座-加載點連線（其近似為主斜裂縫延伸方向）與箍筋或CFRP條帶的交點。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及破壞模式

試驗觀察到兩種破壞模式，分別為剪壓破壞和CFRP條帶端部剝離破壞。未加固試件B1表現出典型的剪壓破壞特征，彎剪段出現斜裂縫后，隨著持續加載，斜裂縫朝加載點快速發展，裂縫寬度發展迅速，隨后剪壓區混凝土被壓碎，試件發生剪壓破壞，如圖3（a）所示。加固試件B2和B3均使用機械錨固，其具有相似的試驗現象，在斜裂縫出現后，隨著荷載的增加，CFRP條帶出現了局部剝離，但是由于機械錨固的存在，CFRP布并未完全從試件表面分離，依然可以繼續發揮加固作用，直至剪壓區混凝土被壓碎，如圖3（b）和圖3（c）所示。試件B4采用CFRP布壓條錨固，隨著斜裂縫的不斷發展，U2條帶首先出現局部剝離，隨著荷載的繼續增加，U1和U2條帶以及CFRP壓條完全剝離，導致CFRP條帶基本喪失抗剪加固作用，斜裂縫寬度急劇增加，荷載持續下降，失效照片如圖3（d）所示。試驗結果表明，端部錨固方法對CFRP布抗剪加固RC梁的失效模式有顯著影響，在本文研究條件下，機械錨固比CFRP布壓條具有更可靠的錨固效果，有效避免了CFRP條帶端部剝離破壞的發生，使得CFRP條帶的抗剪加固作用能夠得到有效發揮。

2.2 荷載-跨中撓度曲線

圖4顯示了試件的荷載-跨中撓度曲線，其中縱坐標的荷載值為試驗機記錄的荷載，即兩個加載點的荷載之和。整體上看，所有試件的荷載-撓度曲線呈現出兩個發展階段，即上升段和下降段。首先，荷載隨著跨中撓度的增加逐漸增大，在斜裂縫出現之前，所有試件的荷載-撓度曲線的斜率基本相同，說明CFRP條帶對RC梁的初始剛度基本沒有影響；隨著荷載的增加，斜裂縫不斷發展，與未加固試件B1相比，各加固試件的剛度均得到提高。當荷載達到最大值后，荷載-撓度曲線進入下降段，荷載隨撓度的增加逐漸降低。從圖4可以明顯看出，試件B4由于CFRP布發生過早的端部剝離失效，其極限荷載及變形均明顯低于采用機械錨固的試件，說明相比于CFRP壓條錨固，機械錨固由于避免了CFRP的端部剝離破壞，能夠更有效地提高RC梁的抗剪承載力和變形能力。

2.3 特征荷載

表3列出了主要試驗結果，其中[Pcr]表示開裂荷載，對于未損傷試件定義為彎剪段觀察到第一條斜裂縫時的荷載，對于損傷試件定義為正式加載過程中彎剪段觀察到新斜裂縫時的荷載；[Pu]表示極限荷載，取為試驗機記錄的最大荷載值；[αcr]和[αu]分別表示開裂荷載和極限荷載較未加固試件B1的提升率。需要說明的是，未加固試件B1雖然未進行預加載，但可以理解為試件B1在經歷了165 kN的預加載后，如果不加固，那么其能承受的極限荷載為412.5 kN；而對于預加載試件B3和B4，可以理解為他們在經歷了165 kN的預加載后，采用CFRP加固能夠使其極限荷載分別提高到656.3 kN和452.9 kN。因此在后續分析中，試件B3和B4的開裂荷載和極限荷載提升率仍以試件B1為基準。

2.3.1 預加載的影響

試件B2和B3采用相同的錨固方法，表3的結果表明，試件B2的開裂荷載和極限荷載比試件B1分別提升了65.3%和60.2%；而試件B3開裂荷載和極限荷載的提升率分別為18.8%和59.1%，即試件B3開裂荷載的提升率比試件B2降低了71.2%，而極限荷載提升率降低很小，這說明在本文試驗條件下，預加載會明顯降低CFRP布加固試件的開裂荷載，而對極限荷載基本沒影響。

2.3.2 錨固方法的影響

對比試件B3和B4的結果發現，機械錨固的加固效果明顯優于CFRP布壓條錨固，比如試件B3的極限荷載較試件B1提高了59.1%，而試件B4由于采用的壓條錨固使得CFRP條帶較早出現了端部剝離破壞，導致其極限荷載較試件B1僅提高了9.8%。可見，可靠的端部錨固是確保CFRP抗剪加固效果的關鍵，與CFRP布壓條錨固相比，本文采用的機械錨固方法不僅錨固方便，而且可以大幅提高CFRP布加固RC梁的抗剪承載力。

2.4 材料的應變發展

以試件B2為例分析加載過程中CFRP條帶和箍筋的應變發展。圖5（a）顯示了典型荷載下CFRP條帶的應變分布。由圖可知，在加載初期（斜裂縫未出現），所有U形條帶的CFRP應變很小并且幾乎沒有差別，這主要是由于此時剪力主要由混凝土承擔，CFRP條帶發揮的作用很小。當斜裂縫出現后，各CFRP條帶上的應變開始出現明顯不同，主斜裂縫穿過的CFRP條帶應變大幅增加，而且由于主斜裂縫從支座附近向加載點附近擴展，使得U1和U2條帶的應變明顯大于U3和U4條帶的應變，說明越靠近跨中位置的CFRP條帶發揮的加固作用越小，而由于本試驗中主斜裂縫并未穿過U4條帶，導致U4條帶的CFRP應變在整個加載階段均很小。圖5（b）為U1條帶及其對應位置處箍筋的荷載-應變曲線。可以看出，CFRP和箍筋的荷載-應變曲線均可分為3個不同的發展階段，包括近似垂直段、上升段和近似水平段。在斜裂縫出現前，剪力主要由混凝土承載，此時箍筋與CFRP布發揮的作用很小，其應變變化很小，導致荷載-應變曲線幾乎為垂直段。在斜裂縫出現后，荷載-應變曲線進入第1個發展階段，斜裂縫穿過區域的CFRP條帶與箍筋的應變隨著荷載增加而迅速增長，而且CFRP條帶的應變稍滯后于箍筋的應變。在箍筋屈服后，荷載-應變曲線進入第3個發展階段，此階段由于箍筋不能提供更大的承載力，增加的荷載僅由CFRP條帶承擔，因此荷載上升緩慢而應變急劇增加，荷載-應變曲線近似為水平段。

3 抗剪承載力計算

CFRP布加固RC梁的抗剪承載力主要由混凝土與鋼筋提供的抗剪承載力[Vcs]和CFRP布提供的抗剪承載力[Vf]組成，其中[Vcs]可根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）規定的RC梁抗剪承載力計算方法計算，[Vf]可采用《纖維增強復合材料工程應用技術標準》（GB 50608—2020）給出的公式進行計算。上述試驗研究表明，本文設置的預加載對CFRP布加固RC梁的抗剪承載力基本沒有影響，因此在對試件進行抗剪承載力計算時，沒有考慮預加載的影響。

《纖維增強復合材料工程應用技術標準》（GB 50608—2020）針對CFRP粘貼方式和錨固方式分2種情況給出了Vf的計算方法。當采用封閉粘貼或有可靠錨固措施的U形CFRP條帶加固時，[Vf]計算式為

[Vf=ηψv2wftfhf，esf+wfsinασf，vdsinα+cosα] （1）

[σf，vd=min0.4ff，d，0.006Efγfγe]?????? （2）

[hf，e=hf-（h-0.9h0）]?????? （3）

式中：[η]為U形粘貼端錨區系數，本試驗中U形粘貼開口位于截面受壓區，[η]取1；[ψv]為二次受力影響系數，本文試驗取1.0；[wf]為CFRP垂直纖維方向的寬度；[tf]為單側CFRP的厚度；[hf，e]為CFRP的有效粘貼高度；[sf]為CFRP沿梁軸向凈間距；[σf，vd]為CFRP的有效拉應力設計值；[ff，d]為CFRP的抗拉強度設計值；[Ef]為CFRP的彈性模量；[γf]為材料分項系數，CFRP布取1.4；[γe]為環境影響系數，取1.0；[α]為CFRP纖維方向與水平線的夾角；[hf]為CFRP的實際粘貼高度；[h]和[h0]分別為RC梁的界面高度和有效高度。

當采用U形及側面粘貼加固時，[Vf]計算式為

[Vf=Kfτbwfh2f，esf+wfsinβsinβ+cosβ]? （4）

[Kf=?sinβEftfsinβEftf+0.3hf，eft]?????? （5）

[τb=1.2βwft]??????????? （6）

[βw=2.25-wfsf+wf1.25+wfsf+wf]??????? （7）

式中：[Kf]為U形及側面粘貼受剪加固時受剪剝離系數；[τb]為CFRP布與混凝土的粘結強度設計值；[β]為CFRP條帶與水平線的夾角；[?]為受剪加固形式系數，取1.3；[βw]為CFRP寬度影響系數；[ft]為混凝土抗拉強度設計值。

采用上式對本文試件進行抗剪承載力計算時，材料強度均取為實測強度值。計算結果與試驗結果的對比如表4所示，表中[Vcal]和[Vexp]分別表示CFRP布加固試件的抗剪承載力計算值和試驗值，其中試件B2和B3基于式（1）～式（3）計算，試件B4基于式（4）～式（7）計算，[Vexp]取表3中極限荷載[Pu]（試驗機記錄的最大荷載，即兩個加載點最大荷載之和）的一半。整體上看，采用《纖維增強復合材料工程應用技術標準》（GB 50608—2020）公式可以較好地預測本文試件的抗剪承載力，計算值與試驗值的相對誤差在10%左右，對于采用機械錨固的試件，預測結果偏于保守，這主要是由于公式中沒有考慮斜裂縫角度的影響；而對于發生端部剝離的試件，計算結果高估了試驗結果，主要是因為本文試驗中CFRP條帶在箍筋屈服前即發生了端部剝離破壞。

4 結論

1） 基于兩種CFRP條帶端部錨固方法，試驗觀察到剪壓破壞和CFRP條帶端部剝離破壞兩種破壞模式，采用的機械錨固方法可以有效避免CFRP布的端部剝離破壞，其試件均發生了剪壓破壞模式，而CFRP壓條錨固不足以提供有效的端部錨固，導致試件過早發生了端部剝離破壞。

2） 采用機械錨固的CFRP條帶加固可以顯著提高RC梁的抗剪性能，其開裂荷載和極限荷載相比未加固試件最大分別提升了65.3%和60.2%。在本文研究條件下，預加載會降低開裂荷載的提升效果，但對抗剪極限承載力基本沒有影響，開裂荷載的提升率降低了71.2%。錨固方法對抗剪加固效果有重大影響，采用CFRP壓條錨固由于發生了過早的端部剝離破壞，導致加固效果大幅降低。

3） 采用《纖維增強復合材料工程應用技術標準》（GB 50608—2020）中相關公式對本文加固試件進行了抗剪承載力計算，發現計算值與試驗值符合較好，相對誤差約為10%。

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