熊學玉，范新海

(1. 同濟大學 建筑工程系，上海，200092；2. 同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海，200092)

負載對CFRP及CFRP與鋼板復合加固R.C梁抗彎性能的影響

熊學玉1,2，范新海1

(1. 同濟大學 建筑工程系，上海，200092；2. 同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海，200092)

對不同負載下7根外貼CFRP或CFRP與鋼板復合加固鋼筋混凝土梁進行抗彎試驗，研究負載時CFRP或CFRP與鋼板復合加固梁的抗彎性能及負載水平的影響。試驗結果表明：粘貼CFRP加固梁極限承載力顯著提高，但屈服荷載和屈服階段前梁的剛度提高較小，且負載對承載力提高限值有較大的影響，負載越大，承載力提高限值越??；而粘貼CFRP與鋼板復合加固梁承載力和剛度都顯著提高，且破壞時具有較好的延性，復合加固梁承載力提高限值遠遠比單一材料加固的大，承載力限值可提高113.13%～147.23%；負載對加固梁承載力影響較小，可以忽略，但對加固梁結構的使用性能影響較大，所以，在實際加固工程中盡量要卸載。

負載水平；碳纖維復合材料；鋼板；鋼筋混凝土梁；復合加固；抗彎性能

采用碳纖維復合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)片材對梁板等抗彎構件進行加固是最常見的加固形式。迄今為止，國內(nèi)外對CFRP加固構件的抗彎性能進行了深入研究，但大部分是在構件無負載下進行試驗，而在實際加固工程中，構件一般都有一定負載。針對這一事實，Arduini等[1?6]研究表明：負載對加固后構件的結構性能有一定的影響。周婷[7]結合外貼CFRP和鋼板在改善結構受力性能上的長處,將CFRP與鋼板復合加固受彎構件，研究表明復合加固后構件承載力和抗彎剛度顯著提高。但對于現(xiàn)有這種復合加固方式的試驗研究主要在無負載下進行[8?15]。因此，有必要對負載下CFRP及CFRP與鋼板復合加固受彎構件進行深入的試驗研究。本文作者對7根不同負載下CFRP及CFRP與鋼板復合加固鋼筋混凝土梁進行抗彎試驗，研究不同負載對CFRP及CFRP與鋼板復合加固梁的抗彎性能及負載水平的影響，并對承載力提高限值進行探討。

1 試驗設計

試驗共設計7根試件，分為3組：Ⅰ組有3根鋼筋混凝土梁采用CFRP與鋼板復合加固；Ⅱ組有3根鋼筋混凝土梁采用CFRP加固；Ⅲ組為1根對比試件。梁截面面積為150 mm×250 mm，長度為2 600 mm，凈跨l0=2 400 mm。試件示意圖見圖1。

混凝土的設計強度為C40，實測混凝土立方體抗壓強度平均值為 47.6 MPa；CFRP實測抗拉強度為fcf,u=4 240 MPa,彈性模量Ecf=2.25×105MPa，寬度bcf=150 mm，厚度tcf=0.111 mm；鋼板為Q235，實測屈服強度fpy=290 MPa，寬度bp=150 mm，厚度tp=3 mm。加固方式及錨固形式如表1和圖2所示。

試驗測試內(nèi)容包括位移(跨中、分配梁兩支座位置)、纖維應變、梁縱筋應變、混凝土應變、裂縫開展情況。加載方式采用液壓千斤頂三分點兩集中力加載，梁受拉側表面打磨后，按照表1所示的負載分級加載到預先確定的荷載等級，然后保持該荷載不變，粘貼CFRP及CFRP與鋼板復合加固，黏結膠達到黏結強度后再分級連續(xù)加載至構件破壞。

2 試驗結果及分析

2.1 承載力分析

圖1 試驗梁的截面尺寸及配筋情況Fig.1 Details of specimens

表1 試驗梁的加固及錨固方案Table1 Retrofit and anchorage mode of test beams

圖2 試驗梁加固方式及錨固形式(單位：mm)Fig.2 Retrofit and anchorage mode of composite strengthened beams

表2 CFRP加固梁受彎承載力Table 2 Load-carrying capacities of CFRP strengthened beams

表3 復合加固梁受彎承載力Table 3 Load-carrying capacities of composite strengthened beams

CFRP加固梁復合加固梁的受彎承載力如表2和表3所示。從表2可以看出：采用單層CFRP加固混凝土梁屈服荷載僅提高13.64%～22.73%，極限荷載提高37%～46%；2層CFRP屈服荷載提高18.19%，極限荷載提高66.24%。隨著負載的增大承載力有降低趨勢且加固量對屈服荷載的提高并不顯著，而對極限荷載提高比較顯著。可見：采用CFRP加固對梁的極限荷載提高顯著，對其屈服荷載提高較小，這主要是因為CFRP比較薄，在鋼筋屈服前CFRP應變也比較小，CFRP所發(fā)揮的作用很小。從表3可以看出：采用CFRP與鋼板復合加固梁屈服荷載及極限荷載都顯著地提高，提高幅度達 180%左右?？梢姡翰捎脧秃霞庸滩粌H顯著提高加固梁的極限荷載，而且顯著地提高加固梁的屈服荷載。

對比不同負載下加固梁承載力可知：負載對加固梁的屈服荷載及極限荷載影響比較小，一般在10%以內(nèi)，因此，建議在承載力計算時，可忽略負載的影響。

2.2 剛度變化分析

圖3 CFRP加固梁的荷載?撓度關系曲線Fig.3 Load?deflection curves of CFRP strengthened beams

圖4 復合加固梁的荷載?撓度關系曲線Fig.4 Load?deflection curves of composite strengthened beams

CFRP加固梁和復合加固梁的荷載?撓度關系曲線如圖3和4所示。從圖3和圖4可知：粘貼CFRP能顯著地提高加固梁抗彎剛度，但在鋼筋屈服前梁的剛度提高并不顯著，而在鋼筋屈服后對加固梁的抗彎剛度提高非常顯著。這主要是因為在鋼筋屈服后，CFRP才充分發(fā)揮作用，有效抑制裂縫開展，且CFRP加固后梁的破壞具有一定的突然性。而采用CFRP與鋼板復合加固梁無論在鋼筋屈服前后梁的抗彎剛度都顯著提高，復合加固梁的破壞具有較好的延性。這主要是因為在鋼板自身具有一定的剛度且鋼板對裂縫的抑制作用好于CFRP的原因。

CFRP加固梁在正常使用階段，在相同的荷載作用下負載水平越大，梁的跨中撓度反而越小，例如在40 kN荷載作用下，LC-1和LC-2梁的跨中撓度分別為7.00 mm和6.61 mm，負載大的梁撓度反而大于負載小的梁撓度。文獻[5]試驗中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，其原因是粘貼CFRP的時間差引起純彎段CFRP粘貼面范圍的混凝土出現(xiàn)水平裂縫的時間差。而這種裂縫是影響CFRP與混凝土共同工作的重要因素之一，因此，出現(xiàn)了負載下加固梁在縱筋屈服后的平均切線剛度高于完好狀態(tài)下加固梁的現(xiàn)象。而復合加固梁負載水平越大，加固后梁在相同的荷載作用下，梁的跨中撓度越大，復合加固梁在60 kN荷載作用下，LCG-1，LCG-2和LCG-3梁的跨中撓度分別為4.17，4.87和6.48 mm?？梢姡谡Ｊ褂秒A段下負載對加固后梁的剛度有一定的影響。

2.3 裂縫的分析

2.3.1 裂縫寬度

不同負載下試驗梁的裂縫寬度如表4所示。從表4可知：采用CFRP或CFRP與鋼板復合加固后，在相同的荷載下，梁的裂縫寬度明顯變小，說明采用CFRP或CFRP與鋼板復合加固能抑制裂縫的開展，CFRP與鋼板復合加固抑制作用明顯好于CFRP的抑制作用。負載下梁的裂縫寬度大于無負載下加固梁的裂縫寬度，說明負載對加固后梁的裂縫寬度也有明顯的影響；隨著負載的增加，在相同的荷載下加固梁的裂縫寬度增寬。

表4 不同負載下試驗梁的裂縫寬度Table 4 Crack width under different preloads mm

2.3.2 裂縫開展情況

圖5 極限破壞時CFRP加固梁裂縫分布Fig.5 Crack distribution of CFRP-strengthened beams

圖6 極限破壞時復合加固梁裂縫分布圖Fig.6 Crack distribution of CFRP-steel plate strengthened beams

試驗梁的受力過程和裂縫開展如圖 5和圖 6所示。從圖5和圖6可見：負載下加固梁一般總是先出現(xiàn)幾條主裂縫，隨著荷載的增加，在主裂縫兩側出現(xiàn)斜裂縫，這些斜裂縫斜向上開展，最后與中間的主裂縫交匯。無負載下比負載下加固梁裂縫數(shù)量多，裂縫平均間距小，裂縫長度短。這主要是因為無負載下，CFRP或CFRP與鋼板復合加固對梁裂縫的抑制作用發(fā)揮比較早。負載對加固梁的裂縫的開展和發(fā)展有一定影響。在相同荷載作用下，負載越大，加固后梁的裂縫數(shù)量少，裂縫平均間距越大，裂縫長度越長。

試驗加固梁在破壞前都伴有“噼啪”的響聲。復合加固梁未發(fā)生CFRP剝離破壞，最終破壞時CFRP的極限拉應變都達到10 000ε以上。可見：采用有效的附加錨固能有效地延緩剝離破壞的發(fā)生。

2.4 平截面假定驗證

圖7所示為加固梁沿跨中截面應變的變化圖。由圖7可知：隨著荷載的增加，梁的應變發(fā)展速率加快，中和軸高度逐漸上升，裂縫間距逐漸加大，梁的剛度進一步下降；應變沿梁截面高度基本呈線性分布，所以對于CFRP或CFRP與鋼板復合加固梁在有無負載條件下，在考慮計算模型時仍然可以按照平截面假定進行分析。

圖7 試驗梁截面應變沿高度方向變化圖Fig.7 Average strain distribution of beams strengthened

3 承載力提高限值

《混凝土結構加固設計規(guī)范》[10]規(guī)定：為了控制加固后構件的裂縫寬度和變形及強調(diào)“強剪弱彎”設計原則的重要性，采用粘貼纖維復合材料加固時，鋼筋混凝土結構構件正截面承載力的提高幅度不應超過40%。表5所示為試驗梁在鋼筋或鋼筋及鋼板都屈服時，加固梁跨中撓度和最大裂縫寬度。

表5 加固梁跨中撓度與最大裂縫寬度Table 5 Mid-span deflection and crack max-width of beams strengthened

加固后構件除應滿足承載力要求外，還應滿足正常使用性能要求?！痘炷两Y構設計規(guī)范》[11]規(guī)定：一般受彎構件跨中最大撓度為l0/200、最大裂縫寬度為0.3 mm。從表5可以看出：在鋼筋屈服時無負載下CFRP加固梁LC-1滿足了正常結構使用性能要求，而負載下加固梁LC-2與LC-3在鋼筋屈服時已不滿足正常使用性能要求。無負載下加固梁在滿足使用性能條件下承載力提高了46%，50%Mu負載下加固梁在滿足使用性能條件下承載力僅提高了10%左右。可見：負載對加固后梁承載力提高限值有很大的影響，負載越大，承載力提高限值越小。因此，為了更好地滿足加固后結構使用性能的要求，在實際加固工程中要盡量做到卸載。

在鋼筋及鋼板都屈服時，復合加固梁承載力雖然顯著提高，但同樣已不滿足結構正常使用性能要求。因此，有必要對CFRP與鋼板復合加固梁承載力提高限值做出探討。在滿足結構正常使用性能條件下，復合加固梁LCG-1，LCG-2和LCG-3承載力分別為116，112和 100 kN，分別提高了 147.23%，138.70%和113.13%。

可見：在滿足“強剪弱彎”的前提下，采用CFRP與鋼板復合加固受彎構件承載力提高限值遠遠大于單一粘貼鋼板或CFRP加固梁承載力提高限值要求。復合加固梁承載力提高限值還與錨固方式有關[7]。在滿足正常使用性能前提下，有附加錨固方式加固梁承載力提高限值大于無附加錨固加固梁方式承載力的提高幅度。

4 結論

(1) 采用 CFRP加固鋼筋混凝土受彎構件能有效地提高其承載力及截面抗彎剛度，但對屈服荷載及屈服階段的抗彎剛度提高并不非常顯著。

(2) 采用 CFRP與鋼板復合加固鋼筋混凝土受彎構件能有效地提高其承載力及截面抗彎剛度，減小構件變形，且構件的破壞具有一定的延性。

(3) 負載對加固后構件承載力影響較小，可忽略負載對其影響。

(4) 負載對加固后構件截面剛度、裂縫開展及寬度影響較大，為了更好地滿足結構使用性能要求，在實際加固工程中要盡量卸載。

(5) 負載對加固后構件承載力提高限值有較大的影響，負載越大，承載力提高限值越低，且復合加固梁承載力提高限值可超過40%。

[1] Arduini M, Nanni A. Behavior of pre-cracked RC beams strengthened with carbon FRP sheets[J]. Journal of Composites for Construction, 1997, 1(2): 63?70.

[2] Norris T, Saadatmanesh H, Ehsani M R. Shear and flexural strengthening of RC beams with carbon fiber sheets[J]. Journal of Structural Engineering, 1992, 123(7): 903?911.

[3] Ochola R O, Marcus K, Nurick G N, et al. Mechanical behavior of glass and carbon fiber reinforced composites at varying strain rates[J]. Composite Structures, 2004, 63(3/4): 455?467.

[4] Shin Y S, Lee C. Flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with Carbon fiber reinforced polymer laminates at different levels of sustaining load[J]. ACI Structural Journal,2003, 100(2): 231?239.

[5] 李貴炳, 張愛暉, 金偉良. 鋼筋混凝土梁加固時的既有荷載對其抗彎性能的影響[J]. 土木工程學報, 2006, 39(1): 13?20.

LI Gui-bin, ZHANG Ai-hui, JIN Wei-liang. Effect of sustaining load level on flexural behavior of RC beams retrofitted with CFRP sheets[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(1):13?20.

[6] 賀拴海, 趙小星, 宋一凡, 等. 具有初荷載的鋼筋混凝土梁橋粘貼碳纖維布加固試驗研究[J]. 土木工程學報, 2005, 38(3):70?76.

HE Shuan-hai, ZHAO Xiao-xing, SONG Yi-fan, et al. An experimental study on research of reinforce concrete beam bridges rehabilitated with CFRP laminates under loading and unloading conditions[J]. China Civil Engineering Journal, 2005,38(3): 70?76.

[7] 周婷. 碳纖維布與鋼板復合加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[D]. 武漢: 武漢大學土木工程學院, 2004: 15?35.

ZHOU Ting. Experimental research on flexural performance of reinforced concrete beams composite rehabilitation with bonded carbon fiber reinforced polymer and steel plate[D]. Wuhan:Wuhan University. Civil Engineering Institute, 2004: 15?35.

[8] 歐新新, 張文華, 王紀峰. 鋼筋混凝土梁粘鋼加固受彎性能強度研究[J]. 浙江工業(yè)大學學報, 1999, 27(1): 23?27.

OU Xin-xin, ZHANG Wen-hua, WANG Ji-feng. Research of bending behavior and bearing power of the concrete reinforcement beams with steel bonded reinforcement[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 1999, 27(1): 23?27.

[9] CECS 146: 2003. 碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程[S].

CECS 146: 2003. Technical specification for strengthening concrete structures with carbon fiber reinforce polymer laminate[S].

[10] GB50367. 混凝土結構加固設計規(guī)范[S].GB50367. Design code for strengthening concrete structure[S].

[11] GB50010. 混凝土結構設計規(guī)范[S].GB50010. Code for design of concrete structures[S].

[12] 王天穩(wěn), 王曉光, 劉利珍. 粘鋼加固混凝土梁裂縫寬度驗算[J]. 武漢水利電力大學學報, 1997, 30(2): 102?104.

WANG Tian-wen, WANG Xiao-guang, LIU Li-zhen. Crack width calculation of R.C beam with steel-bonded reinforcement[J]. Engineering Journal of Wuhan University,1997, 30(2): 102?104.

[13] Abdalla H A. Evaluation of deflection in concrete members reinforced with fiber reinforced polymer (FRP) bars[J].Composite Structures, 2002, 56(1): 63?71.

[14] 周朝陽, 胡志海, 賀學軍, 等. 內(nèi)嵌式碳纖維板條與混凝土粘結性能的拉拔實驗[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2007,38(2): 357?361.

ZHOU Chao-yang, HU Zhi-hai, HE Xue-jun, et al. Bond behavior of NSM CFRP plate-concrete interface in pull-out experiment[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2007, 38(2): 357?361.

[15] ACI 440. 2R-2002. Design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures[S].

(編輯 趙俊)

Effect of different preloaded states on flexural behavior of
reinforced concrete beams strengthened with CFRP or CFRP-steel combined plates

XIONG Xue-yu1,2, FAN Xin-hai1

(1. Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 200092, China)

Seven R.C beams including three CFRP strengthened beams, three CFRP-steel plate composite strengthened beams, and one control beam were tested at different preloaded levels. The flexural behavior of the strengthened R.C beams and the effects of the different preloaded levels on flexural behavior were investigated. Both the experimental and analytical results indicate that ultimate load-carrying capacity of the CFRP-strengthened beams are enhanced evidently,but yield load and stiffness before main reinforcements yield are hardly enhanced, and the preloaded levels have an obvious effect on limit value of load-carrying capacity, the higher the preload level is, the smaller limit value of loadcarrying capacity is; However the load carrying capacity and stiffness of all the composite strengthened beams are enhanced evidently and the damage has preferably ductility. The limit value of load-carrying capacity is more than that of beams with single material and reaches 113.13%?147.23%. The preload levels have a scarcely effect on load-carrying capacity of the all strengthened beams, but the preload levels have an obvious effect on the serviceability performance of the all strengthened beams. So before being strengthened, the preloaded should be unloaded in actual strengthening projects.

preloaded levels; carbon fiber reinforced polymer (CFRP); steel plate; reinforced concrete beam; composite strengthening; flexural behavior

TU375.1

A

1672?7207(2010)06?2393?07

2009?11?15；

2010?03?01

上海市建設技術發(fā)展基金資助項目(B05043)；上?，F(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司資助項目(20061B006)

熊學玉(1962?)，男，安徽合肥人，教授，博士生導師，從事預應力結構及建筑物的加固與改造研究；電話：13701918688；E-mail:xiong_xueyu@tjpec.com