摘要：為驗(yàn)證FRP螺栓加固新技術(shù)的合理性，結(jié)合現(xiàn)役鋼筋混凝土橋梁帶裂縫工作的特點(diǎn)，采用表面粘貼FRP（EB-FRP）加固技術(shù)和FRP螺栓混合加固技術(shù)（HB-FRP），分別對不同預(yù)裂度的鋼筋混凝土簡支梁進(jìn)行抗彎加固，通過兩點(diǎn)對稱加載抗彎試驗(yàn)研究加固預(yù)裂梁的受力特性和破壞模式，分析裂縫分布對加固預(yù)裂梁的剝離荷載及FRP材料利用率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，與表面粘貼FRP加固技術(shù)相比較，采用FRP螺栓混合加固的預(yù)裂梁，抗彎極限承載能力提高30%～44%，加固后結(jié)構(gòu)的破壞表現(xiàn)為明顯的延性，改善了FRP脆性剝離破壞模式；另外，鋼筋混凝土梁裂縫對FRP的剝離荷載、FRP材料的利用率及梁的破壞模式影響顯著。

關(guān)鍵詞：FRP；加固技術(shù)；預(yù)裂RC梁；對比性試驗(yàn)

中圖分類號：TU375.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0027-05

利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic Polymer，簡稱FRP）對混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固維修在實(shí)際工程中得到了廣泛的認(rèn)可，其中在橋梁加固工程中表面粘貼FRP加固技術(shù)（EBFRP）應(yīng)用最為廣泛^[1-3]。大量試驗(yàn)研究表明^[4-7]，粘貼FRP加固的梁荷載作用下易發(fā)生剝離脆性破壞，使得FRP的利用率僅有15%～35%，F(xiàn)RP材料的高強(qiáng)性能難以充分發(fā)揮。因此，為提高FRP材料的利用率，學(xué)者們對相應(yīng)新型加固技術(shù)展開了大量的研究^[8-14]，其中FRP固件聯(lián)合加固技術(shù)正受到重視。Wu等^[15]采用FRP錨釘聯(lián)合加固技術(shù)的試驗(yàn)研究表明，錨釘?shù)拇怪眽毫ψ饔脤缑骛そY(jié)強(qiáng)度提高有較大的貢獻(xiàn)。據(jù)此，山東大學(xué)對FRP錨釘聯(lián)合加固技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在FRP兩側(cè)埋置高強(qiáng)螺栓，將鋼板、CFRP布和混凝土表面粘結(jié)在一起，并擰緊螺母對粘結(jié)界面施加預(yù)壓力，通過在CFRP布和混凝土之間增設(shè)的垂直壓力，達(dá)到約束CFRP布、防止其大面積剝離破壞的目的^[16-18]。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP螺栓加固技術(shù)是一種更有效的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法。本文結(jié)合在役鋼筋混凝土橋梁的損傷特點(diǎn)，對采用EB-FRP及HB-FRP加固的預(yù)裂鋼筋混凝土簡支梁進(jìn)行對比性試驗(yàn)研究，據(jù)此對2種加固技術(shù)對帶裂縫工作鋼筋混凝土簡支梁的抗彎加固效果（受力性能、變形特征和破壞模式等）進(jìn)行對比分析，明確其工作特點(diǎn)。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)梁設(shè)計

設(shè)計7根相同鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎加載試驗(yàn)，其中BM1為完整梁且未加固，作為參照梁；BM2、BM3、BM4為預(yù)裂梁，采用EB-FRP加固；BM5、BM6、BM7為預(yù)裂梁，采用HB-FRP加固。試驗(yàn)梁尺寸為150 mm×250 mm×2 700 mm。主筋為2Φ12，架立鋼筋為2Φ10，采用HRB335，箍筋為6@100，采用HPB235，混凝土強(qiáng)度等級C40。試驗(yàn)梁尺寸與鋼筋構(gòu)造見圖1。

1.2試驗(yàn)梁制作

采用同一批次的商品混凝土一次性澆筑7根試驗(yàn)梁?；炷恋竭_(dá)設(shè)計強(qiáng)度以后，選取其中1根試驗(yàn)梁（BM1）進(jìn)行抗彎承載能力試驗(yàn)，確定試驗(yàn)梁的極限抗彎承載力；然后，對其余6根試驗(yàn)梁分兩組按極限承載力50%、70%、90%進(jìn)行加載預(yù)裂，測量預(yù)裂荷載、裂縫條數(shù)及最大裂縫寬度；最后，對2組預(yù)裂后的梁分別采用EBFRP（BM21、BM22、BM23）和HBFRP（BM31、BM32、BM33）進(jìn)行抗彎加固。

EB-FRP加固采用配套樹脂類黏結(jié)材料在梁底粘貼兩層60 mm寬的碳纖維布，其型號為UT7030，計算厚度0.167 mm，抗拉強(qiáng)度3 430 MPa，彈性模量為2.35×105 MPa，極限伸長率為1.72%；HBFRP加固（加固系統(tǒng)如圖2）除在梁底粘貼兩層60 mm寬的碳纖維布外，還在梁底用錨固件即鋼板和螺栓對碳纖維布進(jìn)行錨固，錨固間距為160 mm。其中螺栓采用直徑10 mm的45號鋼高強(qiáng)螺栓，用環(huán)氧樹脂錨固，錨固深度為50 mm；鋼板的尺寸為120 mm×60 mm×5 mm，采用環(huán)氧樹脂粘貼鋼板于CFRP表面，并通過螺母對螺栓施加10 kN預(yù)緊力。試驗(yàn)梁詳細(xì)參數(shù)見表1，制作完成EBFRP及HBFRP加固梁如圖3。

采用EB-FRP法加固的3根預(yù)裂梁的破壞形式相似，即隨著荷載的增加，試驗(yàn)梁原有裂縫繼續(xù)沿梁高方向開展延伸，新裂縫不斷出現(xiàn)，當(dāng)加載達(dá)到極限荷載時，F(xiàn)RP在混凝土表面突然剝離。但各試驗(yàn)梁裂縫分布特征不同，致使FRP初始剝離的位置存在差別。預(yù)裂度較小的試驗(yàn)梁（BM2-1預(yù)裂度為50%），梁底部主要分布垂直微小裂縫，加載破壞時，F(xiàn)RP剝離從跨中裂縫向梁端進(jìn)行；預(yù)裂度較大的試驗(yàn)梁（BM2-2預(yù)裂度為71%、BM2-3預(yù)裂度為83%），除梁底部純彎段分布有垂直裂縫外，梁端斜彎段存在顯著的斜裂縫，裂縫寬度較大，加載破壞時，F(xiàn)RP剝離從梁端斜裂縫向跨中快速發(fā)展。

采用HB-FRP法加固的預(yù)裂梁的破壞形式與采用EB-FRP法加固的預(yù)裂梁的破壞形式存在顯著不同。雖然隨荷載的增大，試驗(yàn)梁原有裂縫仍在發(fā)展，新裂縫也不斷出現(xiàn)，錨固鋼板之間的FRP也發(fā)生局部剝離，但由于預(yù)緊螺栓的錨固作用，有效的限制了FRP片材的整體自由變形，試驗(yàn)梁達(dá)到極限破壞時，錨固鋼板下的FRP和混凝土基本沒有發(fā)生剝離，保證了FRP和鋼筋混凝土梁的協(xié)調(diào)工作，有效提高了FRP材料的利用率和預(yù)裂梁抗彎承載能力。最終試驗(yàn)梁呈現(xiàn)斜截面剪壓破壞（BM3-1）或錨固鋼板之間的FRP斷裂破壞（BM3-2、BM3-3）。同時HB-FRP加固的預(yù)裂梁的破壞形式也不盡相同，究其原因主要是由于試驗(yàn)梁預(yù)裂度的不同，致使其裂縫分布的特征存在差異。BM3-1預(yù)裂度為51%，梁底部主要分布垂直微小裂縫，寬度較小，梁的整體剛度較大，試驗(yàn)梁在HB-FRP法加固后，其正截面抗彎能力較強(qiáng)，最終因試驗(yàn)梁斜截面強(qiáng)度不足而造成梁體斜截面剪壓破壞。對于預(yù)裂度為71%、91%的BM3-2、BM3-3，預(yù)裂時梁底加載點(diǎn)附近出現(xiàn)寬度較大的垂直裂縫和斜裂縫，試驗(yàn)加載時，該處裂縫繼續(xù)開展并向上延伸（見圖6），致使FRP所承受拉力急劇增大，最終導(dǎo)致該處的FRP部分被拉斷。

此外，加固后試驗(yàn)梁FRP與混凝土之間發(fā)生初始剝離時的荷載如圖7所示。由圖可知：對于預(yù)裂度相近的試驗(yàn)梁，2種加固方法的粘結(jié)界面初始剝離荷載基本相同；隨試驗(yàn)梁預(yù)裂度的增大，粘結(jié)界面初始剝離荷載減小。可見，梁體裂縫對FRP的剝離具有明顯的促進(jìn)作用。

2.2荷載撓度曲線

根據(jù)圖8所示荷載跨中撓度曲線可知，試驗(yàn)梁的受力狀態(tài)基本相同，可分為3個工作階段：1）第1階段，從開始到曲線的第1個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該階段梁體受拉側(cè)裂縫開展較小，各試驗(yàn)梁處于整體工作階段，荷載-撓度曲線的斜率較大且相近，即抗彎剛度基本相同；由于外貼FRP離中性軸最遠(yuǎn)，且其延伸率較小，因此其承擔(dān)較大拉力；2）第2階段，隨荷載增加，F(xiàn)RP所承擔(dān)拉力增大，所需FRP與混凝土表面的層間粘結(jié)力增大，同時因梁體受拉側(cè)裂縫加劇發(fā)展，F(xiàn)RP開始剝離，梁體的整體抗彎能力降低；不同F(xiàn)RP黏貼方式下，F(xiàn)RP退出工作的極限荷載明顯不同，采用鋼板螺栓聯(lián)合錨固后FRP的利用率得到顯著提高（M3-1、BM3-2、BM3-3承受的極限荷載比BM2-1、BM2-2、BM2-3承受的極限荷載分別提高30%、44%、44%）；3）第3階段：對于EB-FRP加固后試驗(yàn)梁，當(dāng)FRP與混凝土間界面剪應(yīng)力峰值達(dá)到其界面粘結(jié)強(qiáng)度極限時，繼續(xù)加載會導(dǎo)致試驗(yàn)梁撓度急劇增大，梁體破壞時預(yù)兆不明顯，具有一定脆性破壞特性；HB-FRP加固技術(shù)中，通過膠體、鋼板、螺栓的聯(lián)合錨固，能夠大幅提高粘結(jié)截面剪應(yīng)力容許值，因此加固后梁體的極限抗彎承載力顯著增大，破壞時梁體撓曲變形較大，利于及時發(fā)現(xiàn)、補(bǔ)強(qiáng)，增大了加固后結(jié)構(gòu)物的延性。

從圖9可以看出：HB-FRP加固的試驗(yàn)梁FRP的利用率部分達(dá)到100%（試驗(yàn)中FRP表現(xiàn)為斷裂），EB-FRP加固的試驗(yàn)梁FRP的利用率最大僅為49%，可見前者加固后試驗(yàn)梁的FRP利用率明顯高于后者。同時，對HB-FRP加固的試驗(yàn)梁，預(yù)裂度越大，F(xiàn)RP的利用率越大；而對EB-FRP加固的試驗(yàn)梁，預(yù)裂度越大，F(xiàn)RP的利用率越?。▽︻A(yù)裂度為83%的試驗(yàn)梁BM2-3，其FRP的平均利用率僅為21%）?？梢姡琀B-FRP較EB-FRP是一種更為有效的預(yù)裂鋼筋混凝土梁加固方式，能夠充分發(fā)揮FRP材料的高強(qiáng)性能，有效避免混凝土裂縫導(dǎo)致的FRP剝離破壞。

3結(jié)論

根據(jù)EB-FRP及HB-FRP加固預(yù)裂簡支梁的對比性試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）較EB-FRP加固技術(shù)，HB-FRP加固技術(shù)是一種更有效的預(yù)裂梁加固方式，不僅能夠顯著提高預(yù)裂梁的極限承載能力，而且能夠改善預(yù)裂梁的破壞模式，顯著提高預(yù)裂梁破壞時的延性特征。

2）由于螺栓對鋼板下FRP預(yù)緊錨固作用及層間膠體的粘結(jié)作用，HB-FRP加固預(yù)裂梁能夠有效阻止錨固鋼板下FRP的剝離，顯著提高FRP和結(jié)構(gòu)物間的層間抗剪能力，因此FRP的利用率得到顯著提高，利于FRP材料高強(qiáng)性能的發(fā)揮。

3）裂縫的發(fā)展程度和分布特征對于FRP加固后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的抗彎承載能力和受彎破壞形式具有顯著影響，為提高FRP的利用率，建議進(jìn)行加固設(shè)計時對原有裂縫進(jìn)行適當(dāng)處理。

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（編輯王秀玲）