李才平，曾祥蓉，王仲剛，陳 進

(后勤工程學院 軍事土木工程系，重慶 401311)

將碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP)粘貼于鋼筋混凝土構件受拉部位，協(xié)同鋼筋受力以增強構件受力性能的加固方法，具有耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、幾乎不增加自重、適用面廣等優(yōu)點［1～4］。目前國內(nèi)外針對CFRP布加固鋼筋混凝土梁的研究主要集中在簡支構件方面，而對于混凝土連續(xù)構件研究開展比較少［5～8］;并且大部分主要在無負載作用下進行試驗［9］，而實際加固工程中往往是在一定的負載作用下進行的［10］。目前側貼預應力CFRP布加固鋼筋混凝土連續(xù)梁方面的研究尚未見報道。針對這一現(xiàn)實，本文通過實驗并輔以ABAQUS非線性有限元分析，對負載作用下縱向側貼預應力CFRP布加固連續(xù)梁受彎性能進行了研究。

1 試驗簡介

1.1 試件制作及材料參數(shù)

試驗采用兩跨鋼筋混凝土矩形截面連續(xù)梁，如圖1所示。連續(xù)梁總長度為4 m，計算跨度為1.89 m，梁橫截面尺寸為150 mm×300 mm?？缰屑爸虚g支座的全部縱向受力鋼筋采用HRB335級鋼筋，下部受力鋼筋通長配2 12，中間支座受力鋼筋配置2 14;架力鋼筋、箍筋采用HPB300級鋼筋，其中架力鋼筋采用2 8鋼筋，箍筋采用8@100并通長配置。

試驗梁均采用C30商品混凝土，立方體抗壓強度平均值為47.8 MPa，彈性模量為29.4 GPa。加固用的 CFRP布型號為FCS-C1-30。鋼筋和CFRP布的力學性能如表1所示。

1.2 加固方案

連續(xù)梁的加固方案如表2所示，其中連續(xù)梁CB1是未加固梁，連續(xù)梁 CB2、CB3和CB4為加固梁。加固梁是在負載F(圖2所示)為24.7 kN的條件下，對每跨梁底兩側面的縱向CFRP布分別施加不同預應力進行加固。CFRP布粘貼方案如圖2所示，其中:中間支座兩側面?zhèn)荣NCFRP布長度與中間支座處腹筋等長，縱向CFRP布高度及CFRP布U形箍寬度均為100 mm。縱向CFRP布端部采用4個寬度為100 mm間隔30 mm的加密U形CFRP布箍進行端部錨固。

表1 鋼筋和CFRP布的力學性能

表2 連續(xù)梁的加固方案

圖2 CFRP布粘貼布置/mm

1.3 試驗方案

試驗采用液壓伺服千斤頂施加豎向荷載，通過兩級分配梁將豎向荷載傳遞到試驗構件的三分點對連續(xù)梁進行加載。通過液壓伺服千斤頂傳感器控制加載速率和分級加載大小，每級加載結束后持續(xù)10 min且保證儀表讀數(shù)保持穩(wěn)定，再采集數(shù)據(jù)和觀察裂縫。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置

試驗主要量測內(nèi)容有:各級荷載作用下的鋼筋應變;混凝土應變;CFRP布應變;連續(xù)梁的撓度以及裂縫分布、發(fā)展情況。

1.4 張拉CFRP布

縱向CFRP布張拉工作:首先準備8塊(4對)100 mm×200 mm厚5 mm的鋼板，并將鋼板一面刻槽，以增加CFRP布與鋼板之間的粘接;然后在鋼板刻槽的一面均勻抹上一層CFRP專用膠，并將CFRP布的兩端分別夾在鋼板之間;待碳纖維膠凝固達到強度后，安裝在梁底的兩側待張拉，在鋼板預留孔洞處安裝軸，并通過裝置將其與手扳葫蘆連接起來;然后在手扳葫蘆上安裝力傳感器待張拉;最后在粘貼CFRP布的位置刷上碳纖維膠之后開始張拉，通過力傳感器控制張拉預應力大小。預應力張拉現(xiàn)場如圖3所示，預應力張拉裝置如圖4所示。待張拉結束后，維持初始荷載作用進行養(yǎng)護，養(yǎng)護完成后，兩端同時放張CFRP布，然后對中間支座處的下部縱向側貼CFRP布進行截斷。

圖4 預應力張拉裝置

2 實驗現(xiàn)象與結果

2.1 試驗現(xiàn)象

連續(xù)梁 CB1、CB2、CB3、CB4由于中間支座處彎矩最大，第一條裂縫均出現(xiàn)在中間支座截面附近。隨著荷載增大，左跨第一加載點A或右跨第一加載點B(如圖2所示)附近出現(xiàn)裂縫。

加固連續(xù)梁 CB2、CB3、CB4均為加載點 A(或B)處受拉鋼筋先屈服，中間支座鋼筋后屈服，最終加載點A(或B)處CFRP被拉斷，連續(xù)梁破壞。CFRP布被拉斷如圖5所示。

圖5 CFRP布被拉斷

2.2 試驗結果

2.2.1 承載能力

各試驗梁的受彎承載力如表3所示。從屈服荷載看，與未加固梁CB1相比，加固連續(xù)梁CB2、CB3、CB4加載點A(或B)處的屈服荷載分別提高了56.3%、64.3%、72.3%?？梢婎A應力水平越高，屈服荷載提高幅度越大，這是由于鋼筋屈服時CFRP布發(fā)揮了較高的強度，特別是預應力越大，鋼筋屈服時CFRP布提供的力更高。

表3 各連續(xù)梁的承載力 kN

圖6 各連續(xù)梁荷載-撓度曲線

從破壞荷載看，與未加固梁CB1相比，加固連續(xù)梁 CB2、CB3、CB4極限荷載提高量均為61.2%。此時加載點A或B處的CFRP布充分發(fā)揮了其高強性能，CFRP布達到了極限強度被拉斷。

根據(jù)《混凝土加固設計規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土結構構件加固后，其正截面受彎承載力提高幅度不應超過40%［11］。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，使用側貼預應力CFRP布加固完全可以達到加固所需要的承載力要求。

2.2.2 變形能力

連續(xù)梁加載點A(或B)處的荷載撓度曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，粘貼CFRP布顯著提高了連續(xù)梁的抗彎剛度，減小了連續(xù)梁的撓度，這主要是由于預應力CFRP布發(fā)揮了較大的作用，有效的抑制裂縫的開展。未加固梁CB1破壞時撓度可以達到23 mm左右，而縱向側貼預應力CFRP布加固的連續(xù)梁(CB2、CB3、CB4)的撓度在12～14 mm。在荷載52.2 kN作用下連續(xù)梁 CB1、CB2、CB3 和 CB4 的撓度分別為 3.65 mm、1.81 mm、1.72 mm、1.45 mm。雖然采用預應力 CFRP布加固，連續(xù)梁脆性增加，但破壞前仍具有較為明顯的變形。

2.2.3 裂縫開展情況

表4列出了各連續(xù)梁在不同荷載下的加載點A和B處最大裂縫寬度。預應力CFRP布加固能有效的抑制連續(xù)梁裂縫的開展，減小了裂縫寬度。預應力加固連續(xù)梁裂縫表現(xiàn)為細而密，其受力性能得到了有效的改善。

表4 不同荷載下的裂縫寬度

3 有限元分析

借助有限元分析軟件ABAQUS進行了非線性有限元模擬，對實驗數(shù)據(jù)的可靠性進行驗證，同時為今后進一步開展縱向側貼CFRP布加固連續(xù)梁的研究提供參考。

3.1 單元選擇

混凝土采用實體三維單元C3D8R［12］，鋼筋采用 T3D2二節(jié)點桁架單元［13］，CFRP布采用M3D4R單元。該模型的材料涉及混凝土、鋼筋和CFRP布，為了非線性分析更容易收斂，避免材料之間的粘結關系復雜，而且試驗過程中并未發(fā)現(xiàn)CFRP布出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，因此鋼筋和CFRP布均采用嵌入(Embedded Region)的方式保證混凝土與鋼筋、CFRP布與混凝土之間協(xié)同工作。

3.2 模型建立

本文建立的ABAQUS有限元模型如圖7所示。該模型采用了混凝土損傷塑性(Concrete Damage Plasticity，CDP)模型，混凝土本構關系參見文獻［13］;鋼筋采用彈塑性二折線模型［14］，CFRP布應力應變曲線基本保持線性，從初始加載至拉斷破壞基本處于線彈性狀態(tài)，沒有發(fā)生塑性變形，無屈服點，CFRP布為線彈性模型。

圖7 有限元模型

在鋼筋混凝土連續(xù)梁支座位置設置了剛性墊塊，用來防止支座位置出現(xiàn)應力集中。在剛性墊塊下底面中線進行約束，將中間支座3個平動方向自由度限制為零，即U1=U2=U3=0，左支座、右支座限制X和Y方向的平動自由度為0，即U1=U2=0。

3.3 有限元計算結果分析

3.3.1 變形對比分析

連續(xù)梁加載點A處撓度有限元分析值與試驗值對比圖如圖8所示。由圖8可見，實驗結果和有限元分析結果吻合比較好，說明利用ABAQUS對側貼CFRP布加固鋼筋混凝土連續(xù)梁的非線性有限元模擬分析荷載-變形關系是一種可行的方法，對加固試驗研究可以提供一定的參考，對試驗承載能力有較好的預估，同時也可以合理選擇加載設備裝置。

圖8 各連續(xù)梁荷載-撓度對比曲線

3.3.2 承載能力對比分析

表5列出了連續(xù)梁受彎承載力有限元和試驗對比值，其中屈服荷載為加載點A和B處最小值。各連續(xù)梁屈服荷載相對偏差小于9%，而極限荷載相對偏差小于7%。

表5 受彎承載力試驗值與模擬值對比

3.3.3 預應力水平

連續(xù)梁CB2，CB3和CB4在整個受力過程的荷載-撓度變化曲線如圖9所示。

圖9 預應力CFRP布加固連續(xù)梁荷載-撓度曲線

從有限元分析結果圖9可以看出:隨著預應力水平的提高，連續(xù)梁的抗彎剛度有一定的提高。其中連續(xù)梁進入屈服荷載以前，剛度提高并不大;屈服荷載以后，剛度提高幅度有一定的提高。

4 結論

實際加固工程中，當連續(xù)梁底有障礙物，難以實現(xiàn)在梁底粘貼CFRP布時，在連續(xù)梁的受拉區(qū)縱向對稱側貼預應力CFRP布進行加固有效。

(1)負載作用下，縱向側貼預應力CFRP布能提高連續(xù)梁的剛度，減少其撓度和裂縫寬度，對CFRP布施加預應力越大，剛度提高越高，更有效的抑制了裂縫的發(fā)展。

(2)負載作用下，側貼預應力CFRP布加固連續(xù)梁能顯著提高加固梁的屈服荷載和極限荷載，并且預應力越大屈服荷載提高效果更為顯著。加固后連續(xù)梁屈服荷載能提高56.3% ～72.3%，極限荷載能提高61.2%。

(3)采用CFRP布U型箍錨固縱向預應力CFRP布效果良好。

(4)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS對試驗梁進行數(shù)值模擬，表明計算所得預應力CFRP布加固鋼筋混凝土連續(xù)梁的承載能力、荷載-撓度曲線具有較高的精度，與試驗吻合較好，可以為試驗提供參考。

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