李才平，曾祥蓉，王仲剛，陳 進(jìn)

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶 401311)

將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP)粘貼于鋼筋混凝土構(gòu)件受拉部位，協(xié)同鋼筋受力以增強(qiáng)構(gòu)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(diǎn)［1～4］。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)CFRP布加固鋼筋混凝土梁的研究主要集中在簡(jiǎn)支構(gòu)件方面，而對(duì)于混凝土連續(xù)構(gòu)件研究開展比較少［5～8］;并且大部分主要在無負(fù)載作用下進(jìn)行試驗(yàn)［9］，而實(shí)際加固工程中往往是在一定的負(fù)載作用下進(jìn)行的［10］。目前側(cè)貼預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土連續(xù)梁方面的研究尚未見報(bào)道。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，本文通過實(shí)驗(yàn)并輔以ABAQUS非線性有限元分析，對(duì)負(fù)載作用下縱向側(cè)貼預(yù)應(yīng)力CFRP布加固連續(xù)梁受彎性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試件制作及材料參數(shù)

試驗(yàn)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(zhǎng)度為4 m，計(jì)算跨度為1.89 m，梁橫截面尺寸為150 mm×300 mm。跨中及中間支座的全部縱向受力鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋，下部受力鋼筋通長(zhǎng)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(jí)鋼筋，其中架力鋼筋采用2 8鋼筋，箍筋采用8@100并通長(zhǎng)配置。

試驗(yàn)梁均采用C30商品混凝土，立方體抗壓強(qiáng)度平均值為47.8 MPa，彈性模量為29.4 GPa。加固用的 CFRP布型號(hào)為FCS-C1-30。鋼筋和CFRP布的力學(xué)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(fù)載F(圖2所示)為24.7 kN的條件下，對(duì)每跨梁底兩側(cè)面的縱向CFRP布分別施加不同預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固。CFRP布粘貼方案如圖2所示，其中:中間支座兩側(cè)面?zhèn)荣NCFRP布長(zhǎng)度與中間支座處腹筋等長(zhǎng)，縱向CFRP布高度及CFRP布U形箍寬度均為100 mm?？v向CFRP布端部采用4個(gè)寬度為100 mm間隔30 mm的加密U形CFRP布箍進(jìn)行端部錨固。

表1 鋼筋和CFRP布的力學(xué)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(yàn)方案

試驗(yàn)采用液壓伺服千斤頂施加豎向荷載，通過兩級(jí)分配梁將豎向荷載傳遞到試驗(yàn)構(gòu)件的三分點(diǎn)對(duì)連續(xù)梁進(jìn)行加載。通過液壓伺服千斤頂傳感器控制加載速率和分級(jí)加載大小，每級(jí)加載結(jié)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)主要量測(cè)內(nèi)容有:各級(jí)荷載作用下的鋼筋應(yīng)變;混凝土應(yīng)變;CFRP布應(yīng)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(zhǔn)備8塊(4對(duì))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(dá)到強(qiáng)度后，安裝在梁底的兩側(cè)待張拉，在鋼板預(yù)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(yù)應(yīng)力大小。預(yù)應(yīng)力張拉現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，預(yù)應(yīng)力張拉裝置如圖4所示。待張拉結(jié)束后，維持初始荷載作用進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后，兩端同時(shí)放張CFRP布，然后對(duì)中間支座處的下部縱向側(cè)貼CFRP布進(jìn)行截?cái)唷?/p>

圖4 預(yù)應(yīng)力張拉裝置

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)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(diǎn)A或右跨第一加載點(diǎn)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(diǎn) 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(diǎn)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(yàn)結(jié)果

2.2.1 承載能力

各試驗(yàn)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(diǎn)A(或B)處的屈服荷載分別提高了56.3%、64.3%、72.3%?？梢婎A(yù)應(yīng)力水平越高，屈服荷載提高幅度越大，這是由于鋼筋屈服時(shí)CFRP布發(fā)揮了較高的強(qiáng)度，特別是預(yù)應(yīng)力越大，鋼筋屈服時(shí)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(shí)加載點(diǎn)A或B處的CFRP布充分發(fā)揮了其高強(qiáng)性能，CFRP布達(dá)到了極限強(qiáng)度被拉斷。

根據(jù)《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固后，其正截面受彎承載力提高幅度不應(yīng)超過40%［11］。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用側(cè)貼預(yù)應(yīng)力CFRP布加固完全可以達(dá)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(diǎn)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(yù)應(yīng)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(shí)撓度可以達(dá)到23 mm左右，而縱向側(cè)貼預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(diǎn)A和B處最大裂縫寬度。預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力加固連續(xù)梁裂縫表現(xiàn)為細(xì)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(jìn)行了非線性有限元模擬，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)為今后進(jìn)一步開展縱向側(cè)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(shí)體三維單元C3D8R［12］，鋼筋采用 T3D2二節(jié)點(diǎn)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(jié)關(guān)系復(fù)雜，而且試驗(yàn)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(gòu)關(guān)系參見文獻(xiàn)［13］;鋼筋采用彈塑性二折線模型［14］，CFRP布應(yīng)力應(yīng)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(diǎn)，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(shè)置了剛性墊塊，用來防止支座位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。在剛性墊塊下底面中線進(jìn)行約束，將中間支座3個(gè)平動(dòng)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(dòng)自由度為0，即U1=U2=0。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 變形對(duì)比分析

連續(xù)梁加載點(diǎn)A處撓度有限元分析值與試驗(yàn)值對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果吻合比較好，說明利用ABAQUS對(duì)側(cè)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(guān)系是一種可行的方法，對(duì)加固試驗(yàn)研究可以提供一定的參考，對(duì)試驗(yàn)承載能力有較好的預(yù)估，同時(shí)也可以合理選擇加載設(shè)備裝置。

圖8 各連續(xù)梁荷載-撓度對(duì)比曲線

3.3.2 承載能力對(duì)比分析

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

表5 受彎承載力試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

3.3.3 預(yù)應(yīng)力水平

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

圖9 預(yù)應(yīng)力CFRP布加固連續(xù)梁荷載-撓度曲線

從有限元分析結(jié)果圖9可以看出:隨著預(yù)應(yīng)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(jìn)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(jié)論

實(shí)際加固工程中，當(dāng)連續(xù)梁底有障礙物，難以實(shí)現(xiàn)在梁底粘貼CFRP布時(shí)，在連續(xù)梁的受拉區(qū)縱向?qū)ΨQ側(cè)貼預(yù)應(yīng)力CFRP布進(jìn)行加固有效。

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

(2)負(fù)載作用下，側(cè)貼預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力CFRP布效果良好。

(4)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行數(shù)值模擬，表明計(jì)算所得預(yù)應(yīng)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(yàn)吻合較好，可以為試驗(yàn)提供參考。

［1］徐福泉，杜德杰.碳纖維用于鋼筋混凝土梁受彎加固的試驗(yàn)研究［J］.工程抗震與加固改造，2011，33(4):42-48.

［2］高仲學(xué)，王文煒，黃 輝.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力計(jì)算［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，43(1):195-202.

［3］Kim Y J，Green M F，Wight R G.Bond and shortterm prestress losses of prestressed composites for strengthening PC beams with integrated anchorage［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2010，29(9):1277-1294.

［4］Huang Lihua，Li Yujing，Wang Yuefang.Strengthening effects of BFRP on reinforced concrete beams［J］.Journal of Southeast University(English Edition)，2013，29(2):182-186.

［5］劉 益，趙 金.淺析碳纖維復(fù)合材料(CFRP)在土木工程加固中的應(yīng)用［J］.中國(guó)西部科技，2012，11(4):49-50.

［6］董江峰，王清遠(yuǎn)，何 東，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的試驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28(5):521-526.

［7］程?hào)|輝，易亞敏，王天峰.碳纖維布加固混凝土連續(xù)梁塑性性能試驗(yàn)及有限元分析［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32(3):27-32.

［8］程?hào)|輝，王天峰，易亞敏.碳纖維布加固連續(xù)梁力學(xué)性能試驗(yàn)及分析［J］.工業(yè)建筑，2011，41(10):25-28.

［9］鄧?yán)誓?，?華，燕柳斌，等.側(cè)貼預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(5):28-34.

［10］熊學(xué)玉，范新海.負(fù)載對(duì)CFRP及CFRP與鋼板復(fù)合加固R.C梁抗彎性能的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，41(6):2393-2399.

［11］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［12］劉勁松，劉紅軍.ABAQUS鋼筋混凝土有限元分析［J］.裝備制造技術(shù)，2009，(6):69-70.

［13］羅 文，陳 進(jìn)，謝 孝，等.梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的ABAQUS非線性有限元分析［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，28(6):8-14.

［14］王 麗，鄧思華.基于ABAQUS的混凝土梁受彎破壞實(shí)驗(yàn)非線性分析［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(1):64-67.