趙少偉，劉福鑫，代東輝,2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.山東朗建城市設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺 264003）

研究開發(fā)碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)加固補(bǔ)強(qiáng)新技術(shù)，它因具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕、施工便捷、工期短、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1].外貼CFRP片材對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是CFRP加固技術(shù)的一項(xiàng)重要措施[2-8].梅力彪等[9]闡述了復(fù)合材料碳纖維板與混凝土的有效粘接長度和界面抗剪粘接強(qiáng)度問題，為防止碳纖維板加固混凝土梁剝離破壞提供參考.Paul JFanning[10]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)CFRP板在降低梁受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變和減小中和軸高度方面發(fā)揮了很好的作用，并且提高了試驗(yàn)梁各方面的工作性能.Spadea G，Swamy R N，Bencardino F等[11]分析了不同的錨固措施對CFRP板加固結(jié)構(gòu)梁在延性、剛度等方面的影響，使人們認(rèn)識到了錨固方式的重要性為以后不同錨固方式的研究奠定了基礎(chǔ).丁亞紅，曾憲桃等[12]開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的嵌貼加固研究，分析了不同加固方法所對應(yīng)的碳纖維板的利用效率.本文主要研究在自主研發(fā)的一套錨具的基礎(chǔ)上，研究CFRP板的不同的錨固方式對試驗(yàn)梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的影響，分析CFRP板的不同的錨固方式與混凝土受壓區(qū)應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、CFRP板的利用效率的關(guān)系，比較加固梁的不同錨固方式，總結(jié)CFRP板不同錨固方式對試驗(yàn)梁延性、剛度、裂縫等使用性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用了4根矩形截面簡支梁,其中1根為對比梁，不進(jìn)行加固，其余3根為加固梁.截面尺寸× =250mm×350mm，全長3 800mm，計(jì)算跨度3 600mm.混凝土強(qiáng)度等級為C40，梁底主筋強(qiáng)度等級為HRB335級，鋼筋直徑為22mm；架立筋強(qiáng)度等級為HRB335級，鋼筋直徑為12mm；箍筋均采用HPB235級鋼筋，通長布置，保證試驗(yàn)梁不會由于抗剪承載力不足而發(fā)生破壞，即保證構(gòu)件加固前后均發(fā)生彎曲破壞.試驗(yàn)梁具體加固設(shè)計(jì)見表1，梁端錨具及現(xiàn)場加固圖見圖1，試驗(yàn)梁加固情況詳圖見圖2.

表1 加固情況對比表Tab.1 The comparison of reinforcement

圖1 梁端錨具及現(xiàn)場加固圖Fig.1 Thebeam end anchorageand locale reinforcement fig ure

圖2 試驗(yàn)梁加固情況詳圖Fig.2 The reinforcement figureof experimentalbeam

1.2 材料性能

本試驗(yàn)所采用50mm寬的CFRP板14mm厚的鋼板壓條對加固梁進(jìn)行加固，對它們進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，所得力學(xué)參數(shù)分別見表2，表3.

1.3 加載方案及測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方式，加載點(diǎn)間距120 mm，正式加載前，進(jìn)行預(yù)加載，檢查試驗(yàn)儀器是否安置穩(wěn)定，儀器是否能夠正常工作.正式加載時，小于50%試算開裂荷載時采用10 kN/級進(jìn)行加載，大于50%試算開裂荷載后改為2 kN/級進(jìn)行加載.截面開裂后小于70%試算屈服荷載時采用5 kN/級進(jìn)行加載，直至構(gòu)件破壞.梁加載示意圖見圖3，實(shí)景見圖4.

表2 碳纖維板力學(xué)性能Tab.2 TheMechanicalpropertiesof CFRPplate

表3 鋼板壓條力學(xué)性能Tab.3 TheMechanicalpropertiesof steelplate layering

圖3 加載示意圖Fig.3 The test loading schematic

圖4 加載實(shí)景Fig.4 The live-action of loading

為獲得荷載作用下沿梁高混凝土的應(yīng)變，分別在試驗(yàn)梁的跨中、三分點(diǎn)處梁底分別粘貼電阻應(yīng)變片以測量梁底混凝土拉應(yīng)變，并在三分點(diǎn)和跨中梁頂粘貼兩個電阻應(yīng)變片測量三分點(diǎn)和跨中梁頂混凝土壓應(yīng)力，在梁側(cè)等間距粘貼6個電阻應(yīng)變片.鋼筋應(yīng)變片的粘貼在試驗(yàn)梁澆筑混凝土之前已經(jīng)完成，粘貼位置為三分點(diǎn)和跨中的梁底主筋.為了測量粘結(jié)剪應(yīng)力的分布，加固梁在CFRP板上布置了數(shù)量較多的應(yīng)變片，具體布置為自試件碳纖維板固定端錨具起500mm內(nèi)布置5×3mm應(yīng)變片5個，應(yīng)變片間距100mm，定義為錨固區(qū)域，錨固區(qū)域之外的位置布置5×3 mm的應(yīng)變片10個，間距為300 mm.為監(jiān)測試驗(yàn)過程中梁體變形情況，試驗(yàn)進(jìn)行前，預(yù)先在試驗(yàn)梁支座處、三分點(diǎn)、跨中各架設(shè)一塊百分表.測點(diǎn)布置圖見圖5、圖6.

圖5 混凝土應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.5 The strainmeasuring points figureof concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)自主設(shè)計(jì)了一種綜合膠體粘結(jié)、鋼板夾持、CFRP板穿孔的混合錨固方式的碳纖維板梁端錨固裝置，很好的抑制了碳纖維板的滑移和剝離.試驗(yàn)時實(shí)測了構(gòu)件跨中位置沿截面高度應(yīng)變的變化可知構(gòu)件截面基本符合平截面假定，試驗(yàn)過程圖見圖7.

圖7 試驗(yàn)過程圖Fig.7 Theexperimentalprocess figure

2.1 試件的承載力分析

試驗(yàn)梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載見表4.由表中數(shù)據(jù)知，CFRP板加固后的混凝土梁的開裂荷載略有提高，但不顯著.然而屈服荷載和極限荷載相對于對比梁卻有不同程度的提高且效果顯著，提高幅度在30%左右.說明碳纖維板在加載初期沒有發(fā)揮多大作用，因?yàn)樘祭w維板的彈性模量較鋼筋低而抗拉強(qiáng)度高，故其發(fā)揮強(qiáng)度需要很大的變形.在試驗(yàn)梁開裂前，碳纖維板變形很小故對開裂荷載提高很少，而在試驗(yàn)梁屈服和破壞時，碳纖維板已經(jīng)有很大變形，其對試驗(yàn)梁的屈服荷載和極限荷載提高也變的明顯.而對比加固梁，經(jīng)分析可知U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式在提高試驗(yàn)梁承載力方面效果越來越好.

2.2 鋼筋、混凝土及碳纖維板應(yīng)變分析

圖8為試驗(yàn)梁的荷載—鋼筋應(yīng)變曲線，從整體看加固梁的屈服、極限荷載都得到提高，L0、L1、L2、L3在限制鋼筋應(yīng)變增長方面作用依次增強(qiáng)，L3內(nèi)嵌式效果最好.從局部分析，混凝土開裂前的彈性階段曲線幾乎重合，說明加固后對開裂前階段鋼筋的應(yīng)變影響小，試驗(yàn)梁的開裂荷載變化不明顯.L0先進(jìn)入開裂到屈服階段，說明碳纖維板延緩了梁的開裂.而曲線的斜率可以反映出碳纖維板加固梁鋼筋應(yīng)變的增長速率，L3斜率明顯比其他大，說明碳纖維板承擔(dān)的拉力大，鋼筋的應(yīng)變相對小些并且從另一面進(jìn)一步證明了對屈服荷載提高最大.在進(jìn)入屈服到破壞階段，加固后的梁的荷載繼續(xù)增加的同時應(yīng)變增長相對前一階段明顯緩慢，而對比梁在荷載幾乎不變的情況下鋼筋應(yīng)變持續(xù)增加，說明鋼筋屈服后碳纖維板在承擔(dān)彎矩和抵抗鋼筋應(yīng)變增長方面作用明顯.

圖9為試驗(yàn)梁跨中梁頂荷載—混凝土壓應(yīng)變曲線，由圖可以看出加固后的試驗(yàn)梁混凝土受壓區(qū)應(yīng)變增長速度降低，說明碳纖維板自身承擔(dān)了部分拉力有效的限制了混凝土受壓區(qū)高度的減小，抑制了混凝土壓應(yīng)變的增長.L0、L1、L2、L3曲線斜率增加，說明了碳纖維板自身承擔(dān)的拉力依次增加，反映了U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式在抑制混凝土壓應(yīng)變方面效果依次增強(qiáng).

圖10是試驗(yàn)梁的荷載-CFRP板拉應(yīng)變曲線，每條曲線也分為3段.梁開裂前，曲線斜率較大即碳纖維板應(yīng)變增長緩慢，此情形由開裂前試驗(yàn)梁變形較小，碳纖維板所提供的拉應(yīng)力較小所致.混凝土開裂后，曲線斜率下降，說明碳纖維板的拉應(yīng)力增加速度變快，因?yàn)榇穗A段試驗(yàn)梁變形較大.當(dāng)屈服后，曲線斜率再次減小，反映出碳纖維板的拉應(yīng)變增加速度再次提高.而在相同荷載下，L3的應(yīng)變最大，說明碳纖維板承擔(dān)的應(yīng)力最大，發(fā)揮的作用最大，因此內(nèi)嵌式加固方式效果最好.

表4 承載力對比表Tab.4 The loading capacity comparison table

圖8 荷載—鋼筋應(yīng)變曲線Fig.8 The loads-steel tensile strain curve

圖9 荷載—混凝土壓應(yīng)變曲線Fig.9 The loads-concrete compressive strain curve

圖10 荷載-CFRP板拉應(yīng)變曲線Fig.10 The loads-CFRPplate tension strain curve

2.3 剛度、延性分析

圖11 描述的是試驗(yàn)過程中試驗(yàn)梁跨中荷載-撓度曲線.內(nèi)嵌式錨固加固梁，碳纖維板除了用結(jié)構(gòu)膠黏貼外，還在底部用混凝土回填覆蓋，后澆的混凝土能有效的抑制加載后期試驗(yàn)梁底碳纖維板的剝離.而鋼板壓條式錨固加固梁的CFRP板除了用結(jié)構(gòu)膠黏貼外，沿梁長每隔一段距離通過鋼板錨固碳纖維板，通過擰緊高強(qiáng)螺栓對CFRP板施加壓力，相對于U型箍錨固對抑制后期碳纖維板的剝離效果更好.從圖中可以看出試驗(yàn)梁屈服后，同一荷載對應(yīng)的撓度內(nèi)嵌式錨固梁明顯小于其他梁，鋼板壓條式和U型箍式錨固梁撓度相差不大居于其后.因此加固后的梁明顯的提高了梁的后期剛度，減小了試件的變形.

表5記錄的是試驗(yàn)梁跨中撓度的變化.鋼筋屈服后，試驗(yàn)梁的撓度值反映了延性的大小，從表中可以看出加固后的梁的延性都不同程度降低，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌式錨固梁的延性最好，其次是鋼板壓條，最后是U型箍錨固.

2.4 裂縫分析

由表6可以看出L0對比梁與L1加固梁的裂縫開展范圍、總間距、平均裂縫間距和裂縫總條數(shù)變化不大.而L2、L3加固梁的裂縫開展范圍、總間距和裂縫總條數(shù)明顯增大的同時平均裂縫間距卻明顯減小.構(gòu)件產(chǎn)生裂縫少，局部變形大極易在薄弱區(qū)造成應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞.相比之下裂縫分布范圍廣，間距大，平均間距小，總條數(shù)多有利于結(jié)構(gòu)的整體變形和延性的增加，避免了局部脆性破壞.因此內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固方式在提高結(jié)構(gòu)耐久性的同時滿足了結(jié)構(gòu)正常使用功能.

圖11 荷載-跨中撓度對比圖Fig.11 The comparison of loads-m idspan deflection curve

表5 撓度對比表Tab.5 The deflection comparison table

表6 裂縫對比表Tab.6 The crack comparison table

2.5 CFRP板強(qiáng)度利用率分析

碳纖維為線彈性材料，因此可以通過變形比反應(yīng)強(qiáng)度比，了解在不同階段碳纖維分別發(fā)揮強(qiáng)度的程度.表7給出了碳纖維在構(gòu)件開裂、屈服及破壞時的應(yīng)變，并將這些數(shù)據(jù)與碳纖維材料的極限拉應(yīng)變進(jìn)行比較.從表中可以看出構(gòu)件開裂時，各構(gòu)件碳纖維板的利用率分別為0.5%、1.5%、1.3%，碳纖維板的強(qiáng)度利用率較低，幾乎沒有發(fā)揮作用.屈服時，各試件碳纖維板強(qiáng)度利用率分別為8.7%、12.5%、14.8%，試件破壞時CFRP板的強(qiáng)度利用率分別為28.3%、35.2%、35.4%，從L1到L3碳纖維板強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，從而利用率依次增加，而碳纖維板發(fā)揮強(qiáng)度主要在屈服和破壞階段，因此內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固法在發(fā)揮碳纖維板效率方面優(yōu)于U型箍錨固法.

表7 碳纖維板應(yīng)變對比表Tab.7 The strain of CFRPplate comparison table

3 結(jié)論

1）CFRP板加固混凝土梁的開裂荷載略有提高但不顯著，但U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式相對于對比梁對屈服荷載分別提高了17.8%、28.9%、33.3%，而對極限荷載卻分別有17.7%、22.6%、27.4%的提高幅度，并且有效地緩解了鋼筋拉應(yīng)力和受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力的增長.經(jīng)分析比較，內(nèi)嵌式錨固方式效果最為明顯，其次是鋼板壓條式，最后是U型箍式.

2）CFRP板提高了混凝土梁的后期剛度，減小了構(gòu)件的變形，卻不同程度的降低了延性，除此之外CFRP板的利用效率也發(fā)生變化.相比之下，內(nèi)嵌式錨固的梁剛度最大，延性最好，碳板利用率達(dá)到35.4%；鋼板壓條式錨固和U型箍式錨固的梁剛度相差不大而鋼板壓條式錨固延性較好，碳纖維板利用率依次降為35.2%和28.3%.

3）在增加裂縫分布范圍，減小裂縫平均間距和有利于結(jié)構(gòu)整體變形方面，內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固梁優(yōu)于U型箍式錨固梁和對比梁.

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