預應力CFRP布加固負載混凝土梁受剪性能試驗

程東輝，榮 威，周 威

(1.東北林業(yè)大學 土木工程學院，150040哈爾濱，chengdonghui2000@126.com;2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，150090哈爾濱)

碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer sheet，簡稱CFRP布)因具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕和彈性模量高等特點，可以利用其對混凝土構(gòu)件進行加固，延長混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命與使用性能.文獻[1－3]表明:采用CFRP布加固的混凝土構(gòu)件，裂縫出現(xiàn)與開展得到抑制、變形受到約束，從而承載力和剛度得到提高.但是相關(guān)研究也表明[4－11]:實際工程中所需加固的混凝土構(gòu)件通常處于負載狀態(tài)，利用CFRP布黏貼加固后，在隨后的二次受力過程中，CFRP布應力始終滯后于構(gòu)件中的混凝土與受力鋼筋的應力，處于被動受力狀態(tài)，需構(gòu)件產(chǎn)生較大變形才能充分發(fā)揮CFRP布高強特點，影響了結(jié)構(gòu)的正常使用.

針對這一問題，有研究者提出對CFRP布預先張拉后再對構(gòu)件進行加固，并開展了預應力CFRP 布加固混凝土受彎構(gòu)件的研究[12－16].文獻[14－16]表明:采用預應力CFRP布加固的混凝土梁，CFRP布由被動受力變?yōu)橹鲃邮芰?，CFRP布前期參與受力程度明顯提高，能夠充分發(fā)揮CFRP布強度高的特點.當前預應力CFRP布加固混凝土構(gòu)件的研究還主要集中在鋼筋混凝土梁正截面加固，對預應力CFRP布加固混凝土梁斜截面受剪性能的研究不多，而對負載狀態(tài)下利用預應力CFRP布加固混凝土梁斜截面受剪性能的研究工作尚未開展.本文通過對9根負載狀態(tài)下利用預應力CFRP布加固的混凝土梁和3根普通混凝土梁斜截面受剪性能的試驗，開展預應力CFRP布加固負載混凝土梁受剪性能的研究工作.

1 試驗

1.1 研究思路

首先從3組試件中各選一根試驗梁作為對比梁開展斜截面受剪性能試驗，獲得3根對比梁斜截面受剪承載力、裂縫分布、撓度等試驗數(shù)據(jù).在此基礎上，結(jié)合工程實際情況，對各組其余9根試驗梁分別加載至對比梁極限受剪承載力的0.4倍，持荷狀態(tài)下在加載點與近端支座間設置兩道預應力CFRP布進行加固，待環(huán)氧樹脂膠固化后對試驗梁二次加載直至破壞.

1.2 試驗梁設計

試驗擬采用單點加載，根據(jù)加載點與近端支座間配箍率ρsv(ρsv=nAsv1/(bs)，其中Asv1為單肢箍筋截面積，n為同一截面箍筋肢數(shù)，b、s分別為梁截面寬度和箍筋間距)的不同，設計制作了3組、每組各4根鋼筋混凝土簡支梁.試驗梁截面尺寸均為150 mm×280 mm，試驗梁跨度及配筋如圖1所示.各試驗梁底部均配置4φ20縱向受力鋼筋，箍筋強度等級為HPB235，混凝土強度等級為C20.

1.3 試驗梁的負載加固方案

為解決CFRP布張拉及黏貼難題，試驗過程中研制了一種預應力CFRP布張拉機具，如圖2(a)所示.張拉時將承壓裝置④放置在梁頂，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》(GB50367—2006)(簡稱“加固規(guī)范”)中的相關(guān)規(guī)定在CFRP布表面及所需加固處的混凝土梁底及梁側(cè)涂刷環(huán)氧樹脂膠，利用預壓螺母②提升鋼輥將CFRP布張拉至設計值.待環(huán)氧樹脂膠固化后拆除張拉機具，通過預應力CFRP布的回縮實現(xiàn)對混凝土的預壓.CFRP布張拉力的大小可以通過放置在預壓螺母與承壓裝置間的壓力傳感器進行監(jiān)測.

圖1 試驗梁尺寸及配筋圖

圖2 張拉機具

為考察CFRP布加固方式對受剪承載力的影響，在第3組試件中設置兩種CFRP布加固方式:加固I型和加固II型.加固I型是將張拉后的CFRP布在梁底與梁兩側(cè)黏貼加固，拆除張拉機具后在其末端留長度為50 mm非預應力CFRP布，并將這段CFRP布黏貼于梁頂，如圖3(a)所示;加固II型是將CFRP布張拉后在梁頂處截斷，按《加固規(guī)范》的有關(guān)要求在端部設置800 mm×50 mm寬的普通CFRP布橫向壓條，如圖3(b)所示.

試驗用CFRP布采用日本東麗公司產(chǎn)品:極限拉應力 3 700 MPa，彈性模量 246 GPa，厚度0.111 mm.各試驗梁加載點至近端支座間的配箍率、CFRP布黏貼加固方式、預加載值及CFRP布預拉應力如表1所示.

表1 試驗梁參數(shù)

1.3 加載及測試方案

試驗梁采用單點分級加載，加載點距近端支座800 mm，以每級5 kN加載至試驗梁破壞.

試驗梁采用下列裝置進行數(shù)據(jù)采集:在每片CFRP布上布置若干應變片，用以監(jiān)測試驗過程中CFRP布應力變化;在加載點與近端支座連線處的各肢箍筋表面黏貼應變片，用以監(jiān)測箍筋應力變化;試驗梁加載點、跨中及兩端支座分別設置位移傳感器用以監(jiān)測試驗梁的變形.試驗梁加載及測量裝置如圖4所示.

圖4 加載及測量方案

2 現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

1)預加載階段試驗梁在加載點截面處混凝土因受彎而首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載不斷加大梁腹部有斜裂縫出現(xiàn)，但是裂縫寬度及高度均不大.加載至設定值后持荷，利用預應力CFRP布對試驗梁斜截面進行加固，經(jīng)觀察加固過程對已有裂縫寬度、裂縫高度、箍筋應力及測點撓度沒有顯著影響.

2)在加固后的二次加載過程中，試驗梁表面由于預加載時產(chǎn)生的裂縫在二次加載過程中的寬度和高度均發(fā)展緩慢，且新增裂縫數(shù)量不多.

3)荷載加至一定程度時，CFRP布出現(xiàn)輕微響聲，這是環(huán)氧樹脂膠逐漸開裂造成的;同時在試驗梁加固區(qū)段有一條主斜裂縫從支座附近指向加載點，該裂縫高度及寬度明顯大于其他各條斜裂縫;與此同時梁底混凝土不斷出現(xiàn)因受彎而產(chǎn)生的裂縫.

4)臨近破壞時，主裂縫高度增加較快，而裂縫寬度變化不大;此外預應力CFRP布表面測點的實測數(shù)據(jù)表明，CFRP布中各纖維束應力增量不均勻.

5)破壞時試驗梁出現(xiàn)以下幾種破壞形態(tài):

①3根對比梁的破壞為典型的剪壓破壞，即由于臨界斜裂縫的發(fā)展，壓區(qū)混凝土面積減小，最后在荷載作用下箍筋受拉屈服，混凝土被壓碎;

②采用加固I型的第1組和第2組加固試驗梁破壞時加固區(qū)段箍筋受拉屈服、混凝土被壓碎，導致加固試驗梁斜截面喪失承載力，如圖5(a)所示;而第3組加固試驗梁中YJGL3－a和YJGL3－b的加固區(qū)段混凝土未破壞，另一側(cè)未加固區(qū)段混凝土被壓碎導致試件破壞，如圖5(b)所示.

③采用II型方式加固的試驗梁YJGL3－c，梁側(cè)混凝土在荷載與預應力CFRP布共同作用下處于復合受力狀態(tài)，隨著荷載增加CFRP布橫向壓條的錨固作用很快消失，預應力CFRP布向外側(cè)裂開，梁側(cè)混凝土由于粘結(jié)力的作用而剝落，削弱了試驗梁受剪截面，反而降低構(gòu)件受剪承載力，試驗梁破壞時的狀態(tài)如圖6所示.

圖5 加固I型試驗梁破壞形態(tài)

圖6 加固II型試驗梁破壞形態(tài)

2.2 試驗梁的變形

圖7 荷載－跨中撓度曲線

由圖7給出的3組試驗梁荷載－跨中撓度曲線可以看出:各加固試驗梁在預加載階段的跨中變形與未加固試驗梁相應加載階段的變形曲線一致.利用預應力CFRP布對斜截面加固后，加固試驗梁在二次受力過程中，撓度曲線的斜率增大，說明加固試驗梁正截面剛度有所增加.

2.3 試驗結(jié)果

表2給出了各試驗梁正截面開裂荷載、斜裂縫出現(xiàn)荷載、極限荷載等主要試驗結(jié)果.

表2 試驗結(jié)果

3 試驗分析

3.1 裂縫開展

圖8以第I組試驗梁為例給出了裂縫分布狀況.可以看出:對比梁達到受剪承載力極限狀態(tài)時，在支座與加載點間形成了貫通的主斜裂縫，而其余斜裂縫高度不大.對比梁是由于主斜裂縫不斷發(fā)展導致壓區(qū)混凝土受壓面積減小、最終達到極限抗壓強度而破壞.而3根加固試驗梁雖然在預加載過程中已經(jīng)產(chǎn)生斜裂縫，但是由于預應力CFRP布的約束作用，限制了已有裂縫的發(fā)展，制約了新裂縫的出現(xiàn)，增大了混凝土受壓區(qū)面積，進而提高了加固試驗梁二次受力后斜截面受剪承載力.加固試驗梁的破壞是由于荷載的不斷加大導致壓區(qū)混凝土達到極限強度從而喪失承載力.

圖8 第I組試驗梁加固區(qū)段裂縫圖

3.2 箍筋與預應力CFRP布的協(xié)同受力

圖9給出了在預應力CFRP布張拉應力相同、配箍率不同的情況下3根加固試驗梁加載過程中箍筋與CFRP布應力增量變化曲線.可以看出:加固試驗梁在加固前的預加載過程中，箍筋應力增加不大，而在加固后二次受力過程中，初始階段箍筋能夠與預應力CFRP布協(xié)同受力，后期隨著預應力CFRP布對裂縫發(fā)展限制作用的增大，CFRP布的應力增量明顯大于箍筋的應力增量(圖9(a)、(b))，說明這一階段預應力CFRP布承擔了二次加載過程中的大部分剪力;另一方面，對于預加載值比較大的YJGL1－c試驗梁，預加載階段箍筋應力較大，試驗梁二次受力過程后，預應力CFRP布應力增長較快，分擔了箍筋應力，使試驗梁破壞時箍筋應力未達到屈服強度，如圖9(c)所示.

圖9 箍筋應力與CFRP布應力增量關(guān)系

3.3 預應力CFRP布加固形式對承載力的影響

第3組試驗梁設置了兩種CFRP布張拉黏貼方式:加固I型和加固II型.試驗結(jié)果表明:加固I型中CFRP布末端非預應力黏貼段起到了良好的錨固作用，加載過程使預應力CFRP布能夠保持良好的工作狀態(tài)，直至加固試驗梁破壞時CFRP布仍未與混凝土剝離.而加固II型雖有橫向壓條存在，但對預應力CFRP布的錨固作用不大，梁側(cè)混凝土在荷載和預應力CFRP布的作用下很快剝落，削弱了試驗梁受剪截面，降低了受剪承載力.

3.4 CFRP布預拉應力對受剪承載力的影響

由表2的試驗結(jié)果可以看出:對于配箍率較低的第1組試驗梁，利用預應力CFRP布對負載試驗梁斜截面加固后，極限受剪承載力的提高幅度β隨CFRP布預拉應力的增加而增大;而對配箍率相對較高的第2組試驗梁，利用預應力CFRP布對負載試驗梁斜截面加固后，β隨CFRP布預拉應力的增加反而降低.說明在低配箍率情況下利用預應力CFRP布對混凝土梁斜截面進行加固效果較好.

4 結(jié)論

1)負載狀態(tài)下對混凝土梁斜截面利用預應力CFRP布加固后，在混凝土梁二次受力過程中，預應力CFRP布能夠顯著提高混凝土梁斜截面極限受剪承載力，延緩裂縫發(fā)展.

2)利用預應力CFRP布加固負載混凝土梁，在二次受力過程中改變了以往CFRP布加固后的被動受力狀態(tài)，充分發(fā)揮了CFRP布強度高的特點.

3)預應力CFRP布加固負載混凝土梁斜截面極限受剪承載力與CFRP布張拉應力有關(guān):配箍率較低時，斜截面受剪極限承載力提高幅度隨CFRP布預拉應力的提高而增大，反之則減小.

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