CFRP 加固鋼筋混凝土T 形梁抗剪性能試驗(yàn)研究

石風(fēng)俊，李軍鋒，曲福來(lái)，杜中華

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

在實(shí)際工程中，很多原因會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土梁的抗剪能力不足.而剪切破壞是脆性破壞，因此應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行加固，以防止發(fā)生剪切破壞.在所有的加固材料中，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的性能而廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固中［1］.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土T 形梁的影響因素進(jìn)行了研究.結(jié)果表明當(dāng)加固量達(dá)到一定程度時(shí)，抗剪承載力的提高程度與加固量的增加不成正比，且加固后梁的脆性明顯增加［2－3］.

為了模擬實(shí)際工程中梁受荷載作用存在裂縫的受力狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作了一批鋼筋混凝土梁對(duì)其進(jìn)行預(yù)裂后再采用碳纖維布(CFRP)加固，通過(guò)加載試驗(yàn)研究其抗剪性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了6 根鋼筋混凝土T 形梁，長(zhǎng)度為2 300 mm，縱向受力鋼筋為HRB335 級(jí)鋼筋，箍筋為HPB235級(jí)鋼筋、間距200 mm.鋼筋材料性能見(jiàn)表1，梁試件的截面尺寸設(shè)計(jì)如圖1 所示.在澆筑構(gòu)件的同時(shí)預(yù)留了150 mm × 150 mm × 150 mm 和150 mm ×150 mm×300 mm 的伴隨試塊.試塊與混凝土梁在相同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在構(gòu)件試驗(yàn)當(dāng)天測(cè)得混凝土的實(shí)際抗壓和抗拉強(qiáng)度.混凝土原材料采用普通硅酸鹽水泥，普通河砂，連續(xù)級(jí)配的碎石(最大粒徑20 mm)，混凝土的強(qiáng)度為C50.

表1 鋼筋力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及配筋(單位:mm)

1.2 鋼筋混凝土T 梁的預(yù)裂

為了模擬實(shí)際工程中梁的受力狀態(tài)，在加固前對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行了預(yù)裂.采用三分點(diǎn)集中加載方式，預(yù)裂荷載以梁的極限承載為參照，輔以計(jì)算調(diào)整因混凝土強(qiáng)度造成的變化，預(yù)裂荷載以極限荷載的75%和最大裂縫寬度不超過(guò)0.2 mm 加以控制［4］.試驗(yàn)梁的實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載Pcr、預(yù)裂荷載Pre以及預(yù)裂裂縫的分布統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)(條數(shù)、平均寬度lcr和最大高度hcr，按A/B 面統(tǒng)計(jì))見(jiàn)表2.因?yàn)槠渲幸桓鶎?duì)比梁在運(yùn)輸過(guò)程中損壞了，所以只剩下一根對(duì)比梁.

表2 試驗(yàn)梁混凝土強(qiáng)度及預(yù)裂荷載主要測(cè)試結(jié)果

1.3 加固設(shè)計(jì)與加載試驗(yàn)

CFRP 性能指標(biāo)見(jiàn)表3.對(duì)CFRP 粘貼面和棱角進(jìn)行打磨處理，參照GB 50367—2006 對(duì)加固梁進(jìn)行設(shè)計(jì)［5］.為了防止梁先發(fā)生正截面破壞，沿梁跨長(zhǎng)方向增加CFRP 布置，寬度為120 mm.U 形箍的尺寸和粘貼方式見(jiàn)表4，其加載位置如圖2 所示.為了充分發(fā)揮U 型箍的強(qiáng)度在U 型箍端部加纖維壓條.

表3 CFRP 的性能指標(biāo)

表4 試驗(yàn)梁的加固情況

試驗(yàn)梁的加載采用三分點(diǎn)集中加載，如圖2 所示.加載至預(yù)裂荷載后，以每級(jí)16 kN 加載到極限荷載附近，然后以每級(jí)8 kN 加載至構(gòu)件破壞.在梁的剪跨區(qū)布置6 個(gè)應(yīng)變片、在翼緣受壓區(qū)布置5 個(gè)應(yīng)變片、在受拉區(qū)布置一個(gè)應(yīng)變片測(cè)量混凝土的應(yīng)變，在纖維布和U 形箍上布置鋼筋應(yīng)變片測(cè)量纖維布的應(yīng)變，在梁的兩端支座處、加載點(diǎn)處和跨中底部各布置1 個(gè)位移計(jì)以測(cè)量梁的撓度.

圖2 加載位置及測(cè)點(diǎn)分布(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

梁的裂縫分布與破壞形態(tài)如圖3 所示.可見(jiàn)加固梁的破壞特征與對(duì)比梁的破壞特征存在較大差異.當(dāng)加載到極限荷載的約23%時(shí)出現(xiàn)第一條彎曲裂縫，加載到極限荷載的27%時(shí)出現(xiàn)第一條剪切裂縫.繼續(xù)加載，剪切裂縫不斷增加，當(dāng)梁破壞時(shí)剪跨區(qū)有幾條主斜裂縫.

在達(dá)到預(yù)裂極限荷載之前，未出現(xiàn)新裂縫，原裂縫隨著荷載的增加而增大，L3－1 和L3－2、L5－1 和L5－2 分別在極限荷載的32%和44%出現(xiàn)新裂縫.當(dāng)分別加載到極限荷載的70%和63%時(shí)碳纖維布發(fā)出響聲，一些裂縫出現(xiàn)在U 形箍之間.隨著荷載的繼續(xù)增加，斜裂縫的數(shù)量和寬度也不斷增加，纖維布開(kāi)始被拉脫.所有梁的破壞形式都是U 形箍被拉脫.

圖3 試驗(yàn)梁的裂縫分布與破壞形態(tài)

2.2 梁的荷載－撓度關(guān)系

試驗(yàn)梁的荷載－撓度曲線如圖4 所示.從圖中可以看出，在加載初期，梁的撓度為線性變化，隨著荷載的增加，加固梁的撓度小于對(duì)比梁的撓度，曲線逐漸分離.而且隨著U 形箍寬度的增加，撓度會(huì)逐漸減小.

圖4 試驗(yàn)梁的荷載－撓度曲線

2.3 最大裂縫寬度

試驗(yàn)梁的荷載－最大裂縫寬度曲線如圖5 所示.由圖可以看出，隨著荷載的增加，曲線逐漸分開(kāi)，加固梁的裂縫寬度明顯小于對(duì)比梁的裂縫寬度，且隨著U 形箍寬度的增加，裂縫寬度減小.這說(shuō)明碳纖維布能有效阻礙裂縫的發(fā)展.

圖5 試驗(yàn)梁的荷載－最大裂縫寬度曲線

2.4 荷載－CFRP 應(yīng)變關(guān)系

以主裂縫通過(guò)的碳纖維的應(yīng)變?yōu)槔囼?yàn)梁的荷載－CFRP 應(yīng)變曲線如圖6 所示.

圖6 試驗(yàn)梁的荷載－CFRP 應(yīng)變曲線

從圖中可以看出，荷載較小時(shí)，碳纖維的應(yīng)變很小且呈線性.隨著荷載的增加，U 形箍寬度較小的梁，碳纖維應(yīng)變明顯增長(zhǎng)較快.當(dāng)纖維條拉脫時(shí)，碳纖維布的應(yīng)變急劇減小.

2.5 極限承載力

試驗(yàn)梁的極限荷載見(jiàn)表5.可以看出，粘貼CFRP 可明顯提高梁的承載力，但是U 形箍的寬度越大，梁的抗剪承載力提高增幅越小.這是因?yàn)楫?dāng)粘貼兩層時(shí)，需要的錨固長(zhǎng)度較大，而且粘貼質(zhì)量不能得到很好的保證.所以，當(dāng)纖維布拉脫時(shí)，根本沒(méi)有達(dá)到其極限強(qiáng)度.

表5 試驗(yàn)梁的極限荷載

3 結(jié)語(yǔ)

1)U 形箍寬度對(duì)梁的撓度、碳纖維布的應(yīng)變、梁的極限承載力以及裂縫發(fā)展都有影響.粘貼碳纖維布可以有效地約束裂縫的開(kāi)展和延伸，增加梁的極限承載力，但承載力的提高不與U 形箍寬度的增加成正比.

2)試驗(yàn)結(jié)果明顯受到CFRP 粘貼質(zhì)量和錨固效果的影響.

［1］滕錦光.FRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［2］Bousselham A，Omar Chaallal.Behavior of reinforced concrete T-beams strengthened in shear with carbon fiber-reinforced polymer-an experimental study［J］.ACI Structural Journal，2006，103(3):339－347.

［3］Christophe Deniaud，J J Roger Cheng.Reinforced concrete T-beams strengthened in shear with fiber reinforced polymer sheets［J］.Journal of Composite for Construction，2003，7(4):302－310.

［4］趙文杰，李曉克，趙順波.預(yù)應(yīng)力CFRP 加固鋼筋混凝土梁的受力試驗(yàn)［J］.人民黃河，2012，34(6):136－138.

［5］四川省建筑科學(xué)研究院.GB 50367—2006.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.