內(nèi)嵌CFRP板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

梁玉國，宋麗娟，任水娜

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，石家莊 050021）

0 引言

近年來，大量的既有建筑由于功能改變或需要進(jìn)行增層改造，結(jié)構(gòu)加固工程不斷增多，結(jié)構(gòu)加固技術(shù)也隨之不斷改進(jìn)。不少結(jié)構(gòu)加固工程中采用外貼碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）對(duì)梁進(jìn)行抗彎、抗剪加固，然而不少研究結(jié)果表明，采用外貼碳纖維布（板）對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固處理，多發(fā)生碳纖維布（板）剝離破壞。鑒于上述因素，有學(xué)者提出了內(nèi)嵌（Near－Surface Mounted）加固技術(shù)［1－4］，即將加固材料嵌入混凝土表面，使得加固材料與構(gòu)件共同受力，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)目的。

本文對(duì)5 根鋼筋混凝土梁進(jìn)行了靜力受彎試驗(yàn)，其中一根為未加固梁，一根為外貼CFRP 板加固梁，另外3根分別為以環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿、水泥砂漿作為粘結(jié)材料，采用內(nèi)嵌CFRP 板加固的梁。對(duì)試驗(yàn)梁的受力性能、板條及鋼筋應(yīng)變、撓度變形規(guī)律等進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5根長度為2 100mm 的鋼筋混凝土梁，橫截面尺寸b×h＝150 mm×250 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C45設(shè)計(jì)，縱向受拉鋼筋為2Φ14（HRB335級(jí)），架立筋為2Φ10（HRB335級(jí)），箍筋為φ8＠100（HPB300級(jí)）。梁尺寸及鋼筋布置如圖1所示。各試件情況見表1。其中L1為對(duì)比梁，未進(jìn)行加固；L2 為外貼CFRP 板加固梁；L3、L4、L5為內(nèi)嵌CFRP板加固梁，開槽尺寸為10mm×25mm×1 800mm，內(nèi)嵌CFRP板加固梁開槽尺寸及位置見圖2（注：開槽深度達(dá)箍筋外表皮，遇有保護(hù)層厚度偏小部位，可稍減少開槽深度，盡量避免損傷箍筋）。內(nèi)嵌CFRP 板加固梁，在試件養(yǎng)護(hù)28天后，在梁底按照設(shè)計(jì)尺寸用開槽機(jī)進(jìn)行開槽，經(jīng)清理后，在槽中注入粘結(jié)材料，約槽高度的1／3，然后將清潔的CFRP板嵌入槽中，最后用粘結(jié)材料將槽填滿，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 梁尺寸、鋼筋布置及加載示意圖

圖2 內(nèi)嵌碳纖維板示意圖

表1 試件編號(hào)及加固方式

為對(duì)比外貼法加固梁和內(nèi)嵌法加固梁性能的差異，試驗(yàn)中外貼法和內(nèi)嵌法所用的碳纖維板總面積相等，碳纖維板的厚度為1.4mm，內(nèi)嵌碳纖維板條寬度約為20 mm，每個(gè)槽中嵌入一條碳纖維板，外貼碳纖維板條寬度約為40mm（外貼碳纖維板為一片，貼于梁底中間部位）。碳纖維板力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 碳纖維板力學(xué)性能

試驗(yàn)采用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，采用分級(jí)加載，記錄每級(jí)荷載下梁跨中及支座處位移，并用應(yīng)變測(cè)量儀測(cè)量并記錄跨中部位鋼筋及碳纖維板應(yīng)變。試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置見圖3。

圖3 試件加載及測(cè)量裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗彎承載力分析

各試件承載力試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)梁加載試驗(yàn)結(jié)果

通過表3可以得出如下結(jié)論：采用外貼碳纖維板和內(nèi)嵌碳纖維板加固鋼筋混凝土梁均可提高梁的承載力，提高幅度在17.2%～37.4%；內(nèi)嵌碳纖維加固梁承載力較外貼碳纖維板加固梁有不同程度提高，以環(huán)氧樹脂為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁承載力較外貼碳纖維板加固梁承載力提高17.2%，以水泥砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁承載力較外貼碳纖維板加固梁承載力提高11.2%，以環(huán)氧砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁承載力較外貼碳纖維板加固梁承載力提高3.4%；以水泥砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁承載力約為以環(huán)氧樹脂為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁承載力的95%。

2.2 試驗(yàn)梁荷載-撓度分析

各試件荷載-撓度曲線見圖4。

圖4 各試件荷載-撓度曲線

由圖4可知，加固梁和未加固梁的荷載--撓度曲線都可以分為3個(gè)階段，即混凝土開裂前階段，裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段和鋼筋屈服后階段。

觀察混凝土開裂前階段，加固梁的剛度與未加固梁基本相一致，加固梁的開裂荷載較未加固梁要稍高。這是由于在此階段大體處于彈性階段，加固材料起的作用有限?；炷灵_裂后，試驗(yàn)梁截面剛度降低，荷載-撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在相同的荷載下，加固梁的撓度較未加固梁略小，即加固梁的剛度較未加固梁有所增大，加固梁的屈服荷載較未加固梁有明顯提高。鋼筋屈服后，試驗(yàn)梁開始進(jìn)入破壞階段，荷載增長緩慢，跨中撓度迅速增加，加固梁和未加固梁均表現(xiàn)出較好的延性。在此階段試驗(yàn)梁L2在承載力降低后又進(jìn)一步增加，這是由于外貼碳纖維板發(fā)生剝離破壞，因而承載力降低，但由于碳纖維板端部錨固較好，碳纖維板未完全剝離，又重新發(fā)揮作用，因而承載力又進(jìn)一步增加。

2.3 荷載--應(yīng)變分析

在試驗(yàn)過程中記錄了受拉鋼筋和碳纖維板跨中應(yīng)變值，各試驗(yàn)梁荷載--應(yīng)變見圖5。（由于L5應(yīng)變片出現(xiàn)故障，此處未對(duì)L5進(jìn)行分析。）

通過圖5 可以看出，外貼碳纖維板加固梁L2在混凝土開裂前，鋼筋的應(yīng)變較其他梁稍小，在混凝土開裂后鋼筋應(yīng)變迅速增大，但相比其他梁中鋼筋的應(yīng)變要小很多，在達(dá)到屈服荷載后，碳纖維板應(yīng)變迅速增大，最后碳纖維板發(fā)生剝離，導(dǎo)致碳纖維板應(yīng)變迅速降低，試件破壞。內(nèi)嵌碳纖維板加固梁，在整個(gè)受力階段，在相同荷載下，鋼筋應(yīng)變比未加固梁要小，這是由于碳纖維板與鋼筋共同承擔(dān)拉力，在鋼筋屈服后，碳纖維板應(yīng)變迅速增加，在整個(gè)受理過程中，碳纖維板與鋼筋混凝土梁共同受力性能較好。

2.4 裂縫形態(tài)分析

圖5 各試件荷載-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)梁L1在出現(xiàn)裂縫后，隨著荷載的加大，逐漸形成幾條主裂縫，最終破壞時(shí)，梁上裂縫數(shù)量較小，各裂縫寬度較大。而內(nèi)嵌碳纖維板加固梁和外貼碳纖維板加固梁，在裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載的加大，裂縫逐漸向梁上部延伸，與此同時(shí)不斷有新的裂縫出現(xiàn)，在最終破壞時(shí)，裂縫分布較為均勻，各裂縫寬度較?。ㄗⅲ河捎陂_槽對(duì)梁底混凝土產(chǎn)生影響，開槽后，在開槽部位梁側(cè)混凝土產(chǎn)生均勻的微裂縫）。在試驗(yàn)過程中，記錄試驗(yàn)梁在各級(jí)荷載下的最大裂縫寬度，見圖6。通過圖6可以看到，在相同荷載下試驗(yàn)梁L2、L3、L4、L5的最大裂縫寬度均比試驗(yàn)梁L1要小，這說明內(nèi)嵌碳纖維板加固法和外貼碳纖維板加固法均可較好抑制裂縫發(fā)展。在相同荷載下，以環(huán)氧砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維版加固梁L5的最大裂縫寬度較外貼碳纖維板加固梁和以環(huán)氧樹脂和水泥砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁的最大裂縫寬度要大，通過觀察試驗(yàn)梁最終破壞狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁L5的主裂縫數(shù)量相對(duì)其它加固梁要少，裂縫寬度較大。

圖6 各試件荷載-最大裂縫寬度曲線

3 結(jié)論

本文通過對(duì)采用不同粘結(jié)材料進(jìn)行粘結(jié)的內(nèi)嵌碳纖維板加固鋼筋混凝土梁和外貼碳纖維板加固梁進(jìn)行靜力受彎試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與未加固梁進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論：

（1）在加固量相同的情況下，采用內(nèi)嵌碳纖維加固的鋼筋混凝土梁的承載力比外貼碳纖維板加固梁的承載力要高，內(nèi)嵌碳纖維板加固梁的承載力較未加固梁提高約21%～37.4%，加固效果明顯。

（2）以環(huán)氧樹脂和水泥砂漿為粘結(jié)材料的內(nèi)嵌碳纖維板加固梁，其承載力較外貼碳纖維板加固梁提高約11%～34%；以水泥砂漿為粘結(jié)材料的加固梁承載力約為以環(huán)氧樹脂粘結(jié)材料的加固梁的95%，但水泥沙漿價(jià)格低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

（3）外貼碳纖維板加固鋼筋混凝土梁容易產(chǎn)生碳纖維剝離破壞，采用內(nèi)嵌碳纖維板加固法加固鋼筋混凝土梁，可以有效地避免這種剝離破壞。

（4）內(nèi)嵌碳纖維板加固梁和外貼碳纖維板加固梁均可較好地抑制裂縫的發(fā)展。

［1］ 梁金福，燕柳斌，趙君君，等.CFRP板條嵌入式加固鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2009，39（2）：100－102，117.

［2］ De Lorenzis L，Ranni A.Bond between NSM Fiber Reinforcement Polymer Rods and Concrete in Structural Strengthening［J］.ACI Structural Journal，2002，99（2）：123－132.

［3］ 李榮，縢錦光，岳清瑞.FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域——嵌入式（NSM）加固法［J］.工業(yè)建筑，2004，34（4）：5－10.

［4］ 丁亞紅，曾憲桃，王興國.內(nèi)嵌CFRP板條加固混凝土梁試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2006，36（7）：89－91.