粘貼碳纖維加固受彎構(gòu)件的抗彎承載力計算

張章，吳鋒，周國然

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

粘貼碳纖維加固受彎構(gòu)件的抗彎承載力計算

張章，吳鋒，周國然

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

首先提出碳纖維加固受彎構(gòu)件承載力計算公式，并提出碳纖維加固材料強度系數(shù)，結(jié)合收集到的粘貼碳纖維加固梁承載力試驗數(shù)據(jù)，建立碳纖維加固鋼筋混凝土梁的抗彎承載力提高系數(shù)計算公式，實現(xiàn)粘貼碳纖維加固梁的簡化計算。開展了粘貼碳纖維加固預(yù)應(yīng)力高強度混凝土（PHC）管樁抗彎承載力試驗。試驗結(jié)果表明，提出的碳纖維加固梁承載力計算公式也可用于碳纖維加固混凝土管樁承載力的計算。

碳纖維；加固；材料強度系數(shù)；受彎構(gòu)件；抗彎承載力

0 引言

目前對于碳纖維加固RC梁的研究大多基于試驗，自1997年由日本引進該技術(shù)以來，國內(nèi)研究機構(gòu)對碳纖維加固技術(shù)的研究取得了較豐富的成果。在試驗研究方面，李貴炳等[1]進行了16根外貼CFRP加固的鋼筋混凝土（RC）梁和2根對比梁的抗彎試驗，采用CFRP加固的鋼筋混凝土梁的抗彎承載性能有明顯提高。謝劍等[2]的試驗研究結(jié)果表明，粘貼碳纖維布后，梁的受彎承載力明顯提高，其中極限受彎承載力的提高更為顯著?？浊俚萚3]基于試驗結(jié)果認(rèn)為，梁底粘貼碳纖維布可以有效限制裂縫的發(fā)展和延伸，加固后的梁的延性及剛度均得到改善；鋼筋屈服后，荷載主要由碳纖維布承擔(dān)，但其強度只能發(fā)揮60%左右。

在碳纖維加固梁承載力計算方法研究方面，劉建起[4]揭示了鋼筋性能及本構(gòu)關(guān)系對碳纖維發(fā)揮程度和加固梁承載力提高幅度的影響，并在試驗基礎(chǔ)上提出了碳纖維加固梁抗彎承載力計算方法。王文煒等[5]根據(jù)不同的破壞模式，提出了碳纖維布加固已承受荷載的鋼筋混凝土梁的承載力計算方法，給出了工程實用計算公式。鄧宗才[6]采用彈塑性截面分析法、非線性有限元法計算了梁的承載力與撓度，并與試驗值進行了對比。王敏容[7]也通過粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土橋，得到了T梁加固前后承載力。

設(shè)計規(guī)范中也給出了粘貼碳纖維加固受彎構(gòu)件正截面的計算公式，并考慮了碳纖維與原鋼筋混凝土構(gòu)件不可能完全協(xié)同工作，將新增碳纖維所能提供的拉力進行了一定程度的折減。規(guī)范給出的計算過程比較繁瑣，某些計算參數(shù)的取值較模糊，某些系數(shù)取值尚值得商榷。

1 碳纖維加固梁承載力計算

1.1 碳纖維加固材料利用效率

粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土梁提高抗彎承載力，混凝土受拉區(qū)新增碳纖維一般不會完全發(fā)揮其強度。這是由于新增拉桿與原構(gòu)件的協(xié)同工作能力除了取決于碳纖維抗拉強度和截面積外，還受到粘膠性能、施工質(zhì)量、構(gòu)件加固前是否充分卸荷等因素的影響。粘膠強度越大，施工質(zhì)量越好，碳纖維與被加固構(gòu)件之間的粘結(jié)性能越好，碳纖維的高強度越能得到發(fā)揮。此外，構(gòu)件加固前是否卸荷也會對加固后的受彎構(gòu)件承載性能具有很大的影響。加固前卸荷使梁底微裂縫閉合或減小，使加固后的梁具有更大的變形余量，避免碳纖維達(dá)到極限抗拉強度前，鋼筋和混凝土過早發(fā)生破壞。除了加固前卸荷這一被動方法之外，開發(fā)預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)將是克服這一缺陷的有效方式。

1.2 加固梁承載力提高系數(shù)計算公式

采用粘貼碳纖維加固梁的基本原理是利用碳纖維和鋼板的抗拉強度，等同于在梁受拉區(qū)增加一根“拉桿”。加固梁在外荷載作用下，新粘貼的碳纖維承受拉力，并與原受拉鋼筋協(xié)同工作，以此提高抗彎性能。采用粘貼碳纖維法加固后的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件抗彎承載力可采用下式計算：M=φM0（1）式中：M0，M分別為粘貼碳纖維前后構(gòu)件承載力；φ為粘貼碳纖維受彎構(gòu)件承載力提高系數(shù)。

承載力提高系數(shù)的影響因素包括：碳纖維抗拉強度、使用量以及粘膠性能。本文定義材料強度系數(shù)e來表示受拉碳纖維的相對使用量。

式中：ff，Afe分別為碳纖維抗拉強度值和受拉截面積；fs，As分別為構(gòu)件原有受拉鋼筋抗拉強度和受拉截面積。

材料強度系數(shù)e反映的是新增的碳纖維與原構(gòu)件中的受拉鋼筋所能提供最大拉力的比值，e越大，表明碳纖維材料的相對投入量越大。本文將建立基于材料強度系數(shù)e的承載力提高系數(shù)計算公式，既可根據(jù)式（1）計算加固后的受彎構(gòu)件承載力，也可在實際工程為維修加固計算所需碳纖維的使用量。

本文收集了大量粘貼碳纖維加固梁的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)與不加固梁的對比，整理得到粘貼碳纖維加固梁的抗彎承載力提高系數(shù)匯總?cè)鐖D1和表1所示[1-7]。其中所采用的碳纖維材料均為碳纖維布，加載方式均為四點彎曲加載，碳纖維粘貼層數(shù)為1層或2層，已根據(jù)單層厚度和截面寬度換算成纖維截面積。

圖1 承載力提高系數(shù)試驗值Fig.1 Test value ofbearing capacity enhancem ent coefficient

試驗結(jié)果顯示，隨著碳纖維用量的增大，梁的抗彎承載力呈大致線性增大趨勢。建立粘貼碳纖維法材料強度系數(shù)e與承載力提高系數(shù)φ之間的函數(shù)關(guān)系，如式（2）所示：

φ=0.406e+1 （2）

2 碳纖維加固PHC管樁試驗

為檢驗本文提出的承載力計算方法的適用性，開展了粘貼碳纖維加固PHC管樁的抗彎性能試驗。試驗管樁為 φ700AB型PHC管樁，樁長11 100mm，外徑700mm，壁厚110mm，混凝土強度等級為C80，采用φ9.0 mm×24標(biāo)準(zhǔn)強度為1 420 MPa的異形鋼棒作為主筋，碳纖維布采用XEC-200碳纖維布，厚度為0.111 mm，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為4 088MPa，沿管樁受拉側(cè)外表面粘貼1層，纖維方向沿管樁縱向，如圖2所示。

采用圖3所示加載體系對管樁分級加載。將同一根長樁切割成相同長度的兩段，一段粘貼碳纖維，另一段不粘貼作為研究對比：1）不加固樁，在樁中間加荷，使管樁先開裂，待管樁出現(xiàn)第一條裂縫后卸載，再加荷直至破壞，測得樁身的破壞彎矩；2）加固樁，在樁中間加荷，使管樁開裂，而后卸載。粘貼碳纖維材料后，再逐步加荷，直至樁身破壞，測得開裂后的管樁在粘貼碳纖維材料后能夠達(dá)到的破壞彎矩。

表1 試驗結(jié)果收集及承載力提高系數(shù)計算結(jié)果Table 1 Test results collection and the resultsofbearing capacity enhancem ent coefficient

圖2 管樁橫截面構(gòu)造Fig.2 Cross-section structureof the pipe pile

圖3 管樁抗彎試驗加載圖示Fig.3 Sketch of loading in pipe pilebanding test

在粘貼碳纖維布之前，將管樁的混凝土表面進行打磨，并將浮灰清除干凈用丙酮擦洗混凝土表面去脂。隨后，在混凝土表面涂抹1層均勻飽滿的粘結(jié)劑，將已裁剪好的碳纖維布粘貼上去，并沿管樁長度方向按壓趕出氣泡，使碳纖維布與混凝土表面緊密粘結(jié)。最后，在碳纖維布表面涂抹1層粘結(jié)劑，上面覆蓋塑料薄膜。1周后待粘結(jié)劑完全固化后，去除薄膜進行試驗。采用液壓千斤頂橫置加載，加載過程中對樁身撓度和應(yīng)變進行測量。

根據(jù)試驗結(jié)果換算，不加固樁破壞彎矩為550.62 kN·m，加固樁破壞彎矩為622.38 kN·m，加固后樁的抗彎承載力提高系數(shù)為1.13。

根據(jù)本文提出的方法計算承載力提高系數(shù)，對于圓環(huán)形構(gòu)件，碳纖維沿管樁外表面的截面積與鋼棒截面積比值以同一弧度范圍內(nèi)的分布面積表示，即：

連同ff=4 088MPa，fs=1 420MPa，可得到e=0.46，代入式（1）中，得到φ=1.187，與實際提高系數(shù)相比誤差僅為5%，因此本方法也可以用于粘貼碳纖維加固后的PHC管樁抗彎承載力計算。

3 結(jié)語

1）碳纖維抗拉強度、使用量是影響碳纖維加固效果的主要因素，此外還受到粘膠性能、施工質(zhì)量、加固前是否卸荷等因素的影響。

2）提出了反映碳纖維材料相對使用量的材料強度系數(shù)，并根據(jù)收集整理的大量試驗數(shù)據(jù)，提出了粘貼碳纖維加固梁的抗彎承載力提高系數(shù)計算公式，與目前規(guī)范中給出的計算方法相比，大大簡化了計算過程。

3）開展了碳纖維加固PHC管樁的抗彎性能試驗，試驗結(jié)果表明，本文提出的承載力提高系數(shù)計算方法也適用于PHC管樁，誤差僅為5%。

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Bearing capacity calculation of flexuralmem bers strengthened w ith CFRP

ZHANGZhang,WU Feng,ZHOUGuo-ran
（ShanghaiThird Harbour Engineering Science&TechnologyResearch Institute Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

The bearing capacity formula of flexuralmembers strengthened with CFRPand thematerial strength coefficientare proposed in this paper.Combined with experimental data,we obtained the calculationmethod to improvement coefficient,which can be used to simply calculate the bearing capacity.The bending capacity testof PHC pipe pile strengthened with CFRPwas developed.The test results show that the calculation formula for beams strengthened with CFRP also can be used to calculate thebearing capacity ofpipe pilesstrengthened with CFRP.

CFRP;strengthening;material strength factor;flexuralmember;bending bearing capacity

U654；TU375.1

A

2095-7874（2015）05-0037-04

10.7640/zggw js201505010

2014-12-22

2015-02-13

張章（1986— ），男，安徽合肥市人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究工作。E-mail：powernove@163.com