HFRP加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件的應(yīng)用分析

黃春蕾

重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院,重慶400039

HFRP加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件的應(yīng)用分析

黃春蕾

重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院,重慶400039

HFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法在實(shí)際工程已經(jīng)逐漸被應(yīng)用。本文采用13根梁作為試驗基礎(chǔ)，分別對黏貼不同纖維材料的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了破壞性試驗。結(jié)果表明：采用混凝土應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行推導(dǎo)的公式能夠真實(shí)的表現(xiàn)混凝土材料的這個破壞過程；加固鋼筋混凝土梁的極限承載力隨纖維材料加固層數(shù)增多而增大，但承載力非線性的增長；加固后鋼筋混凝土梁能夠減小極限狀態(tài)的最大裂縫寬度，而且裂縫的均勻性更好。

HFRP;混凝土梁;試驗研究;工程案例

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工程界對建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及使用功能要求更高，加固技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前，碳纖維材料在國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)應(yīng)用到建筑業(yè)的各個領(lǐng)域，碳纖維材料將在土木工程的應(yīng)用率在20%以上。因此，研究HFRP(Hybrid Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土抗彎性能具有十分重要的理論和顯示意義。國內(nèi)外多學(xué)者M(jìn)eier[1]研究采用FRP板取代傳統(tǒng)的鋼板加固Ebach橋。FRP材料在美國的應(yīng)用十分廣泛[2,3]，美國混凝土協(xié)會推出FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程。日本在1993年頒布關(guān)于FRP加固的設(shè)計指南，然后又頒布了一系列的規(guī)程和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。我國1997年開始研究FRP加固技術(shù)，2000年成立預(yù)應(yīng)力混凝土分會纖維增強(qiáng)塑料(FRP)，2003年制訂相關(guān)規(guī)程[4]。綜合分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，目前對HFRP加固鋼筋混凝土的研究主要集中在研究梁和板的抗彎粘結(jié)方式、錨固技術(shù)以及界面剛度等方面內(nèi)容[5-8]；研究FRP加固混凝土柱主要是研究加固后混凝土柱應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[9]。

本文較為深入的從理論和試驗兩個角度分析HFRP加固鋼筋混凝土抗彎性能，主要是研究變分法分析預(yù)應(yīng)力框架梁的解析解，結(jié)合較為典型的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)的試驗，探討預(yù)應(yīng)力混凝土梁的有效翼緣寬度的取值，并提出預(yù)應(yīng)力混凝土梁的有效翼緣寬度的解析解，為建筑工程中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及施工提供有效的參考。

1　理論分析

鋼筋混凝土梁主要包含由鋼筋和混凝土兩種力學(xué)性。混凝土具有抗壓性能好、抗拉性能差的特點(diǎn)，而鋼筋具有較好的抗拉、抗壓性能。粘貼復(fù)合材料纖維加固梁是在受拉區(qū)粘貼纖維材料，提高鋼筋和混凝土抗彎能力，進(jìn)而提高混凝土的整體抗彎性能。達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的目的。

1.1HFRP片材加固梁抗彎承載力計算公式

鋼筋混凝土梁的混凝土壓碎，CFRP還沒有被拉斷，梁的極限彎矩Mu為：

相比普通混凝土梁，加固后的混凝土梁的破壞同樣經(jīng)歷三個不同的階段，通過研究發(fā)現(xiàn)開裂前的FRP材料對鋼筋混凝土的受力性能的影響不是很明顯。本文采用混凝土應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行公式的推導(dǎo)，相比規(guī)范而言，計算較為復(fù)雜，但能夠真實(shí)的表現(xiàn)混凝土材料的這個破壞過程，在工程的適用度較高。相對普通的鋼筋混凝土梁，加固梁的拉區(qū)除了有鋼筋作用之外，還有纖維材料的附加作用，鋼筋混凝土梁的極限受拉性能得到很大的提高。本文中的公式根據(jù)混凝土梁底部粘貼一層CFRP來推導(dǎo)，對于粘貼多層纖維材料的工況，在計算時候可以改變設(shè)計厚度進(jìn)行計算。

2　試驗研究

加固鋼筋混凝土梁采用在梁底受拉區(qū)粘貼FRP材料的方法，F(xiàn)RP片材可以為梁截面提供額外的拉力，從而提高混凝土梁的抗彎承載力。本文研究HFRP(混雜纖維)片材加固鋼筋混凝土簡支梁試驗，分析采用HF加固的鋼筋混凝土梁的正截面彎矩一曲率，通過試驗結(jié)果驗證加固后的混凝土梁的極限抗彎承載力計算公式，討論HFRP片材加固梁的截面極限狀態(tài)。

2.1工程概況

某學(xué)校的教學(xué)樓采用三層框架結(jié)構(gòu)，該教學(xué)樓的建筑面積在3320 m2左右，每一層所采用的混凝土等級不同，梁柱的混凝土都是采用C30，板的混凝土采用C25，該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)采用的是柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，深2.5 m。該教學(xué)樓在2006年建設(shè)完成之后開始投入使用，在使用一段時間之后使用功能上有新的需要，打算在原來原結(jié)構(gòu)上面再增加一層，可以作為教師和學(xué)生的閱覽室。

為了更好的解決這個工程加固問題，本文首先進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗研究。本試驗采用13根鋼筋混凝土梁（表1），截面為矩形截面，寬和高分別為120 mm和200 mm，鋼筋混凝土梁長度為1400 mm。簡支梁的加載方式為兩點(diǎn)對稱加載，鋼筋混凝土梁中縱筋為2Φ10（HPB235），架立筋為2Φ6，箍筋為Φ6@80，圖1為試件的尺寸及配筋。

圖1　混凝土梁的截面尺寸Fig.1 The Sectional dimensions of concrete beams

圖2　電阻應(yīng)變計Fig.2 The resistance strain gauges

圖3　試驗裝置Fig.3 The test device

2.2施工工藝

外貼纖維布對施工質(zhì)量要求較高，膠結(jié)強(qiáng)度取決于界面結(jié)合力、膠層內(nèi)部的應(yīng)力情況以及膠層強(qiáng)度，為保證粘結(jié)質(zhì)量，必須選擇好膠粘劑，采用一些錨固措施和合理粘結(jié)工藝。

施工前首先準(zhǔn)備好施工機(jī)具，按試驗設(shè)計要求剪好纖維布，在施工過程中如果發(fā)現(xiàn)混凝土表面有剝落、蜂窩、腐蝕的現(xiàn)象要剔除并用水泥砂漿修復(fù)，裂縫要進(jìn)行封閉處理。采用環(huán)氧樹脂填補(bǔ)混凝土表面凹陷部位。按相應(yīng)的比例配置好浸潤樹脂，然后用毛刷涂抹在所要粘貼的部位，將裁剪好的纖維布粘貼到位并用滾筒在纖維布表面滾壓，以便纖維布與混凝土能夠較好的粘結(jié)。施工完畢之后再常溫室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行試驗。

隨著生活水平不斷提高，更多人認(rèn)識到了高等教育的重要性，校企合作已成為近幾年高校的熱門詞匯。校企結(jié)合模式打破常規(guī)教學(xué)，更多地增加了實(shí)踐教學(xué)，與企業(yè)建立了親密的合作關(guān)系。校企合作模式是學(xué)校和企業(yè)在共同目的基礎(chǔ)上構(gòu)建相互合作，用自己的長處來彌補(bǔ)對方的不足，由雙方指導(dǎo)，達(dá)到教育與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)校企雙方共享，促進(jìn)校企結(jié)合成果的實(shí)際化。校企結(jié)合通過共同培養(yǎng)企業(yè)所需的高級管理人才，促進(jìn)方雙的合作共贏，并且在合作的過程中實(shí)現(xiàn)對專業(yè)人才的培養(yǎng)。

表1　混凝土梁的編號以及加固情況Table 1 Number and state of reinforced concrete beam

2.3試驗過程

試驗前要準(zhǔn)備好相應(yīng)的支座以及反力架，在梁的高度方向貼好應(yīng)變片，傳感器和應(yīng)變儀要調(diào)試好。

本試驗加載方式為手動千斤頂形式（圖3），荷載傳感器控制荷載值，采用分級加載形式，每級2 KN，破壞荷載階段提升為3 KN，加載的時間間歇為10 min，加載到破壞荷載80%之后，逐級加載1 KN至破壞?；炷亮旱钠茐臉?biāo)志:①鋼筋混凝土梁的受壓區(qū)混凝土壓碎；②鋼筋混凝土梁的鋼筋屈服；③HFRP被拉斷；④HFRP與混凝土剝離破壞。

2.3.1未加固混凝土梁試驗研究通過試驗得到未加固鋼筋梁的極限承載力以及相應(yīng)的變形性能，以便與其它幾組的混凝土加固梁作比較。未加固的鋼筋混凝土梁1、2的破壞是適筋梁的破壞，首先純彎段出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載的不斷增加，裂縫寬度增大，最后，受壓區(qū)混凝土被壓碎。1組的鋼筋混凝土梁在荷載為11.2 KN時底部混凝土產(chǎn)生裂縫，荷載46.5 KN試件破壞，破壞時撓度8.35 mm；1組的鋼筋混凝土梁在荷載為14.35 KN產(chǎn)生見裂縫，破壞荷載為53.5 KN，破壞時撓度7.12 mm，如圖4、5。

圖4　1、5組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.4 The load-flexibility curve of beams 1、5 group

圖5　1、5組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.5 The beam moment-curvature graph of 1、5 group

2.3.2一層碳纖維布加固混凝土梁試驗研究本組通過試驗研究三根混凝土梁的受彎性能，主要目的是研究加固量不同的纖維材料對對鋼筋混凝土梁的承載力以及破壞特征的影響，方便HFRP在工程中的應(yīng)用。

第2組鋼筋混凝圖梁底粘貼一層碳纖維布，鋼筋混凝土在荷載為11.75 KN產(chǎn)生裂縫，隨著荷載的不斷增加，受彎段不斷有新裂縫的產(chǎn)生，試件破壞的時候首先受拉鋼筋屈服然后受壓區(qū)的混凝土出現(xiàn)壓碎的情況，可以在實(shí)驗室聽到纖維布絲脆斷發(fā)出劈啪的聲音，最終是碳纖維布被拉斷然后鋼筋混凝土梁的受壓區(qū)混凝土壓碎，鋼筋混凝土梁破壞時的荷載是72.3 KN，破壞時候的撓度是7.555 mm，試驗結(jié)果如圖6、7所示。

第3組鋼筋混凝土梁底粘貼了一層碳纖維布和一層玻璃纖維布，荷載是12.01 KN的時候鋼筋混凝土梁產(chǎn)生可見，荷載的不斷增加，受彎段不斷有新裂縫的產(chǎn)生，試件破壞的時候首先受拉鋼筋屈服然后受壓區(qū)的混凝土出現(xiàn)壓碎的情況，纖維布沒有被拉斷。鋼筋混凝土梁破壞時的荷載是75.8 KN，破壞時候的撓度是7.51 mm，試驗結(jié)果如圖8、9所示。

圖6　二組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.6 The load-flexibility curve of beams in group 2

圖7　二組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.7 The bending momentcurvature graph in group 2

圖8　三組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.8 The load-flexibility curve of beams in group 3

圖9　三組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.9 The bending momentcurvature graph in group 3

2.3.4一層碳纖維布和二層玻璃纖維布加固混凝土梁試驗研究第4組鋼筋混凝土梁在底部底粘貼了一層碳纖維布和二層玻璃纖維布，鋼筋混凝土在荷載為11.82 KN產(chǎn)生裂縫，隨著荷載的增加，出現(xiàn)裂縫地方與上一組梁基本相似，試件最終的破壞形式是受拉鋼筋先發(fā)生，然后受壓區(qū)的混凝土出現(xiàn)壓碎的情況，纖維布沒有被拉斷。鋼筋混凝土梁破壞的極限荷載是79.5 KN，發(fā)生破壞的撓度是6.82 mm，試驗結(jié)果如圖11、12所示。

圖10　四組混凝土梁的荷載—撓度曲線Fig.10 The load-flexibility curve of concrete beams in group 4

圖11　四組梁的彎矩—曲率曲線圖Fig.11 The bending moment-curvature of beams in group 4

圖12　鋼筋混凝土梁的裂縫Fig.12 The cracks of reinforced concrete beams

2.4鋼筋混凝土梁的開裂機(jī)理及工程加固方案

通過研究得出HERP加固后的鋼筋混凝土的抗彎性能得到很大的提高，裂縫也可以得到有效的控制，在本工程案例中，采用一些的加固方案，在原來的樓層上面新加層的柱子采用鉆孔植的形式，在原柱的節(jié)點(diǎn)上面將鋼筋引出，底層柱要進(jìn)行截面的增大，一般是采用增加原鋼筋混凝土柱的的受力鋼筋，并在新增加的鋼筋外面澆筑混凝土，從而提高混凝土的承載力。對框架結(jié)構(gòu)的三層梁黏貼混合纖維布加固，首先對底層的柱進(jìn)行加固，將原來的柱400 mm×400 mm增大到550 mm×550 mm，植筋下部錨固長度要大于等于20倍的鋼筋直徑，外露鋼筋的長度大于等于40倍的鋼筋直徑和1000 mm直徑的最大值，同時在柱四面布置錨拉筋。三層鋼筋混凝土梁的加固采用混合纖維加固，選用的HFRP的技術(shù)參數(shù)為：E=2.35×105，[ε]≤0.01，HFRP達(dá)到允許拉應(yīng)變和混凝土同時壓壞的相對受壓區(qū)高度bξ=0.188，極限拉應(yīng)變ε大于等于0.015，具體HFRP的施工方法參照上文。本建筑物在經(jīng)過初步的加層以及加固之后，已經(jīng)在實(shí)際中得到使用，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)框架柱沒有明顯的裂縫和破壞的跡象，能滿足建筑結(jié)構(gòu)安全方面的要求。

3　結(jié)論

本文較為深入的從理論和試驗兩個角度分析FERP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能，結(jié)合具體的工程案例采用13根梁作為試驗基礎(chǔ)，分別對黏貼不同纖維材料的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了破壞性試驗。根據(jù)得到的試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的理論研究成果，得出了以下主要的結(jié)論。

（1）加固鋼筋混凝土梁的極限承載力隨這纖維材料加固層數(shù)增多而增大，但承載了不是線性的增長。

（2）本文采用混凝土應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行公式的推導(dǎo)，相比規(guī)范而言，計算較為復(fù)雜，但能夠真實(shí)的表現(xiàn)混凝土材料的這個破壞過程，在工程的適用度較高。相對普通的鋼筋混凝土梁，加固梁的拉區(qū)除了有鋼筋作用之外，還有纖維材料的附加作用，鋼筋混凝土梁的極限受拉性能得到很大的提高。

（3）玻璃纖維和碳纖維混雜布加固后的承載力略低于相同情況下的單一碳纖維布加固效果，但混雜加固后的鋼筋混凝土的延性增加，費(fèi)用也也得到很大降低，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)將對選擇FERP加固較為合理。

（4）加固后鋼筋混凝土梁能夠減小極限狀態(tài)的最大裂縫寬度，而且裂縫的均勻性更好。

（5）通過工程案例應(yīng)用分析，F(xiàn)ERP加固鋼筋混凝土梁能夠較為廣泛的應(yīng)用到實(shí)際工程中，可以提高梁的屈服荷載和極限荷載，本文的結(jié)果能為FERP加固鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

[1]Meier U.Bridge repair with high performance composite materials[J].Material and Technic,1987(4):125-128

[2]陳小兵,李榮.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則及國外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[J].工業(yè)建筑,2001,31(4):17-18

[3]ACI Committee 440.Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures[S].USA:[s.n.],2001

[4]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社,2003

[5]周仕剛,高永飛.CFRP加固初始受載鋼筋砼梁彎曲性能的試驗研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2003,1:12-16

[6]楊政,郭萬林,董蕙茹.FRP板加固鋼筋砼梁正截面強(qiáng)度分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2002,5:3-6

[7]歐陽煜,黃奕輝,錢在茲,等.玻璃纖維(GFRP)片材約束混凝土的受力性能分析[J].土木工程學(xué)報,2004,37(3):26-34

[8]歐陽煜,黃奕輝,錢在茲,等.玻璃纖維片材加固混凝土梁的抗彎性能研究[J].土木工程學(xué)報,2002,35(3):2-195

[9]王滋軍,劉偉慶,姚秋來.考慮二次受力的碳纖維加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗研究[J].工業(yè)建筑,2004,34(7):85-87

Theoretic Analysis and Experimental Study on Reinforced Concrete Members Being Resistance to Bending and Strengthened with HFRP

HUANG Chun-lei
Chongqing Vocational College of Architectural Engineering,Chongqing 400039,China

The approach to reinforce concrete structure with HFRP in practical engineering has been applied gradually.This paper used 13 beams as a test base to respectively paste different fiber materials and to damage them.The results showed that the formula of concrete stress-strain curve could be used to derive the destroyed process,the ultimate bearing capacity of reinforced concrete beam was increasing with layers of fiber increasing,but it was not linear and the reinforced concrete beam strengthened later could reduce into the maximum crack width and the uniformity of crack was better then before.

HFRP;reinforced concrete beam;experimental study;engineering project

TU375

A

1000-2324(2015)02-0270-04

2013-06-12

2013-10-23

黃春蕾(1972-),女,重慶人,管理學(xué)碩士,副教授、高級工程師,國家一級注冊建造師、質(zhì)量工程質(zhì)量工程師,全國高職高專教育指導(dǎo)委員會施工分指委委員.從事施工技術(shù)和施工組織與管理的教學(xué)、科研工作.E-mail:yangqivip@yeah.net