預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

郭 蓉，吳二朋，張寶虎，宋 昌，趙少偉

（1．河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2．河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3．天津公路工程總公司，天津 300201）

預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究

郭 蓉1,2，吳二朋1,3，張寶虎3，宋 昌1,3，趙少偉1,2

（1．河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2．河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3．天津公路工程總公司，天津 300201）

通過研制的一套張拉錨固設(shè)備對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力后加固試驗(yàn)梁對(duì)其進(jìn)行抗彎靜載試驗(yàn)．試驗(yàn)表明未施加預(yù)應(yīng)力CFRP板梁開裂荷載沒有影響，而預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁的開裂荷載有明顯提高，可以延緩梁的開裂；所有加固梁的屈服荷載、極限荷載都有所提高，同時(shí)增加了構(gòu)件的剛度；試驗(yàn)時(shí)粘貼CFRP板加固梁超過了CFRP板極限抗拉強(qiáng)度的25%，而預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁接近粘貼CFRP板的二倍，充分發(fā)揮了材料的強(qiáng)度；試驗(yàn)所用的錨具在梁加載過程中沒有出現(xiàn)滑移，錨固效果良好．

碳纖維板；張拉設(shè)備；預(yù)應(yīng)力；加固；抗彎試驗(yàn)

目前，傳統(tǒng)的外部粘貼碳纖維板加固法由于其施工操作簡(jiǎn)單、加固效果顯著受到工程加固界的青睞，但隨著材料的深入研究與普遍應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)加固方法材料浪費(fèi)極大[1-2]．CFRP板與鋼筋彈性模量相差不大，而抗拉強(qiáng)度卻比鋼筋高許多，導(dǎo)致CFRP不能充分發(fā)揮自身強(qiáng)度[3-4，10]．Garden[5]通過實(shí)驗(yàn)證明CFRP板施加的最低預(yù)應(yīng)力水平至少是其極限抗拉強(qiáng)的25%才能收到CFRP板良好的預(yù)應(yīng)力加固效果，提高構(gòu)件的承載力．Garden與Hollaway[6-7]等人對(duì)2種尺寸的試件進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的抗彎性能研究．指出CFRP板施加預(yù)應(yīng)力不僅增大了混凝土受壓區(qū)的高度，提高混凝土利用率，而且增大了構(gòu)件剛度，提高CFRP板利用率，從而提高構(gòu)件的承載力．Quantrill與Holaway[8]等人通過對(duì)CFRP板施加預(yù)應(yīng)力證明了預(yù)應(yīng)力損失主要來自CFRP板放張后混凝土彈性收縮．彭暉、尚守平[9]等人在自主研發(fā)的錨固設(shè)備的基礎(chǔ)上對(duì)8根試驗(yàn)梁進(jìn)行外部粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板抗彎試驗(yàn)研究．結(jié)果表明：對(duì)加固試驗(yàn)梁的CFRP板進(jìn)行張拉可以提高構(gòu)件的開裂荷載和屈服荷載，改善構(gòu)件的變形，提高CFRP板材料的利用效率．本文自主研制出一套預(yù)應(yīng)力CFRP板張拉錨固裝置，通過對(duì)不加固梁、非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁和預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁的靜載抗彎試驗(yàn)，分析了對(duì)承載能力、剛度、裂縫開展情況、CFRP板的利用率等性能指標(biāo)．研究成果有助于推進(jìn)此種加固方法在梁板構(gòu)件加固工程的應(yīng)用．

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3根矩形截面試驗(yàn)梁，混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C50．梁底主筋采用3C25，架立筋采用2B12，箍筋采用A10，通長(zhǎng)布置．梁的尺寸及具體配筋圖見圖1，試驗(yàn)梁編號(hào)加固情況見表1．

圖1 試驗(yàn)梁的尺寸和配筋示意圖（單位：mm）Fig.1 The size of the test beam and reinforcement of schematic diagram

表1 試驗(yàn)梁加固情況Tab.1 Test beam number and reinforcement

1.2 張拉錨固裝置的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)CFRP板施加預(yù)應(yīng)力的張拉裝置研究較少，并且配套設(shè)施和技術(shù)不成熟．它們大多具有裝置自重較大、施工工序繁瑣、操作受條件限制、理想應(yīng)力難以控制、加固效果存在缺陷等缺點(diǎn)．為了實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力CFRP板的安全張拉，錨具作為傳力和錨固裝置，可靠的錨固、充足的剛度和承載能力是其必備條件．本試驗(yàn)所用的錨具是在以往錨具的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)而產(chǎn)生的鉸式粘結(jié)咬合錨，設(shè)計(jì)原理是螺栓錨固、膠體粘結(jié)外加機(jī)械咬合，主要包括上齒板和下齒板兩部分．為了克服摩擦力不足產(chǎn)生的滑移問題，把兩塊鋼板做成像牙齒一樣的咬合狀，并注入膠體，增大了它們之間的摩擦力．為了克服在張拉過程中出現(xiàn)偏拉的問題，把固定端提供反力的反力塊做成凹狀，錨固板一端做成凸?fàn)睿《壬孕∮诜戳K，避免了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝誤差產(chǎn)生CFRP板偏心受拉而造成預(yù)應(yīng)力損失或被拉斷．在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡量克服施工過程的不利因素，結(jié)合波形粘結(jié)的錨固方式，經(jīng)反復(fù)嘗試最終研制出了一套可拆卸、安裝便捷、加固效果理想的張拉裝置，如圖2所示．張拉裝置整體可分為張拉單元和夾具單元．張拉單元由液壓缸支架、掛環(huán)和錨固板組成．夾具單元由滑槽和夾具構(gòu)成．張拉設(shè)備照片見圖3．

1.3 材料性能

試驗(yàn)所用碳纖維板規(guī)格：厚度1.2mm，寬度55mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2 424MPa，受拉彈性模量1.69 ×105MPa，伸長(zhǎng)率1.71%，等級(jí)為高強(qiáng)度1級(jí)．

1.4 測(cè)點(diǎn)布置及加載方案

為了分析構(gòu)件的受力性能及鋼筋、CFRP板和混凝土的協(xié)同關(guān)系，本試驗(yàn)在鋼筋、混凝土和CFRP板粘貼了電阻應(yīng)變片，鋼筋應(yīng)變片的規(guī)格為5mm×3mm，混凝土應(yīng)變片的規(guī)格為100mm×5mm．鋼筋的測(cè)點(diǎn)布置見圖4．混凝土的測(cè)點(diǎn)布置見圖5．碳纖維板測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖見圖6．

圖2 張拉裝置整體設(shè)計(jì)圖Fig.2 The overall blueprint of Tensioning device

圖3 張拉設(shè)備實(shí)物圖Fig.3 Tensioning device object graph

圖4 鋼筋測(cè)點(diǎn)（單位：mm）Fig.4 Steel arrangement of measuring points

圖5 混凝土測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.5 Concrete arrangement of measuring points

圖6 碳纖維板測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.6 CFRB arrangement of measuring points

試驗(yàn)通過手動(dòng)式液壓千斤頂采用分級(jí)加載的加載方案，試驗(yàn)開始前，先進(jìn)行預(yù)加載一兩級(jí)，檢驗(yàn)百分表安裝是否穩(wěn)定和試驗(yàn)儀器能否正常工作．等儀器檢查完成準(zhǔn)確無誤后進(jìn)行卸載，靜置15 m in后進(jìn)行正式加載．正式加載時(shí)，加載制度為：小于70%試算開裂荷載時(shí)采用10 kN/級(jí)進(jìn)行加載，大于70%試算開裂荷載后然后改為5 kN/級(jí)進(jìn)行加載．截面開裂后小于70%試算屈服荷載時(shí)采用20 kN/級(jí)進(jìn)行加載，然后改為10 kN/級(jí)加載直至試件受拉鋼筋屈服．屈服后改為變形控制，1mm/級(jí)加載直至試件破壞．每級(jí)荷載加載完畢后持荷5m in，觀察裂縫發(fā)展情況和構(gòu)件撓度的變化．另外，為了測(cè)量試驗(yàn)加載過程中梁體變形情況，在梁的支座跨中、支座截面以及三分點(diǎn)分別布置百分表，來測(cè)量試件的跨中最大變形，支座沉降和加載點(diǎn)變形．裝置詳圖如圖7所示．加載現(xiàn)場(chǎng)如圖8．

圖7 加載示意（單位：mm）Fig.7 Loading diagram

圖8 加載現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Loading live-action

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

試驗(yàn)所采用配筋率為0.8%的適筋梁，把對(duì)比梁B0進(jìn)行靜力抗彎荷載試驗(yàn)，其試驗(yàn)現(xiàn)象與標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件相吻合．當(dāng)荷載施加到76 kN時(shí)，在試驗(yàn)梁跨中純彎段梁底出現(xiàn)第一條豎向裂縫，當(dāng)荷載在330 kN擺動(dòng)時(shí)，梁B0底主筋裂縫達(dá)到1.5mm，撓度增大到23.69mm，宣告試驗(yàn)梁破壞．當(dāng)荷載加到75 kN時(shí)，在梁B1底跨中純彎段出現(xiàn)第1條豎向裂縫，當(dāng)荷載增加到355 kN時(shí)，梁底CFRP板出現(xiàn)“啪啪”的響聲，在梁底CFRP板出現(xiàn)輕微剝離，見圖9．試驗(yàn)梁B2在荷載施加到90 kN時(shí)，在跨中梁底純彎段出現(xiàn)豎向裂縫，此時(shí)梁的撓度變形為2.04mm；荷載繼續(xù)增大的同時(shí)，在彎剪區(qū)開始出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)荷載增加到376 kN時(shí)，此時(shí)梁底CFRP板出現(xiàn)刺耳的“啪啪”響聲，在梁底結(jié)構(gòu)膠也出現(xiàn)輕微開裂，見圖10．試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，從B1、B2梁碳板的剝離情況來看，碳板預(yù)應(yīng)力的施加有助于緩解碳板的剝離．

圖9 B1碳板剝離Fig.9 Carbon plate stripping

圖10 B2結(jié)構(gòu)膠開裂Fig.10 Structural plastic cracking

2.1 試驗(yàn)梁承載性能分析

各試驗(yàn)梁承載性能分析如表2所示．

從表2可以看出與對(duì)比梁B0的開裂荷載相比，梁B1的開裂荷載幾乎沒有發(fā)生變化，而梁B2的開裂荷載提高至118%．說明施加預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的梁在提高抗彎構(gòu)件的抗裂性能方面有一定的作用．對(duì)于屈服荷載和極限荷載而言，梁B1分別提高至109%和108%，梁B2提高至117%和114%．說明粘貼CFRP板和施加預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的梁承載能力有所提高，施加預(yù)應(yīng)力加固效果更加明顯．與梁B1相比，梁B2開裂荷載提高值與屈服荷載提高值很接近，這是因?yàn)樵嚰撞炕炷灵_裂至鋼筋屈服的過程中，鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)值一定，根據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)，碳纖維板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也為定值，梁B1與梁B2的鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)與碳纖維板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相同，因此荷載值增長(zhǎng)也會(huì)接近，所以這一結(jié)果是合理的．

2.2 裂縫分析

由表3可以看出試件破壞時(shí)，B1、B2梁的裂縫條數(shù)與B0梁相比依次增多，而裂縫范圍同樣比B0梁分布廣，但B1、B2梁裂縫分布范圍相差不大，B0、B1、B2梁的裂縫平均間距依次減?。?jīng)過分析可知對(duì)試驗(yàn)梁粘貼CFRP板或粘貼施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板，增大了裂縫的分布范圍，避免了局部大裂縫的出現(xiàn)，從而避免了梁因局部產(chǎn)生過大的變形而脆性破壞．因此，CFRP板加固后的梁在提高承載力的同時(shí)，增加了裂縫的數(shù)量，減小了裂縫寬度，提高了構(gòu)件的耐久性，滿足了構(gòu)件正常的使用要求，并且預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁效果更明顯．鋼筋屈服即梁B0、B1、B2分別荷載達(dá)到308 kN、335 kN、359 kN后，梁的荷載增加相對(duì)緩慢，裂縫寬度迅速增長(zhǎng)，CFRP板由此發(fā)揮的作用增強(qiáng)，限制相同荷載作用下裂縫的延展．

表2 試驗(yàn)梁承載性能Tab.2 Test beam bearing capacity

2.3 剛度分析

圖11為各梁的跨中彎矩-撓度曲線，從中可以分析出，開裂前3個(gè)試件變形曲線基本重合，初始剛度大致相同；在跨中彎矩達(dá)到91.2 kN m，對(duì)比梁B0開裂荷載，與其相比，B1、B2兩根加固梁的抗變形能力都有所提高，B1梁的剛度提高14.3%，B2梁的剛度提高27.6%，說明CFRP板隨著混凝土開裂，梁體變形加大，CFRP板的增強(qiáng)作用逐漸發(fā)揮出來，特別是施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板的增強(qiáng)作用更加明顯；跨中彎矩達(dá)到369.6 kN m，也即對(duì)比梁B0的屈服荷載后，鋼筋應(yīng)力不再增長(zhǎng)，增加的荷載轉(zhuǎn)為CFRP板承擔(dān)，所以對(duì)比梁 B0的承載能力不再增加，加固梁 B1、B2的承載力還繼續(xù)增長(zhǎng)，各試件屈服荷載后的平均剛度分別為0.26 kN m/mm、2.64 kN m/mm、3.35 kN m/mm，相比對(duì)比梁B0，B1、B2的剛度均有大幅度提高，施加預(yù)應(yīng)力后的CFRP板在鋼筋屈服后的增強(qiáng)作用更加顯著，有效地限制裂縫的開展，具有良好的變形性能．B0的剛度出現(xiàn)負(fù)數(shù)是因?yàn)樵嚰钥缰凶畲罅芽p達(dá)到 1.5mm為破壞標(biāo)志，試件破壞荷載小于試件屈服荷載．

表3 試驗(yàn)梁裂縫開展范圍表Tab.3 Test beam crack propagation

圖11 荷載—撓度曲線Fig.11 Load-deflection curve

2.4 CFRP板和鋼筋協(xié)同性分析

試驗(yàn)梁跨中鋼筋、CFRP板荷載-應(yīng)變曲線如圖12所示．開裂前，B1、B2梁的鋼筋和CFRP板的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)值幾乎相同，開裂之后，由于B2梁CFRP板施加了預(yù)應(yīng)力，使得CFRP板的應(yīng)變?cè)黾恿看笥谕群奢d作用下的鋼筋的增加量；由于CFRP板發(fā)揮強(qiáng)度需要一定的變形，此時(shí)梁的變形不大，所以B1梁在同等荷載作用下CFRP板的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)值比鋼筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)值小，隨著梁變形的增加，CFRP板承受的拉力越來越大，應(yīng)變值越來越大．在鋼筋屈服后，B1和B2梁CFRP板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)值相比鋼筋大得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋應(yīng)變．

2.5 CFRP板強(qiáng)度利用效率分析

CFRP板是高強(qiáng)性能材料，具有很高的抗拉強(qiáng)度．在利用CFRP板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，CFRP板自身發(fā)揮的強(qiáng)度即是否被充分利用是值得大家關(guān)注的一個(gè)問題．為了解決這個(gè)問題，表5列出了CFRP板的強(qiáng)度利用效率．

由上述結(jié)果可以看出施加預(yù)應(yīng)力的CFRP板的應(yīng)變值比粘貼的CFRP板在加載過程中的各個(gè)階段都大．梁破壞時(shí)，B1梁的CFRP板應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)了4 122，大約為CFRP板極限抗拉強(qiáng)度的28.7%，B2梁的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)了457 9，總應(yīng)變占CFRP板極限抗拉強(qiáng)度的56.9%．經(jīng)分析表明，無論是在開裂荷載、屈服荷載或極限荷載，預(yù)應(yīng)力加固后的構(gòu)件的CFRP板的使用效率均大于不加預(yù)應(yīng)力加固構(gòu)件的CFRP板，使CFRP板材料高強(qiáng)性能充分發(fā)揮．

表5 CFRP板的強(qiáng)度利用效率Tab.5 The utilization rate of the CFRP plate

圖13 跨中鋼筋與CFRP板的荷載-應(yīng)變曲線Fig.13 Span reinforced with CFRP plate load-strain curves

3 結(jié)論

1）本試驗(yàn)所用的錨具在張拉過程中沒有出現(xiàn)滑移，錨固效果良好．

2）預(yù)應(yīng)力加固后的梁對(duì)構(gòu)件抗裂性能提高明顯而粘貼CFRP板加固后的梁對(duì)構(gòu)件的抗裂性能影響不大；CFRP板加固后對(duì)構(gòu)件的屈服荷載和極限荷載產(chǎn)生極為有利的影響并且大大提高了CFRP板的利用效率，預(yù)應(yīng)力加固梁影響幅度更明顯．

3）從粘貼CFRP板加固到施加預(yù)應(yīng)力加固相對(duì)于對(duì)比梁裂縫發(fā)展緩慢，裂縫分布范圍廣且細(xì)密．粘貼碳纖維板對(duì)梁的剛度有所提高，預(yù)應(yīng)力加固的梁提高幅度更大，此效果在開裂后更為明顯．鋼筋和CFRP板受力協(xié)同性良好．

[1]彭暉．預(yù)應(yīng)力碳纖維片材加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的性能研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

Experimental study on fiexura behavior of reinforced concrete strengthened with carbon fiber plates

GUO Rong1,2，WU Erpeng1,3，ZHANG Baohu3，SONG Chang1,3，ZHAO Shaowei1,2

(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province,Tianjin300401,China;3.Tianjin Highway Engineering General Corporation,Tianjin 300201,China)

This article conducts bending static load test after tensioning CFRP at the basic of a tensioning anchorage independently developed and reinforcing CFRP to bending test beam.Test shows that cracking load of beam pasting CFRP plate has not changed,while prestressed CFRP plate reinforcement beam cracking load has obviously improved and delay the cracks of beam.Reinforced beams yield load and ultimate load are improved,at the same time increase the stiffness and ductility of beams.In the process of the test,pasting CFRP plate reinforcement beam more than a quarter of CFRP plate ultimate tensile strength.Reinforcement of prestressed CFRP plate is almost twice of paste CFRP plate and give full play to the strength of materials.Test of anchorage slip did not appear in the process of the beam loaded,the anchoring effect is good.

CFRP plate;tensioning equipment;prestressed;reinforcement;bending test

TU378.2

A

1007-2373(2015)05-0106-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.017

2015-08-03

天津市交通運(yùn)輸科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2016A-02）

郭蓉（1974-），女（漢族），副教授，博士．