預(yù)應(yīng)力CFRP加固高強(qiáng)混凝土梁試驗(yàn)

洪 雷，太永偉

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在建筑物的加固中。CFRP的加固方法是將CFRP黏結(jié)在混凝土表面上，進(jìn)而提高被加固構(gòu)件的承載力、變形和延性等性能，但由于CFRP有著極高的抗拉強(qiáng)度(超過(guò)3 000 MPa)，在構(gòu)件破壞后尚不能完全發(fā)揮其抗拉性能，因此采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固構(gòu)件會(huì)更好發(fā)揮CFRP的高抗拉特性，從而避免黏結(jié)界面的應(yīng)力滯后效應(yīng)等現(xiàn)象[1-13]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維布加固混凝土梁進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[14-21]。尚守平等[19]根據(jù)研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁構(gòu)件的性能，對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的受彎構(gòu)件和非預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的受彎構(gòu)件的荷載、抗彎剛度和工作性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力碳纖維布極大地提高了梁的工作性能。劉立新等[20]對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了研究，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁其抗裂性增強(qiáng)，碳纖維布強(qiáng)度的利用率都得以提高。本文采用不同預(yù)應(yīng)力等級(jí)的CFRP對(duì)無(wú)筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行了加固，并對(duì)加固后的梁構(gòu)件性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60，其中水泥采用PⅡ.52.5R普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，粗骨料選用粒徑5～10 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，減水劑為聚羧酸高效減水劑，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度為69.84 MPa，配合比如表1所示。CFRP布采用日本東麗UT70-30單向編織碳纖維布；底涂樹脂和浸漬樹脂采用JGN型碳纖維建筑結(jié)構(gòu)膠，甲、乙兩組分按照3∶1的比例配制。常溫下CFRP力學(xué)性能見表2。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Concrete kg·m-3

表2 CFRP力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Properties of CFRP

1.2 試件制作

預(yù)應(yīng)力加載裝置采用自行設(shè)計(jì)的持載器，由三部分構(gòu)成[16]：第1部分為試件的上連接裝置，主要由球鉸、荷載傳感器、槽型鐵、插銷四部分組成；第2部分為直接作用在試件上的持載裝置；第3部分為試件與試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行連接的底座裝置，見圖2。

試驗(yàn)梁在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，用角磨機(jī)將粘貼CFRP的位置打磨平整，磨去表面漿體，露出粗骨料。在梁兩側(cè)粘貼CFRP布作為錨固端，布寬為27束(約為70 mm)，為防止預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)剝離，在2個(gè)錨固端處再貼1層CFRP布，粘貼示意圖見圖3。通過(guò)加載裝置施加預(yù)應(yīng)力，調(diào)整至相應(yīng)等級(jí)的預(yù)應(yīng)力值后將CFRP粘貼在梁的底面，將梁同持載器在室溫環(huán)境下靜置7 d，待結(jié)構(gòu)膠完全固化后剪斷CFRP布，將持載器拆下。為防止CFRP在高預(yù)應(yīng)力下放張時(shí)剝離，在梁端部設(shè)置了70 mm寬的U形箍，加固梁示意圖見圖4。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)不同的初始預(yù)應(yīng)力等級(jí)，每組設(shè)置P01(非預(yù)應(yīng)力)對(duì)比件和P02(0.15fcfk)，P03(0.30fcfk)2個(gè)等級(jí)的預(yù)應(yīng)力試件，其中fcfk為碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)梁種類和CFRP預(yù)應(yīng)力等級(jí)對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，K表示梁種類，K1為鋼筋混凝土梁，K2為無(wú)筋混凝土梁，P表示CFRP預(yù)應(yīng)力，共6組，每組3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

采用100 t電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)加載，加載采用位移加載方式，加載過(guò)程中通過(guò)德國(guó)制造的IMC數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，加載速率為0.2 mm·min-1，持續(xù)施加荷載，直至試驗(yàn)梁破壞，停止加載，試驗(yàn)裝置見圖5。試驗(yàn)主要采集以下數(shù)據(jù)：①通過(guò)100 kN荷載傳感器測(cè)量試件所承受的荷載；②用線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)測(cè)量試件的跨中撓度；③進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，包括梁跨中受拉鋼筋的應(yīng)變，以及梁底面CFRP的應(yīng)變，具體粘貼位置如圖6所示。

2 結(jié)果分析

2.1 荷載及撓度分析

表3列出了各組試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果。由表3可見：相比于K1P01試驗(yàn)梁，CFRP施加預(yù)應(yīng)力的加固梁開裂荷載、極限荷載均有了明顯的提高；K1P03試驗(yàn)梁相比于K1P02試驗(yàn)梁其開裂荷載的增幅逐漸趨于平穩(wěn)，而極限荷載有更為明顯的提高趨勢(shì)。

表3 各試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of Test Beams

注：F0.2為最大裂縫寬度0.2 mm時(shí)的荷載。

由表2還可以看出：鋼筋混凝土梁試驗(yàn)中，隨著CFRP預(yù)應(yīng)力從0提高到0.15fcfk，0.30fcfk，其開裂荷載分別提高了28%，38%，極限荷載分別提高了10%，25%；無(wú)筋混凝土梁試驗(yàn)中，開裂荷載分別提高了19%，30%，極限荷載分別提高了8%，28%。表明預(yù)應(yīng)力CFRP加固無(wú)筋梁與有筋梁的各項(xiàng)荷載提升幅度基本一致，加固效果大致相同。

與K1P01梁對(duì)比可以看出，CFRP預(yù)應(yīng)力為0.15fcfk，0.30fcfk的鋼筋混凝土梁在最大裂縫為0.2 mm時(shí)的荷載相對(duì)于預(yù)應(yīng)力為0的鋼筋混凝土梁分別提高了10%，24%，無(wú)筋混凝土梁在此荷載時(shí)分別提高了23%，40%。表明預(yù)應(yīng)力CFRP加固無(wú)筋混凝土梁抑制裂縫效果更為明顯。

圖7為鋼筋混凝土梁及無(wú)筋混凝土梁的荷載-撓度曲線。有筋及無(wú)筋混凝土梁的荷載-撓度曲線可大致分為3個(gè)階段：第1階段為試驗(yàn)梁的彈性上升階段，基本呈線性變化；第2階段為試驗(yàn)梁開裂后階段，開裂界面混凝土拉應(yīng)力迅速釋放，導(dǎo)致混凝土與CFRP黏結(jié)界面應(yīng)力不斷增加，其間曲線非線性增長(zhǎng)緩慢，隨著荷載震蕩的上升，裂縫不斷地產(chǎn)生與開展，直至達(dá)到極限荷載，此階段為剝離段，階段的長(zhǎng)度代表著結(jié)構(gòu)的延性，剝離段越長(zhǎng)，其延性越好；第3階段為極限荷載后的極速下降段，主裂縫迅速開展，CFRP從主裂縫不斷剝離，直至沿一側(cè)完全剝離，試驗(yàn)梁承載力喪失。

加固鋼筋混凝土梁與無(wú)筋混凝土梁明顯區(qū)別段為第2階段。進(jìn)入混凝土開裂后，無(wú)筋混凝土梁存在明顯的下降段，但由于CFRP迅速發(fā)揮作用，梁承載力繼續(xù)提升，隨著預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，其承載能力提高幅度逐漸增大，直至CFRP與混凝土界面剝離，達(dá)到其極限承載力；鋼筋混凝土梁因鋼筋和CFRP的存在，在開裂后沒有明顯的下降段，荷載有微小幅度的震蕩上升，直至CFRP與混凝土界面剝離，達(dá)到極限荷載。

達(dá)到梁極限承載力后，無(wú)筋混凝土梁承載力迅速下降，并隨著預(yù)應(yīng)力CFRP等級(jí)的提高，下降段愈加明顯；加固鋼筋混凝土梁隨著預(yù)應(yīng)力CFRP等級(jí)的提高，其下降幅度較小，且其延性有了顯著的提高，在預(yù)應(yīng)力CFRP由0.15fcfk提高至0.30fcfk，剝離段增長(zhǎng)明顯，表明其延性有大幅提高。

2.2 破壞形態(tài)分析

2.2.1 無(wú)筋混凝土梁破壞形態(tài)分析

圖8(a),(b)分別為0.15fcfk，0.30fcfk預(yù)應(yīng)力CFRP加固的無(wú)筋混凝土梁破壞形態(tài)，其破壞形態(tài)均為中部彎剪裂縫引起的界面剝離破壞。無(wú)筋混凝土梁在加載過(guò)程中裂縫主要分布在試驗(yàn)梁的一側(cè)，且裂縫數(shù)量少，主要為彎剪裂縫。隨著CFRP預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，其裂縫數(shù)量明顯減少。

加載初期在彎剪段出現(xiàn)裂縫，裂縫不斷開展，直至荷載達(dá)到一定值時(shí)，CFRP與混凝土界面迅速剝離，致使梁承載能力喪失，梁頂混凝土并未壓碎。剝離后CFRP上黏著少量的混凝土顆粒，但隨著預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，粘貼的混凝土顆粒越來(lái)越多，甚至伴隨著保護(hù)層的剝落。這表明隨著預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，其界面破壞由膠層的破壞逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層與混凝土的破壞。

2.2.2 鋼筋混凝土梁破壞形態(tài)分析

圖9(a)，(b)分別為0.15fcfk，0.30fcfk預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼筋混凝土梁破壞形態(tài)，圖9(c)，(d)分別為0.15fcfk，0.30fcfk預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土梁梁底破壞形態(tài)。鋼筋混凝土梁裂縫明顯增多，這是由于鋼筋的存在極大地增加了梁的強(qiáng)度與延性，使其承載力有了顯著的提高，導(dǎo)致梁在不斷加載中出現(xiàn)更多的裂縫。梁的破壞形態(tài)均為中部彎剪裂縫引起的界面剝離破壞，裂縫較均勻地分布在梁的兩側(cè)。隨著荷載的增加，彎剪段的主裂縫不斷開展，當(dāng)達(dá)到一定水平時(shí)，CFRP與混凝土界面剝離，伴隨著上部混凝土被壓碎，試驗(yàn)梁達(dá)到其極限承載能力。

對(duì)比0.15fcfk，0.30fcfk預(yù)應(yīng)力梁破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，0.30fcfk預(yù)應(yīng)力梁裂縫明顯減少，剝離后的CFRP上黏結(jié)下更多的混凝土，不僅有表層的泥漿，同時(shí)上面附著部分粗骨料，其界面破壞為膠層與混凝土的破壞。表明高預(yù)應(yīng)力CFRP下可延緩梁裂縫的開展與發(fā)展，同時(shí)對(duì)CFRP與混凝土黏結(jié)界面有著更好的黏結(jié)效應(yīng)。

2.3 荷載-應(yīng)變分析

圖10為鋼筋混凝土梁以及無(wú)筋混凝土梁的荷載-應(yīng)變曲線。鋼筋混凝土梁和無(wú)筋混凝土梁的荷載-跨中應(yīng)變曲線大致可分為3個(gè)階段：第1階段為彈性階段，曲線基本呈線性變化，CFRP跨中應(yīng)變隨著荷載增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；第2階段為混凝土開裂后CFRP的剝離階段，由于混凝土開裂后混凝土界面的拉應(yīng)力迅速釋放導(dǎo)致CFRP應(yīng)變的不斷增長(zhǎng)，其中曲線的波折點(diǎn)為混凝土開裂或者CFRP與混凝土界面開始產(chǎn)生剝離；第3階段為達(dá)到極限荷載，試驗(yàn)梁破壞。由于預(yù)應(yīng)力CFRP的存在，有筋梁的延性比無(wú)筋梁有著顯著提高，CFRP的利用率有了明顯提升。

相比于CFRP加固試件，預(yù)應(yīng)力CFRP加固試件開裂荷載和CFRP極限應(yīng)變明顯增大，隨著CFRP預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，增大幅度更為明顯。由圖10可見，相比于K2P02和K2P01試件，K2P03試件極限荷載和極限CFRP應(yīng)變大幅增大。由此可見，預(yù)應(yīng)力CFRP加固試件的承載能力明顯高于普通CFRP加固試件，同時(shí)預(yù)應(yīng)力CFRP的存在明顯提高了CFRP利用率，合理利用了CFRP高強(qiáng)特性，提高了試件的工作性能。與CFRP預(yù)應(yīng)力由0提升至0.15fcfk相比，CFRP預(yù)應(yīng)力由0.15fcfk提升至0.30fcfk，梁底CFRP跨中應(yīng)變提升幅度明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼筋混凝土梁與無(wú)筋混凝土梁的破壞為中部彎剪裂縫引起的界面破壞，隨著CFRP預(yù)應(yīng)力等級(jí)的提高，其破壞形態(tài)由樹脂膠層的破壞變成膠層與混凝土界面的破壞。

(2)預(yù)應(yīng)力CFRP顯著提高了加固梁的開裂荷載和極限荷載。CFRP預(yù)應(yīng)力由0提高到0.15fcfk，0.30fcfk時(shí)，無(wú)筋混凝土梁極限荷載分別提高了8%和28%，開裂荷載分別提高了19%和30%；2個(gè)有筋混凝土梁極限荷載分別提高了10%和25%，開裂荷載提高了28%和38%。

(3)預(yù)應(yīng)力CFRP加固鋼筋混凝土梁相比無(wú)筋混凝土梁其裂縫數(shù)量明顯增多，裂縫開展速率緩慢，且鋼筋混凝土梁的延性有了明顯增強(qiáng)。