碳纖維布加固鋼筋混凝土T型梁抗彎扭性能試驗(yàn)研究

王 儀，王兆晨，趙 晉，尤培波

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

由于環(huán)境侵蝕、火災(zāi)地震等環(huán)境因素和施工失誤、碰撞沖擊等人為因素，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用中可能會(huì)出現(xiàn)承載力不足、耐久性降低等現(xiàn)象。常用的加固方法有粘鋼法、增大截面法、復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法和外貼碳纖維布(CFRP)等[1]。其中，碳纖維布加固具有成本相對(duì)低、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性能好、施工方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用碳纖維布加固方法進(jìn)行了大量的研究，主要涉及抗彎加固、抗剪加固和抗壓加固研究。其中，Al-Negheimish等[4]進(jìn)行了碳纖維布加固扁寬梁抗彎試驗(yàn)，結(jié)果顯示加固梁的抗彎承載力顯著提高；仇澤等[5]進(jìn)行了碳纖維布修復(fù)加固帶損傷梁試驗(yàn)，試驗(yàn)表明加固效果取決于二者的粘結(jié)性能；周朝陽等[6]提出新型抗剪加固方法，試驗(yàn)得出混錨預(yù)應(yīng)力加固顯著提高梁的抗剪承載力；趙晉等[7]進(jìn)行了CFRP板加固梁抗剪試驗(yàn)，得出內(nèi)嵌碳纖維板條加固可以有效增大梁的承載力；蔡斌等[8]通過MATLAB進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了碳纖維加固大偏心受壓柱承載力可靠度變化規(guī)律；葉列平等[9]進(jìn)行了FRP布約束混凝土方柱軸心受壓性能的有限元分析，得出與試驗(yàn)相近的結(jié)果，為今后進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和影響因素分析奠定了基礎(chǔ)。而在碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土梁加固中，研究大多集中在矩形截面梁，對(duì)T型截面梁的研究較少，而在建筑結(jié)構(gòu)中，T型梁同樣應(yīng)用廣泛；對(duì)梁受彎情況下的研究較多，對(duì)彎扭復(fù)合作用下的研究較少。因此，本文進(jìn)行了在彎扭復(fù)合作用下，碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土T型梁加固效果的試驗(yàn)研究，并與僅受彎矩作用的加固構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比，為今后采用碳纖維布加固在復(fù)合受力狀態(tài)下鋼筋混凝土T型梁的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)試件

試驗(yàn)一共制作9根鋼筋混凝土T型梁。梁全長(zhǎng)為2 700 mm，尺寸為bf=250 mm，hf=75 mm，b=150 mm，h=300 mm。其中，縱向受力鋼筋選用2Φ14，架立鋼筋選用4Φ8。箍筋選用Φ6，采取兩端加密的布置方式，兩端箍筋間距為100 mm，跨中箍筋間距為200 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，梁左端底部安裝固定鉸支座，支座中心距離梁左端150 mm；梁右端底部安裝活動(dòng)鉸支座，支座中心距離梁右端150 mm。3根梁受彎矩作用，6根梁受彎扭復(fù)合作用。為施加扭矩，在T型梁的左端增加一段長(zhǎng)為300 mm的矩形段。梁的具體尺寸見圖1。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)試了混凝土梁中材料參數(shù)，見表1。

1.2 加固方案

試驗(yàn)所設(shè)置的加固方案如表2所示，具體加固形式見圖2。表中試驗(yàn)梁編號(hào)解釋如下：試驗(yàn)梁的梁編號(hào)由三段構(gòu)成，第一段中的字母NW表示彎扭復(fù)合作用下的試驗(yàn)梁，字母WJ表示彎矩作用下的試驗(yàn)梁；第二段的字母D表示底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布，字母K表示僅在跨中荷載作用點(diǎn)之間粘貼碳纖維布；第三段的數(shù)字1～3表示粘貼碳纖維布的層數(shù)。若第二段無字母時(shí)，梁底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布且每隔105 mm粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍(參考梁除外)進(jìn)行錨固；若第二段有字母時(shí)，僅在碳纖維布兩端粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍進(jìn)行錨固。

表2 加固方式

注：粘貼碳纖維布的梁都在碳纖維布的兩端粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍各一個(gè)

圖2 加固簡(jiǎn)圖

1.3 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)梁采用兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，使用60 T高精度推力千斤頂進(jìn)行加載，通過分配梁將跨中荷載分配在梁上，使得梁中部建立純彎段；為施加扭矩，在梁的左端矩形段上施加扭矩荷載。加載裝置如圖3所示。

正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載。正式加載時(shí)，首先施加扭轉(zhuǎn)荷載，方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，當(dāng)扭矩增加到2 400 N·m時(shí)，保持扭矩不變(僅受彎矩作用的梁不需施加扭轉(zhuǎn)荷載)；然后進(jìn)行受彎加載，開始加載時(shí)跨中荷載每級(jí)增加5 kN，持續(xù)作用時(shí)間為5 min，加載至出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)，將每級(jí)加載增大到10 kN，并維持每級(jí)荷載的持續(xù)作用時(shí)間不變，直至加載到梁腹板出現(xiàn)大部分裂縫且裂縫寬度明顯加大，這時(shí)將每級(jí)加載降低為3 kN，但每級(jí)荷載的持續(xù)作用時(shí)間不變，直至加載梁被破壞。

圖3 加載裝置

1.4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

在千斤頂?shù)捻敳堪仓昧鞲衅?；在梁上共布?個(gè)位移計(jì)，分別位于梁兩端支座處頂部、梁跨中底部和梁左右各三分之一處底部，進(jìn)行梁位移和撓度的測(cè)量；在梁跨中位置的底部縱筋上布置兩個(gè)應(yīng)變片，進(jìn)行鋼筋應(yīng)變的測(cè)量。圖4為位移計(jì)布置圖，以NW-0為例。

圖4 位移計(jì)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)及破壞模式

試驗(yàn)過程中，采集了各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，描繪了裂縫的分布及發(fā)展規(guī)律，并記錄了最終的破壞形式，在此基礎(chǔ)上，確定了構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載。試驗(yàn)梁的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

注：Pc表示開裂荷載；Py表示屈服荷載；Pu表示極限荷載；Pu/Pu，c表示強(qiáng)度提高率；δy表示屈服撓度；δu表示極限撓度；δu/δy表示延性。

由表3可知：梁的破壞模式以CFRP斷裂和U型箍剝離為主；同時(shí)對(duì)比NW-D-2和WJ-D-2可知，僅在梁端部進(jìn)行U型箍錨固的梁，容易發(fā)生CFRP剝離破壞。其梁破壞模式如圖5所示。以NW-3梁為例，其破壞過程如下：先施加扭矩，后施加彎矩荷載；加載到45 kN時(shí)，梁底部跨中位置附近出現(xiàn)第一條裂縫；加載到199 kN時(shí)，碳纖維布部分開裂，出現(xiàn)斷裂響聲，此時(shí)撓度為17.75 mm；加載到206.6 kN時(shí)，梁右端U型箍開始剝離混凝土表面，破壞荷載為209.8 kN。試驗(yàn)梁的破壞模式如圖5所示。

圖5 梁破壞模式

2.2 結(jié)果分析

梁跨中的荷載-撓度關(guān)系反映了梁承載能力的變化，本試驗(yàn)中各工況的荷載-撓度曲線都近似由三段直線組成，曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)開裂荷載，曲線第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)屈服荷載。則每根加固梁的受力過程可分為三個(gè)階段，第一階段為開始加載到混凝土開裂；第二階段為混凝土開裂到縱向受拉鋼筋屈服；第三階段為縱向受拉鋼筋屈服到梁最終破壞。

2.2.1 碳纖維布層數(shù)對(duì)加固效果的影響

將NW-1、NW-2、NW-3與NW-0歸為第一組梁，用于分析不同碳纖維布粘貼層數(shù)對(duì)加固效果的影響，其荷載-撓度曲線如圖6所示。

圖6 第一組梁荷載-撓度曲線

由圖6和表3可知：

(1)在混凝土開裂前，碳纖維布對(duì)梁的抗彎剛度影響不大，在第一階段末，開裂荷載隨著碳纖維布層數(shù)的增加變化不大；

(2)當(dāng)混凝土開裂后，碳纖維布加固作用的效果明顯，其加固T型梁的抗彎剛度隨著碳纖維布層數(shù)的增加而增大；在第二階段末，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，屈服荷載也隨之增加；

(3)當(dāng)縱向受力鋼筋屈服后，碳纖維布承受大部分的作用力；隨著碳纖維布層數(shù)的增加，極限荷載隨之提高，粘貼一層碳纖維布可使極限荷載增加約8.8%；粘貼兩層碳纖維布可使極限荷載增加約42.7%；粘貼三層碳纖維布可使極限荷載增加約53.9%；但不難發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維布粘貼層數(shù)的增加極限荷載的增加程度有下降的趨勢(shì)；

(4)根據(jù)延性的定義，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，鋼筋混凝土T型梁的延性有降低的趨勢(shì)，粘貼一層碳纖維布時(shí)的延性下降30.0%；粘貼兩層碳纖維布時(shí)的延性下降43.1%；粘貼三層碳纖維布時(shí)的延性下降54.3%；因此在進(jìn)行碳纖維布加固時(shí)所粘貼的碳纖維布的層數(shù)不易過多。

2.2.2 碳纖維布粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)加固效果的影響

將NW-2、NW-D-2、NW-K-2與參考梁歸為第二組梁，用于分析碳纖維布粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)加固效果的影響，其荷載-撓度曲線如圖7所示。

由圖7和表3可知：

圖7 第二組梁荷載-撓度曲線

(1)對(duì)比NW-2、NW-D-2與NW-0曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在底部全長(zhǎng)粘貼兩層碳纖維布時(shí)，相對(duì)比未加固梁，梁屈服荷載分別增加了17.5%和38.4%，極限荷載分別增加42.7%和52.8%，說明底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布加固效果顯著；對(duì)比NW-K-2與NW-0曲線，不難發(fā)現(xiàn)此時(shí)二者曲線比較接近，說明當(dāng)僅在底部跨中粘貼碳纖維布時(shí)，不能有效提高屈服荷載和極限荷載，其加固效果不明顯。由此可見，碳纖維布的粘貼長(zhǎng)度對(duì)加固梁受力性能的提高起著至關(guān)重要的作用。

(2)對(duì)比NW-2與NW-D-2曲線，發(fā)現(xiàn)二者的加固效果比較接近，NW-2的開裂荷載略大于NW-D-2曲線，說明沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U型箍錨固的方式抗裂的效果較好；然而在彎扭荷載復(fù)合作用下，采用僅在端部用U型箍錨固的方式的梁抗彎性能略好于沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U型箍錨固的梁，說明采用沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U箍錨固的方式并不能明顯改善梁的抗彎承載能力。

2.2.3 荷載作用方式對(duì)加固效果的影響

將NW-0、NW-D-2、NW-K-2與WJ-0、WJ-D-2、WJ-K-2歸為第三組梁，用于分析不同荷載作用方式對(duì)加固效果的影響，其荷載-撓度曲線如圖8所示。

圖8 第三組梁荷載-撓度曲線

由圖8和表3可知：

(1)對(duì)比曲線可知，分別在彎扭復(fù)合作用和彎矩單獨(dú)作用下，各T型梁的開裂荷載比較接近，說明不同荷載作用方式對(duì)加固后T型梁的開裂荷載影響不大。

(2)對(duì)比NW-0與WJ-0、NW-D-2與WJ-D-2、NW-K-2與WJ-K-2三組曲線可知，對(duì)于不同碳纖維布加固方式，在彎扭復(fù)合作用下，梁的屈服荷載和極限荷載相較彎矩單獨(dú)作用時(shí)均有所增加，說明此時(shí)由于順時(shí)針扭轉(zhuǎn)荷載的存在，對(duì)梁的抗彎承載能力有提高的作用；表明荷載作用方式對(duì)于梁的加固效果有著不可忽視的影響，對(duì)于此種情況應(yīng)該在工程中引起重視，與僅受彎矩作用的梁的加固方式應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

(3)對(duì)比曲線結(jié)合表3可知，僅改變梁的受力狀態(tài)，對(duì)鋼筋混凝土T型梁的延性影響不大。

3 結(jié)論

通過碳纖維布加固彎扭復(fù)合作用下鋼筋混凝土T型梁的試驗(yàn)，分析了不同CFRP粘貼層數(shù)、粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)鋼筋混凝土梁彎扭復(fù)合作用下性能的影響；同時(shí)對(duì)比了彎扭復(fù)合作用和僅受彎矩作用時(shí)對(duì)梁的加固效果的影響，主要結(jié)論如下：

(1)在彎扭復(fù)合作用下，采用CFRP加固鋼筋混凝土T型梁時(shí)，不同的CFRP粘貼層數(shù)、粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)鋼筋混凝土梁的開裂荷載影響不大；采用底部全長(zhǎng)粘貼CFRP時(shí)，隨著粘貼層數(shù)的增加鋼筋混凝土T型梁的抗彎承載能力逐漸增大，但承載能力增加的程度和鋼筋混凝土T型梁的延性均有下降的趨勢(shì)，說明并非粘貼CFRP的層數(shù)越多越好，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推薦選用粘貼兩層比較合理；通過對(duì)比不同CFRP粘貼長(zhǎng)度和錨固方式的梁的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿梁底部全長(zhǎng)粘貼的效果明顯優(yōu)于僅在梁底部跨中粘貼，且采用U形箍端部錨固即可達(dá)到良好的抗彎加固效果。因此，為了保證加固效果，推薦沿梁底部全長(zhǎng)粘貼端部錨固的加固方式即可。

(2)在不同荷載作用下，梁的加固與其受力狀態(tài)密切相關(guān)。在實(shí)際工程中，梁經(jīng)常處于復(fù)合受力狀態(tài)，為達(dá)到良好的加固效果，不能僅關(guān)注梁在受彎狀態(tài)的加固，更應(yīng)該重視梁在彎矩、扭矩等荷載復(fù)合作用下的加固方法研究。