CFRP布加固損傷RC梁抗彎性能試驗(yàn)研究

黃俊豪 錢永久 楊華平 黎璟

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；3.四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610094

橋梁是立體交通網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。由于修建時(shí)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不高、運(yùn)營時(shí)管理養(yǎng)護(hù)不到位、設(shè)計(jì)使用壽命即將到期等原因，大量既有橋梁“帶病工作”，其安全隱患不容忽視。若要重建，巨大的經(jīng)濟(jì)、社會成本又難以承受。如何確保這些問題、老化橋梁的安全性與可靠性，成為我國乃至全世界的重大現(xiàn)實(shí)需求［1］。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在鋼筋混凝土梁（Reinforced Concrete Beam，RC梁）加固中的應(yīng)用十分廣泛。鄧宗才［2］通過改變碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）布層數(shù)、配筋率，研究了CFRP布對RC梁抗彎承載力和抗彎剛度的影響規(guī)律。楊勇新等［3］基于208個(gè)不同受力狀態(tài)下的CFRP布與混凝土黏結(jié)試件，統(tǒng)計(jì)分析了CFRP布與混凝土的黏結(jié)性能變化規(guī)律并闡述了黏結(jié)機(jī)理。熊光晶、楊 建 中 等［4-5］聯(lián)合 使用 玻 璃 纖 維（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP）布與CFRP布加固RC梁，發(fā)現(xiàn)混雜纖維布加固法能提高構(gòu)件延性并降低加固成本。秦麗輝［6］研究了玄武巖纖維（Basalt Fiber Reinforced Plastics，BFRP）布加固損傷RC梁的抗彎、抗剪性能，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了BFRP布加固損傷RC梁的撓度、裂縫寬度、裂縫間距計(jì)算方法。趙良科［7］研究了聚酯纖維（Polyester Fiber Reinforced Plastics，PFRP）加固RC梁的抗彎性能。馬明等［8-9］根據(jù)CFRP-混凝土界面雙剪試驗(yàn)建立了Popovics型黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型，并基于CFRP布加固RC梁的長期持荷試驗(yàn)推導(dǎo)了持續(xù)荷載作用下加固梁的撓度及裂縫寬度計(jì)算表達(dá)式。Yazdani等［10］進(jìn)行了預(yù)飽和CFRP外貼加固小混凝土梁的抗彎試驗(yàn)，并討論了不同錨固形式對加固效率的影響。

上述文獻(xiàn)大多以FRP加固完好RC梁為研究對象，為更接近實(shí)際工程情況，本文以有預(yù)損傷開裂的RC梁為對象，研究不同預(yù)損傷開裂程度、加固量、配筋率對CFRP布加固損傷RC梁抗彎性能的影響，為FRP加固橋梁的同類設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料力學(xué)性能

采用商用C30小粒徑混凝土運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場澆筑形成標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和棱柱體試塊，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和彈性模量試驗(yàn)。試驗(yàn)測得混凝土抗壓強(qiáng)度平均值39.6 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值3.9 MPa，彈性模量平均值27.2 GPa。

采用工廠預(yù)制鋼筋，HRB335、HPB235鋼筋抗拉強(qiáng)度分別為280、195 MPa，彈性模量均為210 GPa。

CFRP布采用Toray（東麗）UT70?30型碳纖維布。黏結(jié)膠采用Sikadur（西卡）330CN型雙組份環(huán)氧碳布浸漬膠。按GB∕T 3354—2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》［11］制作標(biāo)準(zhǔn)試件，測得材料力學(xué)性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)梁及工況設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁采用強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)，為雙筋矩形截面簡支結(jié)構(gòu)。梁高200 mm，寬120 mm，跨徑2 300 mm，計(jì)算跨徑2 100 mm。試驗(yàn)梁的縱筋分別采用直徑為10、12、14 mm的HRB335鋼筋（N1）；架立筋為直徑6 mm的HPB235鋼筋（N2）；箍筋為直徑6 mm的HPB235鋼筋（N3），純彎段布置間距為160 mm，彎剪段加密布置間距100 mm。加固時(shí)將CFRP布粘貼在試驗(yàn)梁受拉區(qū)底面，CFRP布長1 900 mm，寬80 mm，試驗(yàn)梁及外貼CFRP布布置情況見圖1。

圖1 試驗(yàn)梁及外貼CFRP布布置情況（單位：mm）

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)7個(gè)工況：DB?1為未加固完好RC梁；DB?2為CFRP布加固完好RC梁；JG?1—JG?5為CFRP布加固有預(yù)損傷開裂的RC梁。其中JG?1，JG?2改變了RC梁加固前的預(yù)裂荷載；JG?3，JG?4改變了損傷RC梁的配筋率；JG?5增加了CFRP布加固粘貼層數(shù)。

采用預(yù)損傷系數(shù)對試驗(yàn)梁的預(yù)損傷開裂程度進(jìn)行量化，其數(shù)值為預(yù)裂荷載除以未加固完好梁的極限荷載。加固量即為每根試驗(yàn)梁在加固時(shí)粘貼的CFRP布總量。試驗(yàn)中粘貼CFRP布的長度、寬度均保持不變，通過改變CFRP布粘貼層數(shù)對各試驗(yàn)梁的加固量進(jìn)行定量調(diào)整。

DB?1梁實(shí)測極限荷載為48.12 kN，則JG?1梁和JG?5梁預(yù)裂荷載為14.44 kN，JG?2梁預(yù)裂荷載為28.87 kN。其余5個(gè)工況的極限荷載實(shí)測值與有限元計(jì)算值的平均誤差為5.2%，計(jì)算精度滿足數(shù)值模擬需求。由于沒有對應(yīng)配筋率的未加固完好梁實(shí)測數(shù)據(jù)，JG?3、JG?4梁采用對應(yīng)未加固完好梁的極限荷載有限元計(jì)算值乘以預(yù)損傷系數(shù)得到預(yù)裂荷載，分別為11.34、18.06 kN，并在后續(xù)分析中以有限元計(jì)算值為基準(zhǔn)量。各工況的試驗(yàn)梁參數(shù)如表2所示。

表2 各工況試驗(yàn)梁參數(shù)

1.3 加載方案及測試內(nèi)容

試驗(yàn)時(shí)使用最大起重量為20 t的液壓千斤頂施加荷載，千斤頂布置在分配梁中線位置，分配梁兩支點(diǎn)間距700 mm。試驗(yàn)梁在縱筋屈服前為荷載控制，每級荷載2 kN，加載速率1 kN∕min；在縱筋屈服后加載采用試驗(yàn)梁跨中位移控制，每級位移1 mm，加載速率0.5 mm∕min。每級加載完成后持荷2 min，待荷載、變形穩(wěn)定后采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載裝置見圖2。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)荷載由量程為100 kN的壓力傳感器讀數(shù)進(jìn)行控制。試驗(yàn)梁的撓度則由跨中、加載點(diǎn)及支座處5個(gè)百分表測量。

在試驗(yàn)梁的跨中截面一側(cè)表面沿豎向等間距40 mm布置5個(gè)混凝土應(yīng)變片。試驗(yàn)梁的鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)均勻布置在2根縱筋上，每根縱筋上布置12片，共24片。一根縱筋的應(yīng)變片布置在跨中截面左側(cè)，另一根縱筋應(yīng)變片則布置在跨中截面右側(cè)。應(yīng)變片在縱筋的純彎段等間距布置在兩箍三分點(diǎn)位置，彎剪段布置在兩箍中點(diǎn)位置。在CFRP布上沿跨中截面共布置29個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，兩側(cè)各14片，中點(diǎn)1片；每側(cè)自中點(diǎn)起沿CFRP布中線間隔65 mm依次布置10片，然后間隔210 mm布置1片，最后3片則間隔40，30，20 mm布置。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞機(jī)理

DB?1梁試驗(yàn)現(xiàn)象：①在荷載作用下，梁底受拉區(qū)開裂，出現(xiàn)2條沿跨中截面對稱的初始裂縫，開裂位置位于距梁跨中截面15 cm的兩側(cè)梁底。②隨著荷載增加，數(shù)條主裂縫先后出現(xiàn)，自梁底向梁頂逐漸延伸發(fā)展。此階段新生裂縫很少，裂縫間距較大。③達(dá)到鋼筋屈服荷載時(shí)，梁體撓度和鋼筋應(yīng)變較上級荷載明顯增大。此后荷載增速放緩，試驗(yàn)轉(zhuǎn)由跨中位移控制。④達(dá)到極限荷載時(shí)，梁體主裂縫發(fā)展至4∕5梁高位置，同時(shí)梁底發(fā)展出多條貫穿裂縫。此后荷載不再增大，最終以受壓區(qū)混凝土壓碎為標(biāo)志結(jié)束加載。DB?1梁屬于典型的適筋破壞，其破壞形態(tài)見圖3。

圖3 DB?1梁破壞形態(tài)

DB?2梁試驗(yàn)現(xiàn)象：①采用CFRP布加固完好RC梁后，DB?2梁的開裂荷載較DB?1梁提升約10%。②在荷載逐漸增大至屈服荷載過程中，有較多的新生裂縫出現(xiàn)，同時(shí)裂縫間距與平均裂縫寬度比DB?1梁明顯減小。③當(dāng)荷載繼續(xù)增大至極限荷載時(shí)，在加載點(diǎn)截面附近的主裂縫處出現(xiàn)第1聲“噼啪”聲，CFRP布局部剝離。④隨著荷載繼續(xù)增大，“噼啪”聲出現(xiàn)的頻率增加且聲音變響，CFRP布逐漸剝離，裂縫自初始點(diǎn)向兩側(cè)不斷延伸，此時(shí)黏結(jié)膠層表面可觀測到扇狀裂紋。⑤荷載繼續(xù)增大，最終伴隨一聲巨大的“噼啪”聲，在發(fā)生初始剝離的主裂縫位置，CFRP布黏著較大的混凝土楔塊從試驗(yàn)梁上剝離。試驗(yàn)梁撓度回縮且荷載減小，試驗(yàn)以CFRP布發(fā)生宏觀剝離為破壞標(biāo)志。DB?2梁破壞形態(tài)見圖4。

圖4 DB?2梁破壞形態(tài)

本次試驗(yàn)中，除JG?4梁外的其他加固梁試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞機(jī)理都與DB?2梁類似，區(qū)別主要體現(xiàn)在特征荷載值的不同。JG?4梁的試驗(yàn)現(xiàn)象同樣類似，但其最終以梁的跨中截面處CFRP布部分纖維被拉斷為破壞標(biāo)志。主要原因是粘貼應(yīng)變片前的打磨過程中因力度不勻造成CFRP布部分位置磨損，局部強(qiáng)度削弱使得部分纖維在高應(yīng)力狀態(tài)下被拉斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變

受裂縫隨機(jī)性影響，在試驗(yàn)過程中部分試驗(yàn)梁因產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致布置于跨中截面一側(cè)的混凝土應(yīng)變片損壞。因此，選擇混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)采集完整性較好的JG?5梁進(jìn)行分析，其跨中截面混凝土豎向分布見圖5。可知，JG?5混凝土應(yīng)變沿豎向近似直線分布，符合平截面假定。

圖5 JG?5跨中截面混凝土應(yīng)變豎向分布

各加固梁的CFRP應(yīng)變分布趨勢接近，以JG?1梁為例，繪制CFRP布的距離-應(yīng)變分布曲線見圖6。

圖6 JG?1梁CFRP布距離-應(yīng)變分布曲線

由圖6可知：①各加固梁的有效黏結(jié)長度接近，CFRP應(yīng)變峰值主要集中在2個(gè)加載點(diǎn)之間的區(qū)域。②加載點(diǎn)附近區(qū)域的應(yīng)變平均增速最快，純彎段次之，彎剪段較慢，端部區(qū)域最慢。③對于本次試驗(yàn)的各加固梁而言，由于CFRP布自身具有較長的錨固長度，端部不進(jìn)行U型箍錨固也不會出現(xiàn)因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的端部剝離現(xiàn)象。

3.2 荷載

各試驗(yàn)梁的受彎破壞特征荷載（開裂荷載Pcr、屈服荷載Py、極限荷載Pu）和破壞形式見表3。

由表3可知：①對比DB?2、JG?1和JG?2梁，預(yù)裂荷載從0提升至0.6Pu時(shí)，JG?2梁比DB?2梁屈服荷載減小了4.5%，極限荷載減小了1.5%。這說明預(yù)裂荷載提升會略微降低加固梁的屈服荷載，但對極限荷載的影響可以忽略。②將JG?1、JG?3和JG?4梁與對應(yīng)配筋率的未加固梁進(jìn)行對比，CFRP加固前后的屈服荷載分別增大了16.9%、20.3%、12.2%，極限荷載增大了26.4%、31.1%、21.0%。這說明CFRP層數(shù)相同時(shí)，配筋率越低則粘貼CFRP布對加固梁的抗彎承載力提升幅度越明顯，且對極限荷載的提升幅度大于對屈服荷載的提升幅度。③JG?5梁比JG?1梁屈服荷載增大了6.4%，極限荷載增大了7.8%。這說明當(dāng)加固梁的受彎破壞形態(tài)為主裂縫處CFRP布剝離時(shí)，增加CFRP布粘貼層數(shù)對結(jié)構(gòu)的抗彎承載力提升效果有限。

表3 試驗(yàn)梁的受彎破壞特征荷載和破壞形式

3.3 撓度

各試驗(yàn)梁跨中截面的荷載-撓度曲線見圖7?？芍孩僭诤奢d相同的情況下，加載全過程中跨中截面撓度始終是JG?2梁＞JG?1梁＞DB?2梁。梁體達(dá)到極限荷載時(shí)，JG?1、JG?2梁的跨中截面撓度比DB?2梁分別增大了5.0%、10.5%。這說明預(yù)損傷開裂導(dǎo)致的剛度損失在加載全過程中有所體現(xiàn)，即預(yù)裂荷載越大，加固梁剛度損失越大，跨中截面的撓度越大。②對比DB?1梁與JG?1、JG?3、JG?4梁的跨中撓度，發(fā)現(xiàn)采用CFRP加固對不同配筋率的加固梁剛度及延性都有較為明顯的提升，在鋼筋屈服階段后尤為顯著。③JG?1、JG?5梁的2條曲線在彈性階段幾乎重合，達(dá)到開裂荷載后JG?5梁的斜率慢慢超過了JG?1梁的斜率，達(dá)到屈服荷載后JG?5梁的斜率明顯大于JG?1梁的斜率。這說明荷載較小時(shí)，增加CFRP布粘貼層數(shù)對加固梁剛度影響并不明顯，但粘貼2層CFRP布后剛度提升效果會隨荷載增大而明顯。在加固梁縱筋屈服后，JG?5梁較JG?1梁剛度更大，彎曲變形更小。

圖7 各試驗(yàn)梁跨中截面荷載-撓度曲線

4 結(jié)論

1）加固量相同時(shí)，損傷加固梁相比于完好加固梁，其抗彎承載力的降低幅度可以忽略，但結(jié)構(gòu)剛度隨損傷程度提高而略有下降。

2）CFRP布加固對不同配筋率的RC梁剛度及延性都有較為明顯的提升。加固量相同時(shí)，試驗(yàn)梁配筋率越低，CFRP布加固對結(jié)構(gòu)的抗彎承載力提升越明顯，且對極限荷載的提升幅度大于對屈服荷載的提升幅度。

3）當(dāng)加固梁的破壞形式為CFRP布剝離時(shí)，增加CFRP布粘貼層數(shù)對結(jié)構(gòu)的抗彎承載力提升幅度有限，但有助于提升高荷載水平下加固梁的剛度。