CFRP加固混凝土受彎構件的抗彎性能試驗研究

李興權

（承德石油高等專科學校，河北 承德 067000）

0 引言

采用碳纖維布增強鋼筋混凝土結構與傳統的鋼板加固技術相比，FRP 具有重量輕、強度重量比高、剛度重量比高、耐腐蝕、耐疲勞、高效施工等一系列優點，在土木工程中得到廣泛應用，其研究已成為目前該領域的研究熱點。CFRP 為脆性材料，而鋼筋為延性材料，在用于結構加固時，CFRP 的脆性性能會對結構性能產生重要影響，在許多情況下，比其他的方法更有優勢，所以，開發研究碳纖維布加固鋼筋混凝土結構新技術有重要的價值，利用驗證后的有限元模型進一步分析了相關數據對加固梁抗彎承載力的影響，為加固實際工程提供了理論依據。

1 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁荷載試驗

在實際的程中，一部分鋼筋混凝土梁在加固之前都帶有明顯的裂縫，因此，模擬實際工程，本實驗除了對比梁之外，均先進行預裂加載，預裂到一定程度后，再粘貼碳纖維布進行加固。量測試件在各級荷載作用下產生的撓度，最終描述荷載與撓度的關系，量測各級荷載下梁純彎截面應變分布情況，實測出梁的最大破壞荷載。

1.1 試驗目的

1）通過鋼筋混凝土梁以及CFRP 布粘貼加固后鋼筋混凝土梁的靜力加載試驗研究，分析碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在短期荷載作用下正常使用階段抗裂性能的影響因素以及裂縫的發展規律。

2）通過對混凝土強度、鋼筋直徑與配筋率的比值及保護層厚度3種不同因素進行CFRP 布加固的比較，分析不同因素對鋼筋混凝士加固梁裂縫性能的影響。

3）研究CFRP 布加固鋼筋混凝土梁的破壞形態及其原因；通過試驗數據，分析得出加固梁裂縫汁算模式。

1.2 測試內容

1）鋼筋應變測量：將連接鋼筋應變儀的導線在試驗時接人靜態電阻應變儀測應變值，記求每級荷載下鋼筋應變值。

2）混凝士表面應變測量：將連接混凝土應變儀的導線住試驗時接人靜態電阻應變儀測應變。記錄每級荷載下混凝土的應變值。

3）CFRP 布應變測量：將連接跨中CFRP 布應變儀的導線在試驗時接入靜態電阻應變儀測應變值。記錄每級荷載下CFRP 布的應變值。

4）采用智能裂縫寬度測量：儀測試純彎區內的裂縫寬度。

表1 鋼筋材料實測

2 加載方案及試驗測量內容

2.1 試驗的參數

表2 實驗梁的編號及加固情況

表3 碳纖維布性能指標

表4 粘膠劑性能指標

2.2 加載方案

圖1

圖2

2.3 測量內容及數據公式

對截面高度h/2 處取矩，則混凝土受壓區內各小單元的內力矩總和為

式中σci是對應于ri各點的帶條平均應力值，x 為受壓區高度。七等分的r 值不取各等分的平均值，而是取下列數值最好r1=0.4419x，r2=0.2648x，r3=0.1620x，r4=0，r5=-0.1620x，r6=-0.2648x，r7=-0.4419x

這樣內力臂zi為Zi=0.5x+ri-0.5h

由平衡條件可以得到：

由力矩平衡條件可得：

按受力相等的原則，可將碳纖維布的面積轉化為鋼筋的面積，即

式中，Acfs，fcfs，Ase，fy和 分別代表碳纖維布的面積、抗拉強度、等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強度。碳纖維布的面積Acfs取其凈面積，即：

Acfs=tcfsBcfsn

其中，tcfs為碳纖維布的計算厚度，Bcfs為碳纖維布的幅寬（單位：mm），n為加固梁中碳纖維布的粘貼層數。

對受壓區混凝土合力作用點取矩，即：

式中，x 是水平力的平衡條件求得,可表示為：

上式中，fc為凝土抗壓強度；Ass為鋼筋混凝土構件中所配縱筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積的總和，Ass=As+Ase。

3 實驗結果分析

3.1 撓度

在加荷初期，各實驗梁的撓度相差不多，受拉區混凝土開裂后，尤其縱筋屈服后，未加固試驗梁的撓度急劇增長，而經加固的梁的撓度增長較慢。在相同荷載作用下，加固梁的撓度均小于為加固梁的撓度。破壞時，梁BMI-1 的撓度達到40mm，而加固梁的撓度一般在25～35mm 之間。由此可見，碳纖維布的使用，可以在一定程度上提高試件的抗彎剛度。

3.2 裂縫開展情況

在實驗過程中，所有的梁均在純彎段內出現明顯的彎曲裂縫。相當于未加固梁BMI-1，補強加固梁的裂縫出現較晚，且發展較慢，實驗中還對正常使用階段時加固梁的裂縫開展情況做了觀測，發現試驗梁經碳纖維布加固后，裂縫數量多，裂縫寬度小，且間距遠小于未加固梁。表5 列出了個梁在跨中撓度與跨度之比在1/250 左右時開裂情況的實測數據。

表5 正常使用情況下裂縫的實驗數據

3.3 碳纖維布對梁剛度的貢獻

碳纖維布對梁剛度的提高與前面類似也可分成三個階段，第一階段，混凝土開裂之前，碳纖維布對梁的剛度提高微乎其微；第二階段，至鋼筋屈服前，BMI-2，BMI-3、BMI-4 比梁BMI-1 的斜率略有增大，表明碳纖維布對這階段的剛度有提高，提供幅值約2.9%，3.0%，7.3%；第三階段，至極限狀態，這階段，梁BMI-2、BMI-3、BMI-4 曲線的斜率比梁BMI-1 曲線要大得多，大大減緩了混凝土構件因鋼筋屈服后，裂縫迅速開展，高度迅速上升，而使構件的有效截面迅速減小，剛度迅速喪失。BMI-2～BMI-4 相對BMI-1 梁剛度提高的幅度分別為283%，271%，258%。

4 結論

本文在試驗和理論研究的基礎上，針對CFRP 加固的鋼筋混凝土梁建立了三維實體模型，進行了大量的計算分析，主要得出以下結論：

1）按各國規范給出的加固梁承載力公式計算各試驗梁的抗彎承載力，與試驗數據進行了對比，發現外貼CFRP 的鋼筋混凝土梁正截面承載力的實驗，測定三組數據，主要得出受彎的鋼筋混凝土梁在外貼CFRP 材料后，其承載力得到提高。

2）在剪力作用下，鋼筋混凝土梁在外貼CFRP 材料后，其承載力也能夠得到提高，但提高幅度要小于受彎時構。

3）通過加固梁的荷載一位移曲線、裂縫開展情況等的試驗結果和有限元分析結果的對比研究，說明本文建立的CFRP 加固梁非線性有限元模型可以很好地模擬加固梁的抗彎性能。

4）本文分析了CFRP 片材的各項參數對鋼筋混凝土加固梁的抗彎性能的影響，分析結果可以指導加固技術更好地應用于工程。

5）本文所采用的損傷塑性模型假定混凝土各向同性，與實際有一定的差距，應進一通過向異性損傷塑性模型的相關研究。

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