不同方法加固鋼筋砼梁抗彎性能試驗研究

聶良鵬，王維平，陳順超

（西南林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院結(jié)構(gòu)工程試驗中心，云南昆明 650000）

不同方法加固鋼筋砼梁抗彎性能試驗研究

聶良鵬，王維平，陳順超

（西南林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院結(jié)構(gòu)工程試驗中心，云南昆明 650000）

設(shè)計3組共9根矩形截面梁進(jìn)行對比試驗，測試粘貼纖維布法和粘貼纖維布同時增大截面法加固方式下梁的屈服荷載、極限荷載、跨中撓度、碳纖維布應(yīng)力分布和鋼筋應(yīng)力分布等。研究結(jié)果表明，兩種加固方法都能明顯提高鋼筋砼梁的正截面抗彎極限承載力，二者相比較，粘貼碳纖維布同時增大截面的方法提高幅度更顯著；僅粘貼碳纖維布的方法對抗彎剛度的提高效果不明顯，粘貼碳纖維布同時增大截面的方法則能大幅提高梁的抗彎剛度。

橋梁；鋼筋砼梁；碳纖維布；增大截面；抗彎極限承載力；抗彎剛度

砼結(jié)構(gòu)在中國建筑、橋梁等建設(shè)中使用廣泛。隨著建造時間的推移，早期的砼結(jié)構(gòu)逐漸面臨著物理老化、強(qiáng)度不足、耐久性和安全性過低等問題。此外，化學(xué)腐蝕、社會需求的變化及風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)、地震等意外損害會縮短砼結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，對砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和維修具有很重要的意義。碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)就是在砼結(jié)構(gòu)外部粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，兩者共同工作實現(xiàn)加固目的。近年研究成果解決了粘貼碳纖維布加固鋼筋砼梁的基本受力性能問題，但基本是針對單一方法的加固原理、加固計算等方面的研究，在同一條件下，由于各自加固效果不一，導(dǎo)致實橋加固方法在選擇時存在較大的盲目性。而且近年的研究表明碳纖維布和鋼筋砼梁共同受力時，碳纖維布會發(fā)生受力滯后的現(xiàn)象，雖然能提高梁的抗彎承載力，但無法提高梁的剛度。該文通過疲勞試驗機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等開展粘貼碳纖維布法和粘貼碳纖維布同時增大截面法用于矩形梁抗彎加固效果的對比試驗研究，為實橋加固方案的合理選擇提供參考。

1　試驗概況

1.1試驗設(shè)計

為了考察粘貼碳纖維布同時增大截面加固砼梁的破壞過程及受力性能，澆筑9片尺寸為（150×200 ×2000）mm3的鋼筋砼梁，試驗中梁的實際長度為2000mm，支撐點之間的距離為1800mm。在梁兩端距離支撐點600mm處作用對稱集中荷載P；縱筋采用HRB335鋼筋，梁下部縱向受力鋼筋采用2φ12，梁上部架立鋼筋采用2φ8。共分為3組（編號為BⅠ、BⅡ、BⅢ）：第一組共3片梁，為未作任何加固的普通鋼筋砼基準(zhǔn)梁；第二組共3片梁，為僅粘貼碳纖維布加固的試驗梁；第三組共3片梁，為粘貼碳纖維布同時在受壓區(qū)增大截面加固的試驗梁。試驗設(shè)計見表1，試驗尺寸及加固形式見圖1～3。

表1　試驗設(shè)計

圖1　BⅠ組試件加載示意圖（單位：mm）

圖2　BⅡ組試件加固與加載示意圖（單位：mm）

圖3　BⅢ組試件加固與加載示意圖（單位：mm）

1.2試件制作

試驗所用材料包括鋼筋、砼及碳纖維布。砼材料的強(qiáng)度等級按C30試配。立方體抗壓強(qiáng)度為30.6MPa，彈性模量為3.0×104MPa；碳纖維布型號為RB-CF300，單層厚度為0.167cm，抗拉強(qiáng)度為3400MPa，彈性模量為24×104MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.7%。由于試驗梁自重較輕，為模擬實際橋梁受力情況，在粘貼碳纖維布時在梁的跨中位置加9 kN（梁的開裂荷載）外加荷載，并在保持上述外力作用下粘貼碳纖維布直至達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)要求。

粘貼碳纖維布前，先用角磨機(jī)將砼表面打磨干凈、平整，露出新鮮砼，清掃浮渣，拿棉球蘸取丙酮反復(fù)擦拭以去掉油漬和浮塵；然后涂刷底膠，讓底膠均勻滲透到砼中，同時使鋼筋砼梁表面更平整；6h后粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維布時，先涂刷一遍主膠，然后將碳纖維布拉直，盡量讓膠充分滲透到碳纖維絲中。待膠干透之后進(jìn)行試驗。

在受壓區(qū)增設(shè)現(xiàn)澆砼時，先將砼頂面鑿毛，清掃浮渣。然后在頂面每相距8cm植入1根φ6短鋼筋，植入深度為5cm，外露長度為4cm，共2排。由于梁兩端的剪力較大，植入鋼筋在端頭處加密，即在梁的兩端20cm長度范圍內(nèi)每相距5cm植入1根φ6短鋼筋。待植入筋固定后，用扎絲將長度為190 cm鋼絲綁在植入筋上，每排1根。最后在受壓區(qū)澆筑厚度為5cm的自密實砼，養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗。

1.3試驗加載方案及測量項目

采用液壓伺服疲勞試驗機(jī)進(jìn)行加載，在梁的跨中、兩端支座處各安裝一個機(jī)電百分表，用來測量梁在各載荷作用下的撓度；在梁的跨中縱向鋼筋、碳纖維布表面及砼梁側(cè)面分別粘貼應(yīng)變片。采用兩點對稱、分極加載的方式，在加載至極限狀態(tài)的過程中，先對砼梁進(jìn)行2次預(yù)壓，消除接觸不良影響并檢查儀表是否正常工作之后以10kN一級勻速加載，加載到50kN后改為以5kN勻速加載，當(dāng)百分表的讀數(shù)開始不穩(wěn)定時，加載過程由力控制改為位移控制。每片梁均加載3次，前2次加載至40kN，第3次加載至梁破壞。試驗中每級荷載施加后持荷3min，待穩(wěn)定后再讀數(shù)。

試驗過程中測量和記錄以下項目：1）仔細(xì)觀察矩形梁的裂縫生成情況，用ZBL裂縫測寬儀量測梁的裂縫寬度，用記號筆畫出裂縫走向并標(biāo)記所對應(yīng)的施加荷載；2）用DH3817靜態(tài)應(yīng)變儀記錄在各級荷載下鋼筋、碳纖維布、砼的應(yīng)變情況；3）用機(jī)電百分表記錄梁跨中、距梁端200mm處的撓度。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1碳纖維布加固梁剝離分析

在粘貼碳纖維布加固砼結(jié)構(gòu)中，其組合結(jié)構(gòu)共同作用承受荷載，在荷載作用下碳纖維與砼間的粘結(jié)層傳遞應(yīng)力，使碳纖維與砼協(xié)調(diào)變形。由于粘結(jié)界面的材料均為復(fù)合材料，材料性能差別很大。根據(jù)試驗與理論分析，碳纖維布與砼粘結(jié)局部區(qū)域主要有粘結(jié)應(yīng)力、剝離應(yīng)力和剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的剝離破壞是局部粘結(jié)區(qū)域內(nèi)粘結(jié)剪應(yīng)力和剝離正應(yīng)力的共同作用，應(yīng)力重分布后產(chǎn)生應(yīng)力集中，主應(yīng)力達(dá)到砼的抗拉或抗剪強(qiáng)度而造成結(jié)構(gòu)局部剝離破壞。

碳纖維加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)剝離破壞主要有兩種形式：1）碳纖維與砼間的粘結(jié)膠層失效剝離破壞。這是由于粘貼碳纖維布時施工工藝的差異，粘結(jié)膠并不能十分準(zhǔn)確地粘貼均勻，導(dǎo)致粘結(jié)膠層的粘結(jié)效果不是很好。其次，在施加荷載過程中，碳纖維布上的應(yīng)力也有差別，導(dǎo)致某處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成粘結(jié)膠層的抗拉強(qiáng)度低于砼的抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致粘結(jié)膠層失效剝離。2）剝離發(fā)生在砼表層與鋼筋間保護(hù)層的剝離破壞。這種破壞通常包括3種模式，即從純彎段主裂縫處向兩端剝離、從加載點附近區(qū)域裂縫處向兩端剝離、從碳纖維布端部開始剝離。這主要是由粘結(jié)膠層的粘結(jié)性能較好，而砼的抗拉強(qiáng)度較低造成的，同時由于荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫發(fā)生錯動，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成碳纖維剝離破壞。

試驗中2組試驗梁的破壞形式均為碳纖維布剝離破壞，從破壞形式來看，除BⅡ1號梁是因梁端部碳纖維布剝離引起的破壞外，其余5片梁均在跨中主裂縫處剝離破壞，并且每片梁的碳纖維布上都有少量砼。說明整體上梁的剝離破壞屬于第一種破壞形式，但局部存在第二種破壞形式，這與膠的性能及施工質(zhì)量有關(guān)。試驗梁的破壞情況見圖4。

圖4　試驗梁的破壞情況

2.2試驗梁的撓度分析

圖5～7為試驗梁的荷載-撓度曲線。

圖5　基準(zhǔn)梁BⅠ與試驗梁BⅡ跨中荷載-撓度曲線

圖6　基準(zhǔn)梁BⅠ與試驗梁BⅢ跨中荷載-撓度曲線

圖7　試驗梁BⅡ與BⅢ跨中荷載-撓度曲線

從圖5～7可以看出：隨著荷載增加，試驗梁與基準(zhǔn)梁的撓度曲線逐漸發(fā)生分離，表明碳纖維布開始逐漸參與受力。加載到50kN左右時，基準(zhǔn)梁受拉鋼筋開始屈服，撓度急劇增長，而此時加固梁的撓度增長相對較緩慢；加載至64kN左右時，第二組試驗梁（BⅡ）受拉鋼筋開始屈服，跨中撓度增加明顯；加載到76kN左右時，第三組試驗梁（BⅢ）受拉鋼筋開始屈服，此時曲線的斜率明顯減小，說明跨中撓度增長幅度有所增加。鋼筋屈服后，第二組試驗梁跨中撓度曲線的斜率小于第三組試驗梁，說明第二組試驗梁的跨中撓度增幅大于第三組試驗梁。

2.3試驗梁的剛度分析

加固前后試驗梁的跨中撓度及剛度見表2。

表2　加固前后梁的跨中撓度值及剛度提高百分比

由表2可知：當(dāng)荷載小于40kN時，在相同荷載下，第二組試驗梁（BⅡ）的跨中撓度略小于基準(zhǔn)梁，剛度（基準(zhǔn)梁與試驗梁的荷載-撓度曲線及趨勢線方程，方程斜率的變化代表試驗中各組梁剛度的變化）的提高幅度較小，而第三組試驗梁（BⅢ）的跨中撓度有非常明顯的減小，剛度提高幅度很大。40kN時，第二組試驗梁（BⅡ）剛度提高幅度為15.13%，第三組試驗梁（BⅢ）剛度提高幅度為48.3%，并且隨著荷載的增加，剛度提高幅度逐漸加大。表明在荷載較小時，粘貼碳纖維布對梁剛度的提高作用不大，而增大截面能有效提高梁的抗彎剛度。

2.4試驗梁的應(yīng)變分析

表3為試驗梁頂面砼、鋼筋和碳纖維布的極限應(yīng)變。

表3　試驗梁的極限應(yīng)變

續(xù)表3

從表3可知：第二組試驗梁砼的平均極限應(yīng)變?yōu)?351με，碳纖維布的平均極限應(yīng)變?yōu)?436με，第三組試驗梁的分別為3490、7049με，而在取樣試塊試驗中砼的極限壓應(yīng)變?nèi)≈禐?300με，碳纖維布的極限拉應(yīng)變?yōu)?000με。說明在梁破壞時，2組試驗梁頂面砼均達(dá)到了極限壓應(yīng)變，而對于碳纖維布，第二組試驗梁未達(dá)到其允許拉應(yīng)變，第三組試驗梁基本達(dá)到，2組試驗梁均屬于適筋破壞。

2.5試驗梁的極限承載力分析

加固后各試驗梁的試驗結(jié)果見表4。

表4　加固后各梁的試驗結(jié)果

從表4可以看出：

（1）基準(zhǔn)梁（BⅠ）的破壞形態(tài)屬于典型的適筋梁破壞，兩種試驗梁（BⅡ、BⅢ）的破壞形式基本屬于適筋梁破壞。

（2）基準(zhǔn)梁的屈服荷載和破壞荷載平均值分別為49.2、53.4kN，表明對于受彎構(gòu)件，砼開裂后，構(gòu)件所承受的荷載基本由縱向受拉鋼筋承受，鋼筋屈服后再施加較小的荷載，構(gòu)件就可能破壞。

（3）第二組試驗梁（BⅡ）的屈服荷載和破壞荷載平均值分別為64.54、79.1kN，與基準(zhǔn)梁相比分別提高31.12%、48.13%；第三組試驗梁（BⅢ）的屈服荷載、破壞荷載平均值分別為76.74、105kN，與基準(zhǔn)梁相比分別提高55.98%、96.63%。說明在梁底粘貼碳纖維布能有效改善梁的抗彎承載力，若在粘貼碳纖維布的同時增大截面，則能更好地提高梁的抗彎承載力。

3　結(jié)論

（1）粘貼碳纖維布、粘貼碳纖維布同時增大截面兩種加固方法都能明顯提高鋼筋砼梁的正截面抗彎極限承載力，二者相比，粘貼碳纖維布同時增大截面的方法增大了梁的有效高度，提高幅度更顯著；梁處于帶裂縫工作階段時，僅粘貼碳纖維布對抗彎剛度的提高效果不明顯，鋼筋屈服后碳纖維布對抗彎剛度的貢獻(xiàn)才變得較為明顯；采用粘貼碳纖維布同時增大截面的方法，在整個加載過程中梁的抗彎剛度都明顯提高，在鋼筋屈服后提高效果更顯著。

（2）采用僅粘貼碳纖維布的方法，在鋼筋屈服前，碳纖維布的應(yīng)變增長幅度較小；鋼筋屈服后，碳纖維布的應(yīng)變增長幅度明顯增大。說明碳纖維布在鋼筋屈服前發(fā)揮的作用較小，鋼筋屈服后作用較大。粘貼碳纖維布同時增大截面的方法則能有效增大梁的抗彎剛度，梁在相同荷載下鋼筋和碳纖維布的應(yīng)變增量更小。

（3）加固梁的受力經(jīng)歷3個階段，即砼開裂前、開裂至鋼筋屈服、鋼筋屈服至梁體破壞。在沒有可靠錨固措施的情況下，大多數(shù)加固梁都發(fā)生碳纖維布剝離破壞，附加的端部錨固及局部加強(qiáng)措施可有效防止碳纖維布剝離破壞，明顯減小破壞時的跨中撓度和截面曲率?？梢娞祭w維布的錨固及碳纖維布與砼之間的粘結(jié)效果是影響梁破壞形態(tài)和抗彎極限承載力的關(guān)鍵因素。

（4）在工程實際中，橋梁的受力基本處于帶裂縫工作的彈性階段，在對橋梁進(jìn)行加固補強(qiáng)設(shè)計時，若僅需提高橋梁抗彎極限承載力，可選擇僅在受拉區(qū)粘貼碳纖維布；若需要較大幅提高橋梁的抗彎剛度，則應(yīng)在粘貼碳纖維布的同時結(jié)合橋面維修進(jìn)行橋面增大截面補強(qiáng)。

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U445.7

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1671-2668（2016）04-0229-05

2016-03-06