碳纖維布加固后對混凝土橋梁受彎性能的影響研究

摘 要：鑒于碳纖維布在混凝土橋梁加固中的廣泛應用，碳纖維布加固越來越成為焦點。文章在閱讀相關文獻的基礎上，對以下問題做了一定闡述：相對于傳統加固方式碳纖維布（CFRP）加固的優勢；碳纖維布加固后結構的破壞形式及對其結構性能的影響；以及影響碳纖維布加固效果的因素。

關鍵詞：碳纖維布；混凝土橋梁；受彎性能

引言

隨著交通運輸業的發展，超載已對橋梁結構損害已經越來越嚴重。在橋梁的使用過程中，部分橋梁因為荷載等級有所提高而致使原橋梁結構承載能力不足，除此之外還有一部分橋梁因為設計標準比較低或者超載車輛比較多而導致橋梁產生結構性破壞。相關資料表明，與新建工程相比，加固工程可較大幅度的節約投資以及縮短工期，同時項目的投資回收速度也比新建工程快得多。在此形勢下，作為一種新興的加固材料，碳纖維布由于質量輕、強度高、耐腐蝕、施工簡便等優點，越來越廣泛地應用于鋼筋混凝土梁的加固。

1 CFRP加固優勢

現在有很多種加固方法已經運用于結構的檢測加固及修復領域，常見的有增加截面法、外包鋼加固法、預應力加固法、和粘貼復合材料加固法等。

增加截面法，顧名思義也就是增加構件的截面面積，從而提高構件承載能力。這種加固方法施工簡單，技術比較成熟，有一定可靠性，而且加固之后構件的剛度和穩定性有所提高。在混凝土和磚混結構的梁、板等構件加固中應用比較廣泛。不過，該法對生產和生活會造成影響，因為現場需要大量濕作業，與此同時養護時間長，并且截面一旦增加，原結構的外形和使用空間會受到影響。

為了克服上述缺點，外包剛加固法應運而生，它將型鋼包裹在混凝土等構件的四角或兩面，能在構件截面尺寸增加不多的情況下，較大程度地提高構件的承載能力。而且此法現場工作量少，施工方便，受力可靠，可以用在梁柱和桁架等的加固。不過鋼材用量較大，費用較高，而且研究表明對結構剛度沒有太大影響。

預應力加固法則從內力分布情況入手，將原結構的內力重新分布，使結構原有應力水平下降，通過外設預應力拉桿或撐桿對結構構件或整體進行加固，間接提高結構的承載能力。此加固方法不改變使用空間，而且可以消除應力滯后現象，從而加固效果比較理想。但是預應力的施加設備和錨固存在一定風險，主要在結構跨度比較大時會派上用場。

在繁多加固方法中，碳纖維布加固脫穎而出，將類似于玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等纖維復合材料粘貼到結構上進行加固。纖維材料自重輕，厚度僅為2mm左右，施工過程中容許操作期限較長，施工影響較小。柔韌性優良，能靈活的用于各種工程結構中，包裹各種各樣形狀的構件，而且幾乎不增加構件截面。耐久性良好，可重復利用。

碳纖維布加固抗拉強度可以達到3000MPa左右，能比普通鋼筋高出10倍；彈性模量略高于鋼筋，目前國內外研究較多，現已用于梁、板、柱、橋梁、屋架等多種結構的加固，發展潛力很大。

2 CFRP加固梁的破壞形式

文明才通過兩組共11根連續梁進行不同的加固及荷載試驗研究，發現加固后的連續梁破壞形式主要有兩種：（1）纖維布拉斷破壞，外荷載施加在纖維布加固梁上時，先是受拉鋼筋屈服，隨著外荷載的增加，纖維布被拉斷，隨之受壓區混凝土被壓碎，構件完全破壞，這種破壞形式類似于鋼筋混凝土適筋梁破壞形式。（2）纖維布剝離破壞，隨著外荷載的增加，構件還沒有達到正截面承載力極限值之前，混凝土與纖維布的粘結遭到破壞，纖維布剝落，上面覆蓋著部分混凝土。此種破壞形態產生的主要原因為混凝土表面的剪應力和正應力的組合作用引起水平裂縫的產生和發展，最終混凝土被拉下。

付巧云等人也通過試驗研究得到類似的結論。大量研究表明CFRP加固后，混凝土梁的破壞形式主要有三種，即碳纖維布拉斷破壞、受壓區混凝土壓碎破壞和碳纖維布粘接破壞，理論研究主要以前兩種破壞為主，應盡量避免第三種破壞形式，通常采用兩端粘貼U型箍來錨固。

3 CFRP加固后對混凝土梁性能的影響

3.1 承載能力

已有實驗研究表明，碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有所提高。其中開裂荷載的提高不明顯，而極限荷載的提高最顯著。在混凝土開裂前，CFRP的高性能得不到發揮，它僅對混凝土起一定的約束作用，故其對開裂荷載影響不大。而當混凝土開裂后，尤其是鋼筋屈服后，混凝土梁所受的荷載主要有CFRP承擔，它的高強性能得到發揮，因此加固后的混凝土梁的極限荷載顯著提高。

3.2 剛度和裂縫

王春陽通過5根試驗梁（其中1根是未加固的對比梁）的破壞試驗發現，在加載初期，所有的梁撓度幾乎一致，但是當縱向鋼筋屈服之后，沒有加固的梁撓度急劇增加，而加固梁的撓度增長則相對緩慢，最終加固之后梁的撓度要比沒有加固梁的撓度減小10%-40%。可見，經過CFRP加固后，混凝土的約束作用有所增加，強度得到一定提高，從而改善混凝土梁的剛度。

同時，CFRP加固還會抑制裂縫的發展。值得關注的是，CFRP加固之后梁的裂縫發展只是得到一定程度抑制，并不能避免裂縫的發生。產生裂縫后，沒有經過加固的混凝土梁的裂縫發展迅速，而且裂縫的寬度和間距都比較大；而CFPR加固后的混凝土梁裂縫發展則比較遲緩，并且寬度和間距都小了很多。

3.3 應變

試驗研究發現：加固之后，混凝土梁的應變有大幅度降低，特別是在開裂以后，由于碳纖維布承擔了其中一部分應力，混凝土梁的變形得到有效的限制。碳纖維布使得加固梁縱向鋼筋的應變滯后于未加固梁的應變，這種滯后現象在加載初期并不明顯，隨著荷載的增大而逐漸顯著。總之，對于加固后的混凝土梁，碳纖維應變和混凝土應變發展趨勢基本一致，碳纖維布與梁一起變形，可有效約束約束梁的應變。

4 影響CFRP加固效果的因素

研究發現，加固時碳纖維布粘貼的層數越多，梁開裂荷載的提高就越明顯，但是值得注意的是極限荷載提高的程度與碳纖維布粘貼層數并不是成正比的。

當碳纖維布加固預裂梁時，提高加固之后梁的極限承載力的方法有以下幾種：其一增加其配筋率和截面高度，其二保護層厚度，這兩種方法中增加截面高度的效果比較明顯，而減少保護層厚度的效果不太明顯。預裂梁的預裂程度或開裂程度對加固梁的極限承載能力沒有太大影響。但是加固之后梁的鋼筋應變及截面剛度提高程度明顯有差別，預裂程度越大，受拉區鋼筋應變及撓度的降低越多，加固效果就更為明顯。

增加配筋率和截面高度都會降低加固梁的撓度，但效果不太明顯，但是配筋率對提高加固梁整體延性的效果較好。值得注意的是，粘貼碳纖維布的層數越多，其有效利用率就越低。對于預裂梁的加固，提高配筋率和增加截面高度都可以降低混凝土應變和提高碳纖維布的利用率，相比較而言提高配筋率的效果更明顯一些。

5 結束語

碳纖維布具有優越的物理力學性能，是一種理想的加固修復材料。當前針對碳纖維布加固對抗彎性能的影響等已有不少研究，相對而言，關于連續梁的研究不是很多，值得繼續深入研究。

參考文獻

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[2]董江峰，王清遠，邱慈長.CFRP加固鋼筋混凝土梁的抗彎試驗研究[A].全國結構工程學術會議[C].2010.

[3]程東輝，王天峰，易亞敏.碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁受力性能試驗研究[J].工業建筑，2011.

作者簡介：杜秀麗，女，山東淄博人，碩士研究生，助教，研究方向：橋梁與隧道工程。

范曉鵬，男，山東濰坊人，碩士研究生，助教，研究方向：結構工程。