無粘結(jié)預應力U形CFRP加固混凝土梁抗剪試驗

周朝陽,趙波涌,劉 君,韓殿牧原,2

(1.中南大學 土木工程學院，長沙410075；2.廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州510010)

無粘結(jié)預應力U形CFRP加固混凝土梁抗剪試驗

周朝陽1,趙波涌1,劉 君1,韓殿牧原1,2

(1.中南大學 土木工程學院，長沙410075；2.廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州510010)

針對外貼纖維布抗剪加固鋼筋混凝土梁極易發(fā)生纖維剝離破壞、纖維利用率低且被動受力等問題，開發(fā)了一套U形纖維帶預應力系統(tǒng)，包括側(cè)面端部自鎖錨固裝置、角鋼和底部連接及張拉裝置.為驗證該系統(tǒng)的可行性及探討碳纖維帶預應力大小對抗剪加固效果的影響，完成了5個較大截面矩形梁段試件的單點加載抗剪試驗，其中1個未加固，4個采用無粘結(jié)預應力U形碳纖維帶進行抗剪加固.試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能給U形纖維帶提供可靠預應力，并把常見的纖維剝離破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓟嗥茐?，大大提高纖維利用率；施加預應力的纖維帶對梁裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展及開裂后梁剛度的退化均有明顯的抑制作用；預應力大小對主斜裂縫傾角及直接參與抗剪的纖維帶數(shù)量影響較大，但對這些纖維帶的有效應變影響不大；并非預應力越大，抗剪加固效果越好，本試驗中，僅將纖維帶預應變張拉至0.001就能最大幅度提高梁的抗剪承載力.基于試驗結(jié)果分析，從考慮豎向平均預應力對主斜裂縫傾角的影響入手，提出了無粘結(jié)預應力U形碳纖維帶加固混凝土梁抗剪承載力公式，其計算值與試驗值符合良好.

鋼筋混凝土梁；碳纖維帶；預應力；自鎖錨固；無粘結(jié)；抗剪加固

目前，外貼纖維增強復合材料(FRP)在鋼筋混凝土梁抗剪加固中的應用越來越廣泛.然而，大部分傳統(tǒng)粘貼加固梁的破壞是由FRP的過早剝離所引起[1-6]，不僅破壞具有明顯脆性，而且FRP強度利用率極低.另外，傳統(tǒng)加固方式中，F(xiàn)RP只有在梁變形足夠大的情況下才能發(fā)揮作用[7-8]，屬于被動受力.

為解決上述問題，開發(fā)高效的錨固措施并與預應力技術(shù)相結(jié)合已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點.國外直接利用預應力片材進行抗剪加固的研究報道出自文獻[9-11].近年來，他們采用了一種熱塑性碳纖維(CFRP)條帶，加固矩形截面梁的做法是先在截面上下各置一鋼制墊塊，將纖維條帶繞梁數(shù)圈后，其最外圈末端與次外圈相應位置通過加熱熔焊起來，讓條帶形成封閉環(huán)以取得可靠錨固效果；若需施加預應力，則對一鋼制墊塊進行頂壓以使封閉條帶受拉.對于T形截面梁，翼緣靠近腹板邊緣處需開槽讓封閉條帶穿過.這種熔焊封閉條帶的抗剪加固效果不錯，但現(xiàn)場開槽作業(yè)并不容易，特別是當梁上有樓板或墻時，他們用穿孔的方式形成熔焊封閉條帶，這不但很難實施，還會給梁造成較大的內(nèi)部損傷.實際上，采用U形條帶可避開形成封閉條帶的實際困難及其衍生的問題.彭剛等[12]較早嘗試采用預應力U形FRP對混凝土矩形梁進行抗剪加固，但其施工方法除了預應力施加難度較大、裝置占用高度過大等問題外，更無可靠的條帶錨固措施，這可能是其最終加固效果不明顯的主要原因.

為此，本文開發(fā)了一套抗剪加固用U形FRP帶預應力系統(tǒng)，它既可提供有效端錨，又可輕松對纖維帶施加可靠預應力.利用此系統(tǒng)，采用無粘結(jié)預應力U形CFRP對足尺混凝土矩形梁進行抗剪加固，探討了預應力大小對抗剪加固效果的影響，提出了承載力計算公式.

1 系統(tǒng)簡介

U形纖維帶預應力系統(tǒng)由固定端、角鋼、張拉端3個部件組成，見圖1.固定端由開縫板[13-14]和植筋螺桿組成.開縫板巧妙利用摩擦原理，僅需將FRP端部以特定方式纏繞在板上，即可通過摩擦使FRP達到自鎖錨固狀態(tài)[15].實際應用中，一般在FRP端部涂抹浸漬膠再進行纏繞，待膠固化后可獲得更加可靠的錨固.繞結(jié)完成后，將自鎖開縫板安置在預先植入梁內(nèi)的螺桿上并擰緊螺帽固定.

角鋼利用圓鋼加工而成，通過結(jié)構(gòu)膠粘于梁角，其主要目的是實現(xiàn)U形FRP側(cè)面和底面之間的光滑過渡，緩解FRP轉(zhuǎn)角處的應力集中和摩擦損失，同時與其余兩個部件共同保證FRP與梁表面留有適當寬度的空隙，實現(xiàn)無粘結(jié)加固.另外，為保證轉(zhuǎn)角區(qū)域混凝土不被角鋼壓壞，將角鋼的兩肢延伸一定長度，以增加受壓接觸面積，減少轉(zhuǎn)角處混凝土的應力.

張拉端由楔形錨板和高強螺栓組成.在梁底對稱布置一對楔形錨板，在錨板兩側(cè)各設一根高強螺栓，使一對錨板建立聯(lián)系，通過螺栓給纖維帶施加預應力，預應力的大小通過FRP帶側(cè)面粘貼的應變片來控制.

自鎖開縫板、角鋼和楔形錨板的材料及尺寸設計均應以相關規(guī)范為基礎，通過有限元分析進行強度復核及調(diào)整優(yōu)化，以適應不同強度、寬度和層數(shù)纖維布的抗剪加固方案.植筋螺桿和高強螺栓的截面面積要求則可根據(jù)下式進行驗算：

(1)

(2)

式中：AB為植筋螺桿截面面積，As為高強螺栓截面面積，n為FRP條帶層數(shù)，wf為FRP條帶寬度，tf為單層FRP厚度，ff為FRP抗拉強度，τB為植筋螺栓抗剪強度，fs為高強螺桿抗拉強度.

圖1 預應力U形纖維帶自鎖錨固系統(tǒng)及加固方法

2 試驗設計

本試驗共有5個試件，其中1個為對比試件，另外4個為加固試件，均為混凝土矩形梁段，截面尺寸為250 mm×500 mm.梁的具體幾何尺寸及配筋詳情見圖2，鑒于本試驗的目的是考察抗剪能力，在配筋設計時，明顯增加了抗彎縱筋的用量，同時抗剪箍筋的用量偏少.縱筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用過去常用的HPB235級鋼筋，加固用纖維帶采用英國Sigmatex品牌的CFRP布.各梁混凝土強度相同，混凝土立方體抗壓強度實測值為39.67 MPa；CFRP及各型號鋼筋材性測試結(jié)果見表1.

為盡量避免混凝土強度離散性的影響，以及解決常規(guī)三分點加載中數(shù)據(jù)量過大的問題，試驗采用“一梁二用”的方案，即梁兩端均為試驗區(qū)段，中間為箍筋加密區(qū)段，首次試驗時，梁支承在端部和一個三分點處，跨度為2 m，在另一個三分點處(即跨中)單點加載，剪跨為1 m，見圖3.二次試驗時，支點和加載點位置整體向右平移1 m.

加固試件的纖維帶布置方案見圖3.CFRP帶預應力大小作為唯一的試驗變量考慮(表2)，各試件其他參數(shù)均相同，其中，CFRP帶均為2層，厚0.167 mm，寬度取為50 mm，便于采用小規(guī)格尺寸錨具對條帶施加沿寬度分布較為均勻的預應力.

試驗中CFRP帶與梁表面均無粘結(jié)，每根條帶同一水平截面布置2～3個應變片，以測試各CFRP帶的平均應變.支座和跨中處分別布置千分表和百分表，以測試梁的豎向位移，得到跨中撓度.在加載過程中，觀察主斜裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，并測量主斜裂縫的寬度.

表1 鋼筋及CFRP材料性能

圖2 試驗梁尺寸及配筋圖(mm)

圖3 試驗梁加固及加載方案(mm)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

對比梁的破壞特征屬于典型的剪壓破壞，在此不再贅述.加固梁的破壞過程大致如下：

1)當加載至210 kN左右時，各試件均在加載點截面底部附近出現(xiàn)豎向受彎裂縫.

2)隨著荷載的增加，梁腹部有較短斜裂縫出現(xiàn)，但發(fā)展緩慢；此過程中CFRP帶應變幾乎不增長.

3)當荷載增至某值時，梁腹部斜裂縫迅速向支座和加載點兩端延伸，形成一條主斜裂縫，但各試件的主斜裂縫傾角有所不同，詳見表2；與此同時，CFRP帶應變突增.

4)隨著荷載的進一步增大，新的斜裂縫鮮有出現(xiàn)；主斜裂縫寬度逐漸增大，但其兩端幾乎不再延伸；CFRP帶應變逐步增加，且由于局部浸漬膠被拉裂，CFRP帶間或發(fā)出輕微響聲.

5)當梁臨近破壞時，加載點附近出現(xiàn)橫向裂縫，并伴有混凝土剝落；主斜裂縫寬度及加固梁CFRP帶應變增長加速.

破壞時，除Y1外，其他試件均發(fā)生以剪壓區(qū)壓壞為標志的剪壓破壞，而Y1因最終承載力高達995kN，縱筋拉應力過大而導致錨固不足，發(fā)生了錨固破壞；CFRP帶中，未被主斜裂縫穿過的最終保持完好，而被主斜裂縫穿過的全部被拉斷，且拉斷與混凝土梁的破壞幾乎同時發(fā)生；盡管CFRP帶被拉斷，但預應力錨固裝置未見任何損傷.試驗梁破壞形態(tài)見圖4.

這批加固試件極限承載力較對比試件均有大幅度提高，Y1的提高幅度最大，達96%.

表2 試驗結(jié)果

注：試件編號中，C-對比試件，Y-加固試件；S—剪壓破壞；A—錨固破壞(縱筋錨固不良，支座附近鋼筋拉應力增大和粘結(jié)長度縮短而發(fā)生的粘結(jié)破壞)；R—FRP拉斷破壞；破壞模式S/R表示S、R幾乎同時發(fā)生，余類推.

圖4 試驗梁破壞形態(tài)

3.2 撓度

圖5為各試件荷載-撓度曲線.從加載初期到主斜裂縫出現(xiàn)之前，各試件荷載-撓度曲線基本重合，以相同的斜率線性增長，這說明加固與否及給CFRP帶施加多大預應力對混凝土梁彈性剛度無明顯影響.主斜裂縫出現(xiàn)后，各試件荷載-撓度曲線開始偏離原有線性軌跡，斜率逐漸減小，即梁的剛度逐漸退化.但相較于對比試件，加固試件剛度退化較為緩慢，其中施加預應力的試件減緩程度更甚，這間接說明施加預應力的CFRP帶更能抑制主斜裂縫的發(fā)展，從而延緩主斜裂縫出現(xiàn)后加固梁整體剛度的退化.

3.3 主斜裂縫

3.3.1 主斜裂縫荷載

無論加固與否，混凝土梁主斜裂縫的產(chǎn)生均具有很大的突然性.但相對未加固試件而言，加固試件產(chǎn)生主斜裂縫的荷載均有所提高，未施加預應力的Y0提高幅度僅為9%，但施加預應力的Y1、Y2、Y3均有30%以上的大幅提高，詳見表2.這充分說明預應力對于抑制主斜裂縫的產(chǎn)生具有顯著的作用，在一定程度上改善了纖維帶因被動受力而參與抗剪滯后的問題.

圖5 荷載-跨中撓度曲線

3.3.2 主斜裂縫傾角

試驗中未施加預應力的Y0主斜裂縫傾角與對比梁相近，施加較小預應力的 Y1主斜裂縫傾角略小于對比梁，而施加較大預應力的Y2、Y3主斜裂縫傾角明顯大于對比梁，見表2及圖4.顯然，主斜裂縫傾角的變化與加固區(qū)段豎向CFRP帶的預應力大小密切相關，這是因為給豎向CFRP帶施加預應力相當于通過預應力自鎖錨固系統(tǒng)在梁上作用了多個豎向壓力，從而影響了梁內(nèi)部的應力狀態(tài)，進而改變了主斜裂縫傾角.

為了描述這種關系，本文定義了一個新的物理量：豎向平均預應力σp，用來衡量加固區(qū)段豎向纖維帶預應力大小，其表達式為

(3)

式中：σp為豎向平均預應力，MPa；Ef為FRP彈性模量；b為梁截面寬度；sf為FRP條帶中心間距；ρf為FRP條帶配纖率.

通過回歸分析，給出了主斜裂縫傾角θ和σp的關系式為

cotθ=-2.40σp2+0.76σp+1.66.

(4)

圖6 cot θ隨豎向平均預應力的變化

值得注意的是，主斜裂縫的傾角決定了主斜裂縫穿過CFRP帶的數(shù)量，一般而言，只有被主斜裂縫穿過的條帶才有可能發(fā)揮比較大的作用.如圖4所示，試驗梁主斜裂縫傾角較大時裂縫往往繞過了第五根條帶，甚至包括第四根條帶，致使其發(fā)揮的作用極其有限.因此，在設計中，為使主斜裂縫盡可能多穿過條帶，應通過施加適當大小的預應力、控制配纖率使豎向平均預應力處于不至于過大影響主斜裂縫傾角的合理區(qū)間；此外，采取一些構(gòu)造措施，例如盡量提升錨固高度(即減小固定端到梁頂?shù)木嚯x)，對此也有一定幫助.

3.3.3 主斜裂縫寬度

圖7給出了各試件的荷載-裂縫寬度曲線.由圖可見，加固(尤其是施加預應力的)能夠顯著抑制裂縫寬度的發(fā)展.在各施加預應力的試件中，Y2、Y3裂縫寬度發(fā)展相近，Y1裂縫寬度發(fā)展最緩，這是由于Y1主斜裂縫傾角較小，穿過了所有條帶，所有條帶均參與抑制裂縫寬度的發(fā)展，而Y2、Y3主斜裂縫相對較陡，繞過了部分條帶，致使這些條帶發(fā)揮約束裂縫加寬的作用非常小.將Y2、Y3進行對比發(fā)現(xiàn)，雖然二者主斜裂縫傾角相差明顯，Y2主斜裂縫僅繞過了第五根條帶，而Y3主斜裂縫繞過了第四、第五兩根條帶，但二者對裂縫寬度發(fā)展的約束作用卻極其相近，這說明高預應力一定程度上彌補了裂縫傾角過大對抑制裂縫寬度發(fā)展的負面作用.

綜上所述，給纖維帶施加預應力對于抑制主斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均有明顯的作用.但并不是預應力越大，約束作用越理想，設計使用時需綜合考慮其他多個加固參數(shù)，如配纖率以及錨固高度等.

3.4 纖維帶有效應變

FRP抗剪加固中，有效應變?nèi)≈餍绷芽p所穿過的各條帶最終應變的平均值.圖8給出了本次試驗FRP有效應變隨豎向平均預應力的變化情況，隨著豎向平均預應力的遞增，F(xiàn)RP有效應變基本穩(wěn)定在0.005 5左右，這表明給FRP施加預應力對于FRP有效應變的影響并不大，其原因分析如下：豎向平均預應力主要影響主斜裂縫傾角，導致主斜裂縫繞過某些邊緣條帶，但在計算FRP有效應變時，只需考慮被主斜裂縫穿過條帶的應變.已有研究表明，對于被主斜裂縫穿過的條帶，發(fā)生拉斷破壞時，其應變近似地與主斜裂縫寬度成正比[3].本文雖已證明施加預應力的纖維帶更能抑制加載過程中裂縫寬度的發(fā)展，但因各試件最終承載力不同，當試件發(fā)生破壞時，裂縫寬度的差別并不大(見圖7)，這使得不同預應力加固試件的FRP有效應變相差也不大.

圖7 荷載-斜裂縫寬度曲線

圖8 有效應變與豎向平均預應力的關系

Fig.8 Relation between effective strain and average vertical prestress

然而，現(xiàn)有研究對于端錨無粘結(jié)U形CFRP抗剪加固鮮有涉及，其有效應變?nèi)≈悼晒﹨⒖嫉奈墨I很少，因此，本文后續(xù)計算中，將CFRP有效應變暫定為0.005 5.

4 極限承載力計算

預應力CFRP帶對抗剪承載力的貢獻包括直接貢獻和間接貢獻.直接貢獻指CFRP帶承擔了一部分的剪力，可由CFRP帶的有效應變反映.間接貢獻為預應力CFRP對混凝土梁抗剪承載力的影響，包括以下兩個方面：預應力CFRP帶對裂縫發(fā)展的抑制作用提高了混凝土梁的骨料咬合力，并且增大了梁的剪壓區(qū)面積；但是裂縫寬度相對減小以及裂縫傾角的增大一定程度上減小了直接參與抗剪的纖維帶和箍筋的數(shù)量.

FRP加固混凝土梁的抗剪承載力Vu可表示為

Vu=Vc+Vs+Vf.

(5)

式中：Vu為加固后梁的抗剪承載力，Vc為混凝土的抗剪承載力，Vs為箍筋的貢獻，Vf為FRP的貢獻.

為安全起見，Vc仍采用GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》抗剪承載力公式；因預應力對主斜裂縫傾角有較大的影響，Vs、Vf均采用著重考慮了裂縫傾角的桁架模型.可得最終承載力公式為

(6)

式中：λ為剪跨比；ft為混凝土軸心抗拉強度；h0為梁的有效高度；fyv為箍筋抗拉強度；Asv為同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為箍筋間距；α為加固系數(shù)[2]，考慮CFRP加固施工質(zhì)量可能產(chǎn)生的不利影響，取值為0.8；Af為同一截面內(nèi)纖維總截面面積；εfe為纖維有效應變；df為纖維有效高度，可取截面高度減去植筋螺桿到梁頂?shù)木嚯x.

由式(6)可以看出，無粘結(jié)預應力U形FRP抗剪加固中，主斜裂縫傾角對極限承載力的影響很大，由此可以解釋加固梁中Y1的極限承載力最大主要得益于其主斜裂縫傾角最小.

將式(4)代入式(6)，可得本試驗的計算結(jié)果，見表3.計算值與試驗值比較接近.

表3 試件承載力計算

5 結(jié) 論

1)本文開發(fā)的無粘結(jié)預應力U形纖維帶系統(tǒng)既可對纖維帶端部進行可靠錨固，實現(xiàn)了纖維帶的拉斷破壞，又可對纖維帶施加可靠預應力，改善了纖維帶的被動受力.

2)無粘結(jié)預應力U形碳纖維帶對加固梁主斜裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展以及梁開裂后剛度的退化有明顯的抑制作用.

3)采用無粘結(jié)預應力U形碳纖維帶加固能大幅提高混凝土梁的抗剪承載力，本次試驗最大提高幅度幾近翻倍.

4)豎向平均預應力對加固梁主斜裂縫傾角有很大影響.

5)無粘結(jié)預應力U形FRP抗剪加固中，給FRP施加預應力對于FRP有效應變的影響并不大.

6)綜合考慮豎向平均預應力對箍筋和碳纖維帶抗剪貢獻的影響，給出了無粘結(jié)預應力U形碳纖維帶加固混凝土梁抗剪承載力公式，其計算值與試驗值吻合較好.

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Shear tests of RC beams strengthened with unbounded prestressed U-straps of CFRP

ZHOU Chaoyang1, ZHAO Boyong1, LIU Jun1,HAN Dianmuyuan1,2

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010, China)

A novel set of prestressing system for U-straps of FRP was developed for shear strengthening of RC beam to restrain debonding failure, realize active reinforcement and achieve efficient utilization of FRP.It included self-locking anchorage, angle steel and device for connecting and tensioning. The single point loading tests of 5 RC beams with full-sized rectangular section were carried out, among which one remained unstrengthened, and the other four were strengthened in shear using unbonded prestressed U-straps of CFRP.The feasibility of the technique was verified and the influence of prestress on the behavior of RC beams shear-strengthened with unbounded prestressed CFRP U-straps was discussed.The experiments show that the system can provide reliable prestress for U-straps of FRP and transform the conventional debonding failure of FRP to the tensile failure.Prestressing can obviously inhibit the occurrence and development of main diagonal crack and the stiffness degradation after cracking. The level of prestress has a significant influence on the inclination angle of the main diagonal crack and the number of U-straps of FRP directly involved in shear resistance,but it has a little effect on the effective strain of these fibers.But the shear-strengthening effect cannot keep becoming better with the increase of the prestress.In this experiment, the maximum shear capacity of the strengthened beams is reached with a prestrain of 0.001.Based on the test data, a new expression was proposed for shear capacity of the strengthened beams using unbounded prestressed U-straps of CFRP, in which the influence of the vertical average prestress on the inclination of the main diagonal crack was considered.The predicted capacities are in accordance with the test results.

RC beam;strap of CFRP; prestress; self-locking; unbonded; shear-strengthening

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201601064

2016-01-15

國家自然科學基金(51378507)； 湖南省自然科學基金重點項目(2013JJ2005)； 中南大學教師研究基金(2013JSJJ019)

周朝陽(1964—)，男，教授，博士生導師

趙波涌，zhaoboyong24@foxmail.com

TU378.2

A

0367-6234(2017)06-0015-06