預應力CFRP板加固RC梁變形性能試驗

陳華 謝斌 王鵬凱

摘 要：為了研究采用預應力CFRP板加固后的混凝土梁的變形性能，制作了5根混凝土試驗梁，并對其進行靜載試驗；對其中的4根梁采用了預應力CFRP板進行加固，研究加固梁在正常使用階段混凝土梁裂縫、撓度隨荷載的變化.結果表明：試驗梁的特征荷載在采用了預應力CFRP板進行加固后有了明顯的提高，并且張拉CFRP板的預應力水平越高，特征荷載提高越大；采用預應力CFRP板進行加固的混凝土梁對抑制混凝土梁裂縫有明顯的效果，且張拉CFRP板預應力水平越高，則抑制效果越明顯；試驗梁采用預應力CFRP板進行加固后，剛度增加明顯，撓度明顯減小.

關鍵詞：預應力CFRP板；變形性能；撓度；裂縫

中圖分類號：TU378 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.004

0 引言

目前，現行規范介紹了對于采用碳纖維片材（ CFRP）對鋼筋混凝土結構進行加固的方法[1].碳纖維具有一般鋼筋所不具備的高強特性，以往對碳纖維的使用容易造成性能浪費.為了充分利用其特性，近幾年很多學者通過對CFRP施加預應力來加固鋼筋混凝土結構，并對其進行試驗驗證[2-7].對CFRP片材進行表面粘貼之前給其施加一定的預應力，可以很好地利用CFRP材料的高強性能，可使構件使用階段的受力性能得到很大的提高，對防止剝離破壞以及應變滯后現象都有很大的改善等[8-9].另外，CFRP板擁有CFRP布沒有的優點，例如：質量性能穩定、施工便捷等.所以對CFRP板材施加預應力不失為一種很好的加固方法.本文制作了5根混凝土梁并對其進行受力試驗.研究采用預應力CFRP板加固后混凝土梁的變形性能.

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗共制作了5根混凝土試驗梁（試件編號L1，JGL2—JGL6），試件設計參數有：1）張拉控制應力為30%、40%、50%、60%；2）梁的不同配筋率.試驗梁底筋、面筋和箍筋均采用三級鋼筋HRB400，試驗梁為矩形梁，其截面尺寸為[b×h=250 mm×400 mm]，跨高比為9∶1，碳纖維板的長度為3.0 m.試驗梁尺寸和截面配筋見圖1，試件參數見表1.

1.2 材料性能

混凝土、鋼筋、CFRP板的力學性能指數見表2—表4.

1.3 量測內容

包括梁的豎向荷載、跨中撓度、鋼筋的應變、CFRP板的應變、等彎段混凝土應變.

1.4 試驗裝置

試驗加載裝置是采用美國進口的MTS電液伺服加載裝置，用杭州晶明靜態采集系統來采集鋼筋、CFRP板及混凝土的應變，梁的撓度測量和裂縫寬度讀取分別使用位移計和讀數顯微鏡.試驗裝置如圖2所示.

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態

5根混凝土梁的破壞形態分別是：L1為受壓區混凝土壓碎；JGL2、JGL3、JGL4和JGL5發生了CFRP板拉斷破壞.由于L1發生的是受壓區混凝土壓碎破壞，因此，破壞狀態底部混凝土裂縫寬度大，混凝土有少量掉落，頂部受壓區混凝土呈壓碎狀態.對JGL2、JGL3、JGL4兩端的錨具均用打包條對其進行加固，最后的破壞形態均為CFRP板拉斷破壞，為脆性破壞.對試件JGL5兩端的錨具也采用了打包條進行處理，試件極限破壞時，整條CFRP板發生了斷裂，產生了許多CFRP碎屑.其破壞情況見圖3—圖7.

2.2 荷載-撓度

從圖8可以看出，試驗梁在開裂之前，其跨中撓度與荷載之間基本上呈線性發展趨勢；開裂之后，試驗梁的荷載-撓度曲線的曲率變大，撓度的增長速度隨著荷載的增大就越大.構件的剛度基本上可以分為3個階段，分別是：1）混凝土開裂前；2）混凝土開裂至受拉鋼筋屈服；3）受拉鋼筋屈服到極限破壞狀態.

從圖8可以看出，張拉CFRP板的預應力水平越高，試驗梁在相同荷載下的跨中撓度就越小，說明張拉CFRP板的預應力水平越高，對加固梁剛度的提高就越大，對加固梁撓度的發展抑制效果就越明顯.

2.3 裂縫分布

1）裂縫寬度與荷載之間的關系

觀察圖9，可以得出：裂縫寬度與荷載之間的關系基本上呈線性增長趨勢.

2）L1與JGL5的對比

由圖9可以得出：采用了預應力CFRP加固的試驗梁JGL5，其開裂荷載遠大于未加固的試驗梁L1，且JGL5的裂縫發展速度比L1慢很多，JGL5的裂縫寬度-荷載曲線的斜率也比L1的小很多，說明混凝土梁在用預應力CFRP板加固后，CFRP板能有效地提高梁的開裂荷載，并有效地抑制梁裂縫寬度增長.由圖10可以得出，JGL5的裂縫數量少于L1，裂縫間距也細小裂縫的數量也少，說明采用預應力CFRP板加固后的混凝土梁能非常有效地抑制裂縫的產生，減少裂縫的數量.

3）張拉CFRP板的預應力水平對梁裂縫的影響

觀察圖9可以看出，開裂荷載的大小是JGL2JGL3>JGL4，說明張拉CFRP板的預應力水平越高，加固后的混凝土梁開裂荷載越大，對梁裂縫寬度抑制的效果越明顯.觀察圖11，可以看出，試驗梁裂縫的數量是JGL2>JGL3>JGL4>JGL5，采用張拉[60%σfu]CFRP板的JGL5屈服狀態下的裂縫數量只有9條裂縫，且幾乎無細裂縫的產生，說明采用張拉CFRP板的預應力水平越高，梁裂縫數量越少，對混凝土梁裂縫數量的增加抑制效果就越明顯.

2.4 抗彎承載力

對試驗所做的數據進行處理，各試驗梁的抗彎承載力見表5.

由表5可以看出，JGL5的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均比L1的要大許多，其中開裂荷載增加了47 kN，說明試驗梁在用預應力CFRP板加固后，CFRP板能對加固梁的開裂起很好的抑制作用，有效地提高梁抗彎承載力.對比JGL3、JGL4、JGL5可以得出：隨著對CFRP板張拉的預應力水平越高，梁的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均有提高.部分試驗梁的開裂荷載與屈服荷載的對比見圖12和圖13.

從圖12和圖13中可以看出各梁開裂荷載與屈服荷載的對比情況.對比L1和JGL5發現：試驗梁在用預應力CFRP板進行加固后，相較于未加固的試驗梁，加固后的試驗梁其開裂荷載和屈服荷載有了比較大的提升.對比JGL2、JGL3、JGL4可以看出：隨著張拉CFRP板的預應力水平越高，開裂荷載和屈服荷載也相應的提高，但提高的幅度不大.

3 有限元分析

在鋼筋混凝土有限元模型中，根據鋼筋與混凝土處理方式的不同主要分為3種模型[10]：整體式模型、分離式模型、組合式模型，本文采用的是分離式模型對鋼筋混凝土梁進行建模，建模的參數均是根據本文試驗梁實際參數.混凝土單元選用ANSYS模擬混凝土材料的三維實體單元Solid65，鋼筋單元選用Link180單元，CFRP板選用彈性殼體單元Shell63，集中荷載和支座處鋼墊塊選用實體單元Solid45模擬，同時為了防止彈性墊塊位移變形過大，需將其中keyopt（1）設置為1.

3.1 ANSYS有限元建模

預應力CFRP板加固鋼筋混凝土梁有限元模型及網格劃分如圖14—圖16所示.

3.2 試驗值與模擬值對比

將有限元軟件ANSYS計算所得的荷載-位移曲線與試驗所得的荷載-位移曲線結果對比，如圖17所示.

通過圖17可以得出：利用有限元軟件ANSYS計算所得荷載-位移曲線與試驗所得的荷載-位移曲線兩者之間有較好的吻合度.

4 結論

采用了預應力CFRP板進行加固使鋼筋混凝土梁的特征荷載有了很大的提高，并且預應力水平越高，效果越好；采用預應力CFRP板進行加固的混凝土梁能有效限制其裂縫的產生和發展，且張拉預應力水平越高，抑制效果越明顯；試驗梁采用預應力CFRP板進行加固后，剛度大幅增加，撓度變形大幅減小.

參考文獻

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[10]孫勝偉. 基于有限元分析的CFRP板加固RC梁相關問題研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

Experimental study on deformation behavior of RC beams strengthened

with prestressed CFRP plates

CHEN Hua1，2， XIE Bin1， WANG Pengkai1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanning College，Nanning 530004 ， China）

Abstract ：In order to study the deformation performance of concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates， five concrete test beams were made in this paper. The five test beams were tested for static load. One of the five test beams was unreinforced and the other four were tested. Beams were reinforced with prestressed CFRP plates. The research and analysis of the deformation performance of the reinforced beam in normal use stage were conducted， and the changes of the cracks and deflections of the concrete beam with the load during the normal use period were studied. The results show that the characteristic load of the test beam is significantly improved after the prestressed CFRP plate is used for reinforcement. The higher the prestress level of the tensioned CFRP plate is， the larger the characteristic load is increased； the prestressed CFRP plate is used for the test beam. Reinforced concrete beams have very obvious effect on restraining the cracks of concrete beams， and the higher the prestress level of tensioned CFRP plates， the more obvious the suppression effect； after the test beams are reinforced with prestressed CFRP plates， the stiffness increases significantly， deflection deformation obviously reduces.

Key words：prestressed CFRP plates； deformation properties； deflection； cracks

（學科編輯：黎 婭）