淺層埋設CFRP筋加固RC梁的力學性能研究

何雙江，付 祥

(西華大學 結構工程研究所，四川 成都 610039)

0 前 言

CFRP筋是一種輕質高強材料，具有高彈性模量和良好的抗疲勞性能等特點。針對CFRP筋的加固效果，國內外學者開展了很多相關研究：Milan ?mindák等[1]進行了CFRP板的粘貼加固試驗研究；Sun W等[2]通過將CFRP板錨固進混凝土結構并且結合有限元分析來進行研究；于天來等[3]通過錨固的方式在混凝土梁體外增加預應力CFRP筋來探索CFRP筋的加固效果；任振華等[4]研究了在混凝土梁中嵌入CFRP筋的加固效果，并對寬缺口進行了完善；張凱、朱虹等[5]對帶砂漿包覆層CFRP筋高溫后力學性能進行了研究，表明CFRP筋在砂漿包裹下在長時間高溫作用后具有較高的殘余強度；蘇偉強等[6]研究了鋼絲網砂漿層和附加肋提升嵌入式CFRP筋錨固的性能，試驗表明該方法能改變試件的破壞形態;Al-Abdwais A等針對CFRP的近表面加固系統進行了探索和整理；丁亞紅等通過內嵌CFRP筋加固鋼筋混凝土梁，試驗表明CFRP筋明顯提高被加固梁的可靠指標，最大幅度為79.2%。這些方法都極大地提高了混凝土結構承載能力，但是加固方法都較為復雜。

基于此，本文研究了用早強砂漿埋設CFRP筋的方法加固鋼筋混凝土懸臂結構。

1 梁的試驗概況

1.1 試件設計

實驗前對鋼筋數量和構造進行設計，并按照設計的內容進行綁扎。在鋼筋骨架不同位置綁接應變計用于數據采集與實驗現象觀察。澆筑過程中，待混凝土完全凝固后，在梁試件的底部刷上一層環氧樹脂涂料，緊接著將拌和好的早強砂漿均勻澆筑在試件上，并將纏繞了GFRP布的CFRP筋埋入高強砂漿當中。

為了探究CFRP筋的加固效果，實驗澆筑了4條梁試件。試件構造示意見圖1，分組情況見表1。

圖1 試件構造

表1 試件分組情況

1.2 實驗材料

水泥型號選用C50，砂漿選用太平洋材料有限公司(日)所生產的早強水泥砂漿，為了得到混凝土和砂漿的抗壓強度，制作了直徑為100 mm、高為200 mm的圓柱形試件，并進行了壓縮實驗。CFRP筋采用了三菱化學生產的CFRP筋，直徑為8 mm，抗拉強度為1 200 MPa，彈性模量為440 GPa，粘結材料選用環氧樹脂粘結劑。

1.3 實驗測量與加載方案

1)應變計的布置。在混凝土澆筑前沿CFRP筋和內部受力筋上每隔100 cm 距離均勻綁接應變計。為了研究混凝土結構撓度以及應變的變化，對試件在不同加載階段進行高度和長度的測量。

2)加載機制。試驗采用電液伺服萬能試驗機進行加載試驗。支座有兩個支點，允許試件在XY平面上能夠轉動，以模擬構件的受彎情況。荷載位于跨中位置，加載前保證梁跨中與加載裝置的中軸線重合。試驗中，使用10 mm/min速度進行低速加載，直至試件破壞。加載過程中，記錄試件撓度與裂縫發展以及內部應力變化情況。

2 有限元分析

2.1 建模方法

本文使用ANSYS APDL進行非線性靜態分析。八節點Solid 65用于創建混凝土和砂漿的模型。考慮到鋼筋和CFRP筋僅承受拉伸應力和受壓應力而沒有受到扭轉的作用，因此，Link 180單元用于模擬CFRP筋和鋼筋的嵌入。為了防止應力集中的產生，在梁的加載位置和約束位置添加由Solid 185單元定義的剛性墊塊來防止應力集中(見圖2)。網格的大小為25 mm，FE模型通過掃掠的方法進行網格劃分。

圖2 梁的荷載和約束情況

2.2 模型設計

梁模型尺寸如圖1所示，其中混凝土厚度為135 mm，在板的上部覆蓋有一層厚度為25 mm的早強砂漿。為了研究CFRP筋不同的埋設深度對梁的影響，模擬中設計CFRP筋埋設深度分別為5、10和15 mm。

2.3 材料屬性

材料參數使用“Material tool”進行定義，由于混凝土材料彈性模量不均勻，必須對“Multilinear Isotropic”進行定義，通過實驗已經獲取了材料的抗壓極限強度以及所對應的應變量，可以通過公式(1)和公式(2)求得混凝土材料的應力應變關系曲線。

(1)

(2)

本文將鋼筋和CFRP筋視為線彈性材料。由于CFRP材料沒有屈服階段，因而不考慮該材料的屈服強度。

3 試驗結果與分析

1)梁的破壞形態。試件被逐漸加載到事先計算的開裂荷載之前，沒有肉眼可見裂縫的產生。當荷載被加載到開裂荷載時，梁的底部出現了肉眼可見的細小裂縫，并且隨著荷載的增加而增加。裂縫從梁底部開始，向上沿45°方向向加載處發展。隨著荷載的繼續增加，混凝土開始剝落，加載處的混凝土開始出現壓碎現象。當到達極限荷載附近時，底部混凝土已嚴重剝落，底部加固筋已經顯露出來。

不同試件的最終破壞形態有所區別：①未經過CFRP筋加固的鋼筋混凝土梁底部裂縫均勻，加載部位很少有壓碎現象，構件從中部斷裂，肉眼觀察到內部鋼筋已變形；②未經過CFRP筋加固的梁，底部沒有出現大的裂縫，但直接沿45°方向出現平滑的大斷裂；③經過CFRP筋加固后的梁，上部出現大量壓碎，底部也出現大量剝落，梁中間位置的CFRP筋抽絲剝離，但與混凝土之間沒有明顯的分離現象。

2)梁在XY平面上的應力分布特點。未經過CFRP筋加固的梁試件，在加載到開裂荷載之前時，整個截面應變較小，中性軸的位置也幾乎保持不變，說明此時裂縫還沒有出現，應力主要由混凝土承擔；當荷載到達開裂荷載時，梁底部的應變消失，說明下部混凝土開裂。中性軸也隨之上移，說明應力開始轉由鋼筋承擔，中性軸下部的應變也大大增加，但是中性軸以上位置的應變變化仍然不大；在到達屈服荷載時，中性軸已接近頂部，說明混凝土已幾乎不承受拉應力，幾乎由鋼筋承受。而對于CFRP筋加固的梁試件，在加載到開裂荷載之前時，中性軸幾乎沒有移動，并且相對于未用CFRP筋加固的試件，裂縫出現的荷載已經大大向上提升，此時拉應力由混凝土與CFRP筋共同承擔。當裂縫產生時，下部應變消失，CFRP筋以下的混凝土已不再承受拉應力，此時中性軸也向上提升。隨著荷載的不斷增加，中性軸的位置略有改變，但幅度不大，CFRP筋承擔了主要的拉應力。

3)梁的跨中撓度與荷載的關系。隨著跨中撓度的增加，不同試件的荷載均呈現均勻且有規律的變化。第1段均勻直線的斜率最大，荷載的上升速率最快，此時混凝土尚未開裂，裂縫尚未產生，混凝土承擔了主要應力，但是用CFRP筋加固的梁在這個階段的過程明顯更長，說明CFRP筋的使用增加了梁的開裂荷載，延緩了裂縫的出現。第2段直線斜率明顯減小，但仍均勻穩定地發展，隨著荷載的上升，梁的跨中撓度增加速率上升，說明裂縫此時已經開始發展，鋼筋混凝土梁仍舊滿足平截面假定。但CFRP筋加固梁的荷載增量明顯更多，因為，此時CFRP筋參與了受拉，減少了梁的撓度變形。

4 有限元結果與分析

1)梁的模擬結果以及實驗對比。梁的模擬破壞情況和現實中基本吻合，模擬結果與實驗結果相比較基本吻合，荷載的變化情況也與實驗差距不大，誤差基小于20%，說明實驗結果可靠，CFRP筋能夠有效加固混凝土結構。

2)CFRP筋埋設深度和加固筋應力的關系。隨著CFRP筋埋設深度的增加(B-1-5中末尾數字表示埋設深度)，筋的最大應力值先上升后下降。結合對比數據可以發現，外加荷載45 kN時，埋設深度相對較淺的CFRP筋，其最大應力值分布相對較均勻，而不是傾向于集中，因此，最大應力值有所下降。模擬說明，降低CFRP筋的埋設深度可以防止應力在CFRP筋上過于集中，從而降低CFRP筋的破壞風險。

5 結 論

1)采用高強砂漿埋設CFRP筋的方法用來加固鋼筋混凝土梁，能夠有效增加結構的開裂荷載以及極限荷載，并且能有效增加梁在混凝土開裂后階段抵抗變形能力。

2)高強砂漿與混凝土之間并沒有分離，說明環氧樹脂粘結劑保證了混凝土和砂漿的共同工作。

3)CFRP筋在加固中的使用，改變了混凝土結構內部的應力分布，改變了梁的破壞模式。加固前，鋼筋混凝土梁主要受到剪切破壞，加固后，梁的混凝土受到剪切破壞和受壓破壞共同作用。

4)適當減小CFRP筋的埋設深度，可以防止應力在CFRP筋受荷位置上過于集中。

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