CFRP布加固損傷RC梁抗彎性能試驗研究

黃俊豪 錢永久 楊華平 黎璟

1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.成都大學建筑與土木工程學院，成都 610106；3.四川省鐵路產業投資集團有限責任公司，成都 610094

橋梁是立體交通網絡中的重要組成部分。由于修建時工程技術標準不高、運營時管理養護不到位、設計使用壽命即將到期等原因，大量既有橋梁“帶病工作”，其安全隱患不容忽視。若要重建，巨大的經濟、社會成本又難以承受。如何確保這些問題、老化橋梁的安全性與可靠性，成為我國乃至全世界的重大現實需求［1］。

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）因其質量輕、耐腐蝕、強度高、施工方便等優點，在鋼筋混凝土梁（Reinforced Concrete Beam，RC梁）加固中的應用十分廣泛。鄧宗才［2］通過改變碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）布層數、配筋率，研究了CFRP布對RC梁抗彎承載力和抗彎剛度的影響規律。楊勇新等［3］基于208個不同受力狀態下的CFRP布與混凝土黏結試件，統計分析了CFRP布與混凝土的黏結性能變化規律并闡述了黏結機理。熊光晶、楊 建 中 等［4-5］聯合 使用 玻 璃 纖 維（Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP）布與CFRP布加固RC梁，發現混雜纖維布加固法能提高構件延性并降低加固成本。秦麗輝［6］研究了玄武巖纖維（Basalt Fiber Reinforced Plastics，BFRP）布加固損傷RC梁的抗彎、抗剪性能，并基于試驗結果建立了BFRP布加固損傷RC梁的撓度、裂縫寬度、裂縫間距計算方法。趙良科［7］研究了聚酯纖維（Polyester Fiber Reinforced Plastics，PFRP）加固RC梁的抗彎性能。馬明等［8-9］根據CFRP-混凝土界面雙剪試驗建立了Popovics型黏結-滑移本構模型，并基于CFRP布加固RC梁的長期持荷試驗推導了持續荷載作用下加固梁的撓度及裂縫寬度計算表達式。Yazdani等［10］進行了預飽和CFRP外貼加固小混凝土梁的抗彎試驗，并討論了不同錨固形式對加固效率的影響。

上述文獻大多以FRP加固完好RC梁為研究對象，為更接近實際工程情況，本文以有預損傷開裂的RC梁為對象，研究不同預損傷開裂程度、加固量、配筋率對CFRP布加固損傷RC梁抗彎性能的影響，為FRP加固橋梁的同類設計施工提供參考。

1 試驗概況

1.1 材料力學性能

采用商用C30小粒徑混凝土運送至實驗室現場澆筑形成標準立方體試塊和棱柱體試塊，經28 d養護后進行強度試驗和彈性模量試驗。試驗測得混凝土抗壓強度平均值39.6 MPa，抗拉強度平均值3.9 MPa，彈性模量平均值27.2 GPa。

采用工廠預制鋼筋，HRB335、HPB235鋼筋抗拉強度分別為280、195 MPa，彈性模量均為210 GPa。

CFRP布采用Toray（東麗）UT70?30型碳纖維布。黏結膠采用Sikadur（西卡）330CN型雙組份環氧碳布浸漬膠。按GB∕T 3354—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》［11］制作標準試件，測得材料力學性能指標，如表1所示。

表1 材料力學性能指標

1.2 試驗梁及工況設計

試驗梁采用強剪弱彎設計，為雙筋矩形截面簡支結構。梁高200 mm，寬120 mm，跨徑2 300 mm，計算跨徑2 100 mm。試驗梁的縱筋分別采用直徑為10、12、14 mm的HRB335鋼筋（N1）；架立筋為直徑6 mm的HPB235鋼筋（N2）；箍筋為直徑6 mm的HPB235鋼筋（N3），純彎段布置間距為160 mm，彎剪段加密布置間距100 mm。加固時將CFRP布粘貼在試驗梁受拉區底面，CFRP布長1 900 mm，寬80 mm，試驗梁及外貼CFRP布布置情況見圖1。

圖1 試驗梁及外貼CFRP布布置情況（單位：mm）

試驗共設計7個工況：DB?1為未加固完好RC梁；DB?2為CFRP布加固完好RC梁；JG?1—JG?5為CFRP布加固有預損傷開裂的RC梁。其中JG?1，JG?2改變了RC梁加固前的預裂荷載；JG?3，JG?4改變了損傷RC梁的配筋率；JG?5增加了CFRP布加固粘貼層數。

采用預損傷系數對試驗梁的預損傷開裂程度進行量化，其數值為預裂荷載除以未加固完好梁的極限荷載。加固量即為每根試驗梁在加固時粘貼的CFRP布總量。試驗中粘貼CFRP布的長度、寬度均保持不變，通過改變CFRP布粘貼層數對各試驗梁的加固量進行定量調整。

DB?1梁實測極限荷載為48.12 kN，則JG?1梁和JG?5梁預裂荷載為14.44 kN，JG?2梁預裂荷載為28.87 kN。其余5個工況的極限荷載實測值與有限元計算值的平均誤差為5.2%，計算精度滿足數值模擬需求。由于沒有對應配筋率的未加固完好梁實測數據，JG?3、JG?4梁采用對應未加固完好梁的極限荷載有限元計算值乘以預損傷系數得到預裂荷載，分別為11.34、18.06 kN，并在后續分析中以有限元計算值為基準量。各工況的試驗梁參數如表2所示。

表2 各工況試驗梁參數

1.3 加載方案及測試內容

試驗時使用最大起重量為20 t的液壓千斤頂施加荷載，千斤頂布置在分配梁中線位置，分配梁兩支點間距700 mm。試驗梁在縱筋屈服前為荷載控制，每級荷載2 kN，加載速率1 kN∕min；在縱筋屈服后加載采用試驗梁跨中位移控制，每級位移1 mm，加載速率0.5 mm∕min。每級加載完成后持荷2 min，待荷載、變形穩定后采集試驗數據。試驗加載裝置見圖2。

圖2 試驗加載裝置

試驗荷載由量程為100 kN的壓力傳感器讀數進行控制。試驗梁的撓度則由跨中、加載點及支座處5個百分表測量。

在試驗梁的跨中截面一側表面沿豎向等間距40 mm布置5個混凝土應變片。試驗梁的鋼筋應變測點均勻布置在2根縱筋上，每根縱筋上布置12片，共24片。一根縱筋的應變片布置在跨中截面左側，另一根縱筋應變片則布置在跨中截面右側。應變片在縱筋的純彎段等間距布置在兩箍三分點位置，彎剪段布置在兩箍中點位置。在CFRP布上沿跨中截面共布置29個應變測點，兩側各14片，中點1片；每側自中點起沿CFRP布中線間隔65 mm依次布置10片，然后間隔210 mm布置1片，最后3片則間隔40，30，20 mm布置。

2 試驗現象及破壞機理

DB?1梁試驗現象：①在荷載作用下，梁底受拉區開裂，出現2條沿跨中截面對稱的初始裂縫，開裂位置位于距梁跨中截面15 cm的兩側梁底。②隨著荷載增加，數條主裂縫先后出現，自梁底向梁頂逐漸延伸發展。此階段新生裂縫很少，裂縫間距較大。③達到鋼筋屈服荷載時，梁體撓度和鋼筋應變較上級荷載明顯增大。此后荷載增速放緩，試驗轉由跨中位移控制。④達到極限荷載時，梁體主裂縫發展至4∕5梁高位置，同時梁底發展出多條貫穿裂縫。此后荷載不再增大，最終以受壓區混凝土壓碎為標志結束加載。DB?1梁屬于典型的適筋破壞，其破壞形態見圖3。

圖3 DB?1梁破壞形態

DB?2梁試驗現象：①采用CFRP布加固完好RC梁后，DB?2梁的開裂荷載較DB?1梁提升約10%。②在荷載逐漸增大至屈服荷載過程中，有較多的新生裂縫出現，同時裂縫間距與平均裂縫寬度比DB?1梁明顯減小。③當荷載繼續增大至極限荷載時，在加載點截面附近的主裂縫處出現第1聲“噼啪”聲，CFRP布局部剝離。④隨著荷載繼續增大，“噼啪”聲出現的頻率增加且聲音變響，CFRP布逐漸剝離，裂縫自初始點向兩側不斷延伸，此時黏結膠層表面可觀測到扇狀裂紋。⑤荷載繼續增大，最終伴隨一聲巨大的“噼啪”聲，在發生初始剝離的主裂縫位置，CFRP布黏著較大的混凝土楔塊從試驗梁上剝離。試驗梁撓度回縮且荷載減小，試驗以CFRP布發生宏觀剝離為破壞標志。DB?2梁破壞形態見圖4。

圖4 DB?2梁破壞形態

本次試驗中，除JG?4梁外的其他加固梁試驗現象及破壞機理都與DB?2梁類似，區別主要體現在特征荷載值的不同。JG?4梁的試驗現象同樣類似，但其最終以梁的跨中截面處CFRP布部分纖維被拉斷為破壞標志。主要原因是粘貼應變片前的打磨過程中因力度不勻造成CFRP布部分位置磨損，局部強度削弱使得部分纖維在高應力狀態下被拉斷。

3 試驗結果分析

3.1 應變

受裂縫隨機性影響，在試驗過程中部分試驗梁因產生裂縫導致布置于跨中截面一側的混凝土應變片損壞。因此，選擇混凝土應變數據采集完整性較好的JG?5梁進行分析，其跨中截面混凝土豎向分布見圖5。可知，JG?5混凝土應變沿豎向近似直線分布，符合平截面假定。

圖5 JG?5跨中截面混凝土應變豎向分布

各加固梁的CFRP應變分布趨勢接近，以JG?1梁為例，繪制CFRP布的距離-應變分布曲線見圖6。

圖6 JG?1梁CFRP布距離-應變分布曲線

由圖6可知：①各加固梁的有效黏結長度接近，CFRP應變峰值主要集中在2個加載點之間的區域。②加載點附近區域的應變平均增速最快，純彎段次之，彎剪段較慢，端部區域最慢。③對于本次試驗的各加固梁而言，由于CFRP布自身具有較長的錨固長度，端部不進行U型箍錨固也不會出現因應力集中而導致的端部剝離現象。

3.2 荷載

各試驗梁的受彎破壞特征荷載（開裂荷載Pcr、屈服荷載Py、極限荷載Pu）和破壞形式見表3。

由表3可知：①對比DB?2、JG?1和JG?2梁，預裂荷載從0提升至0.6Pu時，JG?2梁比DB?2梁屈服荷載減小了4.5%，極限荷載減小了1.5%。這說明預裂荷載提升會略微降低加固梁的屈服荷載，但對極限荷載的影響可以忽略。②將JG?1、JG?3和JG?4梁與對應配筋率的未加固梁進行對比，CFRP加固前后的屈服荷載分別增大了16.9%、20.3%、12.2%，極限荷載增大了26.4%、31.1%、21.0%。這說明CFRP層數相同時，配筋率越低則粘貼CFRP布對加固梁的抗彎承載力提升幅度越明顯，且對極限荷載的提升幅度大于對屈服荷載的提升幅度。③JG?5梁比JG?1梁屈服荷載增大了6.4%，極限荷載增大了7.8%。這說明當加固梁的受彎破壞形態為主裂縫處CFRP布剝離時，增加CFRP布粘貼層數對結構的抗彎承載力提升效果有限。

表3 試驗梁的受彎破壞特征荷載和破壞形式

3.3 撓度

各試驗梁跨中截面的荷載-撓度曲線見圖7。可知：①在荷載相同的情況下，加載全過程中跨中截面撓度始終是JG?2梁＞JG?1梁＞DB?2梁。梁體達到極限荷載時，JG?1、JG?2梁的跨中截面撓度比DB?2梁分別增大了5.0%、10.5%。這說明預損傷開裂導致的剛度損失在加載全過程中有所體現，即預裂荷載越大，加固梁剛度損失越大，跨中截面的撓度越大。②對比DB?1梁與JG?1、JG?3、JG?4梁的跨中撓度，發現采用CFRP加固對不同配筋率的加固梁剛度及延性都有較為明顯的提升，在鋼筋屈服階段后尤為顯著。③JG?1、JG?5梁的2條曲線在彈性階段幾乎重合，達到開裂荷載后JG?5梁的斜率慢慢超過了JG?1梁的斜率，達到屈服荷載后JG?5梁的斜率明顯大于JG?1梁的斜率。這說明荷載較小時，增加CFRP布粘貼層數對加固梁剛度影響并不明顯，但粘貼2層CFRP布后剛度提升效果會隨荷載增大而明顯。在加固梁縱筋屈服后，JG?5梁較JG?1梁剛度更大，彎曲變形更小。

圖7 各試驗梁跨中截面荷載-撓度曲線

4 結論

1）加固量相同時，損傷加固梁相比于完好加固梁，其抗彎承載力的降低幅度可以忽略，但結構剛度隨損傷程度提高而略有下降。

2）CFRP布加固對不同配筋率的RC梁剛度及延性都有較為明顯的提升。加固量相同時，試驗梁配筋率越低，CFRP布加固對結構的抗彎承載力提升越明顯，且對極限荷載的提升幅度大于對屈服荷載的提升幅度。

3）當加固梁的破壞形式為CFRP布剝離時，增加CFRP布粘貼層數對結構的抗彎承載力提升幅度有限，但有助于提升高荷載水平下加固梁的剛度。