附加錨固法對CFRP加固RC梁的力學性能研究

劉金娥 何偉 劉吉敏 付婷婷

摘 要：為評價各附加錨固法的優劣和CFRP加固梁式結構的延性，通過鋼筋混凝土梁的抗彎加固試驗，研究不同附加錨固法對加固結構綜合力學性能的影響及其作用機制，并根據試驗觀察，提出材料利用率指標，并發展了位移延性系數指標，以解決現有研究的不足。研究結果表明，采用不同附加錨固法可提高加固梁的綜合力學性能，其中混雜錨固法的抗彎加固效果最優，提出和發展的指標可較好地評價加固、錨固效果與加固結構的延性。

關鍵詞：鋼筋混凝土梁;CFRP加固;錨固方法;材料利用率;延性

中圖分類號： TU528? 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）01-0049-07

收稿日期：2020-09-16

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51208005）;安徽理工大學博士基金資助項目（11084）

作者簡介：劉金娥（1995-），女 ，安徽滁州人，在讀碩士，研究方向：結構工程。

Study of RC Beams Strengthened by Externally Bonded CFRP Sheets with? Additional Anchoring Methods

LIU Jine1，HE Wei1，LIU Jimin1，FU Tingting2

（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui? 232001，China;2.Housing Engineering Department of General Station of Construction Project Quality and Safety Administration and Supervision， Jinhua Zhejiang? 321000，China）

Abstract：To evaluate different additional anchoring methods and the ductility of beams strengthened by CFRP， the effects and the mechanism of anchoring methods on mechanical performance of strengthened beams are studied by the experiments. The paper proposes a material utilization ratio index and develops a displacement ductility index to solve the deficiency of the existing researches according to the experimental observation. The experimental results show that the mechanical performance of strengthened beams will be improved by additional anchoring methods， among which the strengthening effect provided by the hybrid anchoring method is the best. The proposed and developed indices are capable of evaluating the strengthening and anchoring effects， and the ductility of strengthened structures.

Key words：reinforced concrete beam; CFRP strengthening; anchoring method; material utilization ratio; ductility

纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer，FRP）復合材料廣泛應用于鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）結構的抗彎加固[1-4]。試驗研究表明，FRP-混凝土界面的早期剝離破壞不僅會導致無法充分利用FRP的高強材料特性，而且會導致加固失效[5-6]。因此，FRP-混凝土界面的可靠粘貼，是確保有效提高加固結構的綜合力學性能與FRP材料利用率的關鍵[7]。

附加錨固法是實現FRP-混凝土界面可靠粘結的有效途徑之一。現有附加錨固法主要有端部機械錨固[8]、U形箍（FRP）錨固[9]、梁側約束鋼板錨固[10-11]和混合錨固[12]等方法。然而，當前研究還有很多不足。首先各附加錨固方式的研究多為獨立開展，即便是同種錨固法，在不同研究中得到的錨固效果也不同。例如，文獻[13]采用普通端部機械錨固法，延緩了CFRP布的剝離，但是CFRP布一旦發生剝離并迅速向錨固端開展，并從錨固件中滑動拉出;文獻[14]采用同樣的端部機械錨固法，但是錨固件最終并沒有發生滑移;文獻[15]研究了不同形式的FRP-U形夾具對剝離破壞的影響，結果發現在低彎矩區域采用斜向FRP-U形夾具比采用垂直FRP-U形夾具的錨固效果要好。因此，如何有效評價各附加錨固法的優劣，是亟待解決的問題。其次已有研究表明外粘FRP加固法降低了梁式結構的延性[16]278，結構易發生脆性破壞。在結構遭受意外動態作用時，足夠的延性可保證其有能力吸收一定的能量，不會因過大的能量輸入而使結構突然喪失承載能力。然而，以往研究通常致力于提高加固結構的承載力[13]403，而忽略了對其延性與變形能力的研究。

針對以上問題，本文采用試驗的方法，研究不同附加錨固法對加固結構綜合力學性能的影響，并提出FRP材料強度利用率指標，發展了位移延性系數指標，以分別評估不同附加錨固法的優劣和加固結構的延性。

1 試驗概況

1.1 試驗梁與材料

試驗共制作了5根尺寸、配筋與混凝土（按同一配比制作）強度均相同的RC矩形截面梁[17]27。試驗梁的尺寸、配筋及加載方式如圖1所示，其中梁底縱向受拉鋼筋為HRB335帶肋鋼筋，梁頂架立鋼筋及箍筋均為HPB300光圓鋼筋。試驗所用各材料的力學性能指標如表1所示。

1.2 加固方案、錨固方法

梁B0作為未加固的對比梁，其它4根梁均采用碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）布進行抗彎加固，加固參數見表2。

為研究不同錨固法對加固梁力學性能的影響，試驗采用了如圖2所示的三種附加錨固法[17]30。試驗梁的設計參數如表2所示。

1.3 加載方案、測量及觀測

試驗采用500kN液壓伺服壓力機進行三點彎單調加載。 首先， 對梁預加載; 其次， 以力控制的方式加載至30kN，加載速率為2kN/min;待梁開裂后，再加載至100kN，加載速率為5kN/min;然后，以2kN/min的加載速率持續加載至140kN; 最后， 以位移控制的方式加載至梁破壞， 加載速率為0.2mm/min。

采用沿梁跨中對稱分布的15個應變片（電阻值為120SymbolWA@，柵長2mmSymboltB@柵寬1mm）測量CFRP布的應變。并對應變片進行溫度補償，以提高數據的準確性。采用量程為50mm的位移傳感器（LVDT）測量梁的跨中撓度。

CFRP加固結構的破壞模式定義為混凝土壓潰、CFRP布斷裂、梁中受力鋼筋拉斷等形式。故在測試過程中需觀測并記錄各梁的破壞模式。

2 試驗結果和討論

2.1 試驗梁的破壞模式

由試驗觀察，梁B0為典型的適筋破壞模式;前期破壞過程中梁B1、B2、B3和B4的受拉區混凝土開裂、彎曲裂縫充分發展，但裂縫發展速度和寬度不相同。其中，因加固材料的不完全粘結，梁B1最終的破壞模式為粘結層內部的宏觀界面剝離。梁B2和B3的后期破壞發展過程為：跨中彎曲微裂縫不斷擴展導致裂縫貫通，使裂縫附近的CFRP-混凝土界面粘結應力超過了界面粘結強度，引起局部剝離破壞;隨著荷載的逐級增加，該剝離發展至梁端的鋼板壓條或U形箍處，但錨固件限制了CFRP布的進一步剝離和滑移，由于壓縮區混凝土承擔的應力在逐漸增長，因而最終造成混凝土壓潰，結構喪失承載力。梁B4的后期破壞發展過程為：跨中裂縫引起CFRP布剝離，剝離向兩邊錨固件發展;但由于多個錨固件的約束，延緩了CFRP布的剝離;隨著外荷載的增加，CFRP布斷裂，結構撓度急劇增加，繼而喪失承載力。試驗梁的最終破壞模式如表3所示。

由表3的破壞模式可推斷出，梁B4的CFRP材料利用率最高，為100%，這是由于CFRP布的應變超過了其極限應變，梁B4發生斷裂。

2.2 試驗梁的抗彎力學性能

1）承載力

為評價加固與錨固效果，本文提出了在承載能力極限狀態下CFRP的材料強度利用率指標Rε（見表4），計算如下

Rε=max（εf）εfu

式中：εf和εfu分別為CFRP布中的應變與極限應變。

由表4可見， 較梁B0， 梁B1、 B2、 B3和B4的開裂荷載無明顯提高， 并由圖3可知， 初始裂縫出現前（對應荷載為20kN）， 各梁中CFRP布的應變非常小，此時拉應力主要由混凝土和鋼筋承擔。主要是由于在自重作用下，原結構內部已累積了一定的應力、應變，在加固后，CFRP布并未立即分擔荷載，其應力、 應變滯后于原結構的累積應力、應變，當加固梁開裂時，CFRP布的應力與應變水平還很低。

較梁B0，梁B1、B2、B3和B4的屈服荷載分別提高了9%、5%、11%和4%，結合圖3可見，混凝土開裂后（對應荷載為90kN），各加固梁的CFRP布的應變增大至1 000με，這是由于受拉區混凝土開裂后逐漸退出工作，荷載主要由鋼筋和CFRP布承擔;隨著荷載增大，結構內部的應力、應變水平發生轉移，CFRP布的應力、應變水平逐漸增大。

較梁B0，梁B1、B2、B3和B4的極限荷載分別提高了11.7%、9.8%、17.7%和18.3%，結合圖3可見，受拉鋼筋屈服之后（對應荷載分別為118kN、128kN和138kN），梁B1、B2、B3和B4中CFRP布的應變值分別增高至2 109με、8 452με、6 700με和7 783με，這是由于受拉鋼筋屈服后，CFRP布承擔了較大份額的荷載，此時CFRP布的應力、應變水平迅速增長。在此階段，梁B1的CFRP布最大應變值為2 109με，這是因為CFRP布發生早期剝離，導致梁發生脆性破壞，故CFRP材料強度利用率低;梁B2和B3的CFRP布應變差異不明顯，但均遠高于梁B1，原因是錨固件有效地抑制了裂縫的萌生與擴展，推遲了CFRP布的早期剝離，促使CFRP布進一步承擔荷載，提高了梁的抗彎力學性能。梁B3和梁B4的極限荷載幾乎一致，原因是梁B4的分布式裂縫及斜裂縫變多，破壞了結構的相對完整性，導致梁B4的混凝土承載能力降低。

研究中，因未在梁B4的CFRP斷裂處布置應變片，故無法測得該處的應變，但由其破壞模式（見表3）可合理推斷出，在達到承載能力極限狀態時，CFRP的應變達到了其極限應變。

2）撓度與剛度

各梁的荷載-撓度曲線（見圖4）表明，在混凝土開裂前的彈性階段，各加固梁與梁B0表現出相近的力學行為，且跨中撓度及剛度與梁B0基本相同;在混凝土開裂后、鋼筋屈服前階段，各加固梁的開裂剛度和開裂荷載均比梁B0有所提高，這是由于裂縫處的CFRP布開始發揮作用，緩解了結構內部的應力集中現象，抑制了裂縫的進一步發展，保證了梁受力截面的相對完整性，截面剛度未出現大幅下降。基于上述相同機制，梁B2、B3和B4的撓度均比梁B1低;在到達峰值荷載后，較之梁B1，梁B2、B3和B4均維持了較好的變形能力。

3）延性

出于安全考慮，在混凝土構件中使用FRP加固時，有必要對其延性進行定量評估[16]274。本文發展了位移延性系數指標以評價加固梁的延性。

μΔ=δuδy

式中：δu和δy分別為極限狀態和屈服狀態時的撓度。

梁式結構的延性主要由鋼筋的屈服及分布式彎曲裂縫提供。由表4可知，較梁B0，梁B1、B2和B3的延性降低，而梁B4的延性高于梁B0，原因是梁B1、B2和B3加固后，其裂縫分布及其數量發生了改變，分布式裂縫相對梁B0變少，故而延性降低。但較梁B1，梁B2、B3和B4的延性系數分別提高了67%、53%和90%，這是由于錨固件的約束作用，抑制了裂縫的萌生和發展，有效阻止CFRP布的端部滑移和過早的剝離破壞，有助于CFRP布進一步變形。

2.3 附加錨固法的錨固機制分析

根據試驗觀察，與梁B1相比，不同附加錨固法均能提高加固梁的綜合力學性能，根本原因在于以下錨固機制：①化學膠結機制;②機械摩擦機制;③骨料咬合機制。一般情況下，骨料咬合提供的錨固力最強，機械摩擦次之，化學膠結最弱。

鋼板錨固的物理機制為化學膠結與機械摩擦提供的錨固力，其中緊固件產生的機械摩擦對錨固力有較大的貢獻。U形箍的錨固力依靠化學膠結提供的界面抗剪能力。在文獻[18]的基礎上，本文發展了混雜錨固法的錨固機制，該機制聯合利用了膠結-機械摩擦-骨料咬合機制（見圖5），其錨固機制在于化學膠結、機械緊固件施加在CFRP布上所產生的摩擦阻力以及混凝土基質開裂所產生的骨料咬合力提供錨固力，其中骨料咬合力提供的錨固力最強，機械緊固件產生的摩擦阻力次之，化學膠結提供的最弱。由表4可知，梁B1的材料利用率為14.1%，在混雜錨固體系中，扣除梁B1的膠結力，則可合理推斷出機械摩擦和骨料咬合的貢獻度為85.9%。

從不同附加錨固法加固梁的破壞模式和試驗結果來看，混雜錨固梁的裂縫寬度和間距最小，U形箍錨固梁次之，而鋼板壓條錨固梁相對最大;此外，三種附加錨固方法對受彎梁的承載力和延性都有不同程度的提高，但混雜錨固法對受彎梁的極限承載力和延性提高幅度最大，符合預期，在一定程度上反映了其錨固機制。

3 結論

（1）附加錨固法提高了CFRP加固RC梁的綜合力學性能，其中混雜錨固方法加固梁的綜合力學性能最好。

（2）研究提出的CFRP材料利用率指標能較好地評價加固和各附加錨固法的錨固效果。混雜錨固法的錨固效果最好，鋼板壓條錨固法次之，U形箍的錨固效果相對最弱。

（3）基于試驗發展的位移延性系數指標能較好評價CFRP加固梁式結構的延性。其中混雜錨固法加固梁的延性最好，鋼板壓條錨固法次之，U形箍錨固法加固梁的延性相對最低。

（4）錨固機制分析深層次地解釋了各附加錨固法具有不同錨固效果的原因，可為今后開發新型附加錨固方法提供錨固作用機制方面的參考。

參考文獻：

[1] WU Z S， HE W， YIN J， et al. Strengthening performance of FRP sheets in concrete tunnel linings[J]. Concrete， 2003， 37（6）： 33-34.

[2] HE W， WU Y F， LIEW K M， et al. A 2D total strain based constitutive model for predicting the behaviors of concrete structures[J]. International Journal of Engineering Science， 2006， 44（18-19）： 1 280-1 303.

[3] GE W J， ASHOUR A F， CAO D F， et al. Experimental study on flexural behavior of ECC-concrete composite beams reinforced with FRP bars[J]. Composite Structures， 2019， 208： 454-465.

[4] 張軍偉， 王廷彥. CFRP布加固鋼筋混凝土短梁受彎性能試驗研究[J]. 混凝土， 2020， 9： 31-36.

[5] WU Z S， YIN J. Fracturing behaviors of FRP-strengthened concrete structures[J]. Engineering Fracture Mechanics， 2003， 70（10）： 1 339-1 355.

[6] 滕錦光. FRP加固混凝土結構[M]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2005.

[7] 吳智深. FRP粘貼結構加固中的幾個關鍵問題和技術[J]. 建筑結構， 2007， 37（S1）： 114-120.

[8] ZHOU Y W， WANG X W， SUI L L， et al. Effect of mechanical fastening pressure on the bond behaviors of hybrid-bonded FRP to concrete interface[J]. Composite Structures， 2018， 204： 731-744.

[9] HASNAT A， ISLAM M M， AMIN A F M S. Enhancing the Debonding Strain Limit for CFRP-Strengthened RC Beams Using U-Clamps： Identification of Design Parameters[J]. Journal of Composites for Construction， 2016， 20（1）： 04015039.

[10] 梁玉國， 趙炎， 宋麗娟. 碳纖維布加固低強度混凝土梁不同附加錨固方式試驗研究[J]. 華北地震科學， 2015， 33（S）： 99-106.

[11] ABABNEH A N，AL-ROUSAN R Z，GHAITH I M N.Experimental study on anchoring of FRP-strengthened concrete beams[J].Structures，2020， 23： 26-33.

[12] 胡程鶴，吳智敏，宿瑩，等.FRP復合錨固技術試驗研究[J]. 防災減災工程學報，2010， 30（3）： 309-314.

[13] 董坤， 戟治鵬， 楊松， 等. 端部機械錨固FRP-混凝土黏結界面承載力試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2020， 41（S1）： 399-405.

[14] AKBARZADEH BENGAR H，SHAHMANSOURI A A.A new anchorage system for CFRP strips in externally strengthened RC continuous beams[J]. J Build Eng， 2020， 30： 101230.

[15] FU B， CHEN G M， TENG J G. Mitigation of intermediate crack debonding in FRP-plated RC beams using FRP U-jackets[J]. Composite Structures， 2017， 176： 883-897.

[16] KIM Y J， SHI C， GREEN M F. Ductility and cracking behavior of prestressed concrete beams strengthened with prestressed CFRP sheets[J]. Journal of Composites for Construction， 2008， 12（3）： 274-283.

[17] 付婷婷. 錨固方法對FRP抗彎加固梁的力學性能影響研究[D]. 淮南： 安徽理工大學， 2017.

[18] WU Y F， HUANG Y. Hybrid Bonding of FRP to Reinforced Concrete Structures[J]. Journal of Composites for Construction， 2008， 12（3）： 266-273.

（責任編輯：丁 寒）