CFRP抗彎加固負(fù)載RC梁短期裂縫寬度探究

摘要 為研究二次受力對CFRP抗彎加固混凝土梁橋短期裂縫寬度的影響，進(jìn)行了5根RC簡支梁在不同持載水平下的CFRP布抗彎加固試驗，推導(dǎo)了考慮初始荷載的CFRP加固混凝土梁平均裂縫間距和最大裂縫寬度計算方法。試驗結(jié)果顯示CFRP直接加固梁的平均裂縫間距和最大裂縫寬度均顯著減小，加固梁裂縫呈現(xiàn)“細(xì)、密、多”的特點，表明加固可顯著限制混凝土梁的裂縫發(fā)展，而相比于直接加固梁，3根二次受力加固梁的平均裂縫間距分別增加了3.91%、14.20%和35.94%，最大裂縫寬度分別增加了12.50%、25.00%和50.00%，表明二次受力會削弱CFRP對梁裂縫發(fā)展的限制。

關(guān)鍵詞 CFRP；鋼筋混凝土梁；二次受力；裂縫寬度

中圖分類號 TU317⁺.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，簡稱CFRP）因其輕質(zhì)高強(qiáng)和耐腐蝕性強(qiáng)等特點，被廣泛應(yīng)用于橋梁加固中［1］，而目前針對CFRP加固混凝土梁裂縫特征的研究較少。莊江波等［2］提出了CFRP布加固RC梁正常使用階段的平均裂縫間距和受拉鋼筋應(yīng)力的計算公式，推導(dǎo)了加固梁的裂縫寬度計算公式，王艷芳等［3］對CFRP加固RC梁裂縫處的鋼筋應(yīng)力和裂縫間鋼筋及混凝土的應(yīng)力分布做了理論計算分析，并根據(jù)嚴(yán)格的變形協(xié)調(diào)關(guān)系推導(dǎo)了二次受力下CFRP片材加固RC梁正常使用階段的裂縫寬度計算公式。

在上述成果中，文獻(xiàn)［2］未考慮二次受力，研究結(jié)果僅適用于直接加固梁，而文獻(xiàn)［3］雖指出二次受力會使CFRP出現(xiàn)應(yīng)變滯后，但仍參考了文獻(xiàn)［2］的成果，在裂縫寬度計算公式中未計入初始荷載的影響。

鑒于此，本文完成了一組CFRP加固負(fù)載RC梁的抗彎試驗，以初始荷載大小為變量，分析了二次受力對加固梁裂縫形態(tài)及寬度的影響，并基于分段疊加法推導(dǎo)了考慮初始荷載的加固梁平均裂縫間距和最大裂縫寬度計算公式。

1CFRP抗彎加固負(fù)載RC梁試驗

1.1試驗梁設(shè)計

共設(shè)計5根矩形截面RC簡支梁，梁長2.3m，橫截面尺寸120mm×200mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，受拉鋼筋為2根直徑Φ12mm的HRB335級鋼筋，受壓區(qū)架立鋼筋為2根直徑Φ6mm的HPB235級鋼筋，箍筋為直徑Φ6mm的HPB235級鋼筋，彎剪段和純彎段的箍筋間距分別為100mm和160mm，保護(hù)層厚度為20mm。

加固方式為在梁受拉面粘貼一層長1900mm、寬80mm、計算厚度0.167mm的CFRP布，試驗梁設(shè)計詳見圖1。

1.2試驗工況設(shè)計

5根試驗梁包含1根未加固梁（基準(zhǔn)梁）、1根直接加固梁（對比梁）和3根加固前施加不同初始荷載的二次受力加固梁，詳見表1。

1.3試驗裝置及加載方式

為便于持載狀態(tài)下粘貼CFRP，采用反位加載方式，本課題組研制了如圖2所示的反位加載裝置。

3根持載加固梁的初始荷載分別為14.4kN、28.8kN和43.2kN，均在基準(zhǔn)梁的開裂至屈服荷載之間。采用雙油管式千斤頂進(jìn)行兩端同步加載，可保持兩端荷載一致。正式加載前按基準(zhǔn)梁計算極限荷載的10%進(jìn)行預(yù)載，卸載后按1kN/級加載至跨中截面出現(xiàn)裂縫，而后按2kN/級加載至接近預(yù)定初始荷載，利用上橫梁上表面的螺栓微調(diào)荷載至預(yù)定值后持載貼布，養(yǎng)護(hù)48h后繼續(xù)按2kN/級加載至受拉鋼筋接近屈服（通過受拉鋼筋應(yīng)變測值控制），繼而調(diào)整為1kN/級緩慢加載至梁屈服，而后采用位移控制加載，以跨中撓度增量1mm為一級，加載至出現(xiàn)荷載峰值及卸載現(xiàn)象。

記錄數(shù)據(jù)時，荷載值通過壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集箱直接讀取。試驗梁兩加載點及跨中截面對應(yīng)梁底位置布置共3個百分表（詳見圖2），若測得2個加載點下?lián)现捣謩e為Δ₁和Δ₃，跨中上拱值為Δ₂，則跨中撓度為Δ_c=0.5（Δ₁+Δ₃）+Δ₂。

1.4試驗結(jié)果及分析

各試驗梁的荷載—撓度曲線見圖3。

根據(jù)試驗梁的放置形式，繪制各根梁極限狀態(tài)下的裂縫形態(tài)如圖4所示，圖中加粗線條表示加固后產(chǎn)生的新增裂縫，數(shù)字為梁接近屈服時的裂縫寬度。

加固后繼續(xù)加載過程中，初始裂縫間產(chǎn)生一定數(shù)量的新增裂縫，新增裂縫大多斜向延伸至與初始裂縫相交，新、舊裂縫與梁受拉面間形成混凝土“三角體”。鋼筋屈服后裂縫快速發(fā)展，“三角體”逐漸與梁體分離，最終隨CFRP布剝離。

與JZ相比，DB的平均裂縫間距和最大裂縫寬度分別減小了38.50%和40.74%，裂縫呈現(xiàn)“細(xì)、密、多”的特點，表明CFRP加固可有效限制梁的裂縫發(fā)展；與DB相比，CZ-1、CZ-2及CZ-3的平均裂縫間距分別增加了3.91%、14.20%和35.94%，最大裂縫寬度分別增加了12.50%、25.00%和50.00%，且裂縫分布范圍也呈增加趨勢，表明二次受力會削弱CFRP對加固梁裂縫發(fā)展的限制。

2二次受力加固梁裂縫寬度計算

2.1平均裂縫間距計算

取直接加固梁相鄰裂縫間的區(qū)段為隔離體，如圖5所示。

圖5中，l_mf為加固梁平均裂縫間距；τ_s為受拉鋼筋與混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力；τ_cf為CFRP與混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力。

混凝土有效受拉截面積為A_te，則相鄰裂縫間梁段隔離體的受力平衡為式（1）。

2.2最大裂縫寬度計算

3結(jié)論

（1）CFRP加固對梁的裂縫發(fā)展有顯著抑制作用，直接加固梁的平均裂縫間距和最大裂縫寬度均顯著減小，使裂縫形態(tài)呈現(xiàn)“細(xì)、密、多”的特點。

（2）二次受力會削弱CFRP對裂縫發(fā)展的限制，初始荷載增加時，加固梁的裂縫特征值及裂縫分布范圍均呈增加趨勢；

（3）加固對梁的開裂荷載提升不大，且RC梁的開裂荷載有較大離散性，研究CFRP加固對其影響無太大意義。

此外，結(jié)合試驗結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)理論推導(dǎo)，包括：優(yōu)化了加固后受拉鋼筋應(yīng)力增量的計算公式；引入考慮初始荷載的影響系數(shù)，推導(dǎo)了二次受力加固梁平均裂縫間距的計算方法；基于分段疊加法給出了加固梁的最大裂縫寬度計算方法。

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