侯 敏，王清遠(yuǎn)，董江峰，何 東

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的逐年增長，越來越多的建筑結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁及公共設(shè)施上；然而，隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，越來越多的建筑結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加固修復(fù)延長其使用壽命來滿足全球低碳經(jīng)濟(jì)的要求。特別是近年來，由于地震活動(dòng)頻繁，再加上原有大量建筑因結(jié)構(gòu)老化、鋼筋腐蝕或使用環(huán)境的改變而需要對(duì)其進(jìn)行加固修復(fù)來滿足新的使用和抗震要求[1-2]?；炷亮菏腔炷两Y(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件[3]，一旦發(fā)生破壞后果嚴(yán)重，汶川地震中大量的房屋倒塌均由于梁的破壞引起；因此，研究混凝土梁的加固具有非常重要的實(shí)際意義。

外貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （carbon fibre reinforced polymer，CFRP）加固是近年來使用較為廣泛的一種混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，與傳統(tǒng)的加固方法相比，CFRP具有自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、延性好、易于操作和抗疲勞特性好等優(yōu)點(diǎn)，使其受到越來越多的關(guān)注[4-6]。通過將CFRP材料粘貼在需要加固的混凝土構(gòu)件表面，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力、減少結(jié)構(gòu)變形以及延緩混凝土裂縫擴(kuò)展的目的[7-8]。然而，實(shí)際工程中需要加固的結(jié)構(gòu)往往存在一定程度的原始損傷[9-10]；因此，本文研究CFRP加固預(yù)裂混凝土梁與無損傷梁的斷裂特性和破壞機(jī)理具有非常重要的工程參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)材料和試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4根矩形截面簡支梁，截面尺寸為150 mm×250 mm，梁全長1 700 mm，計(jì)算長度1 500mm，混凝土保護(hù)層25 mm，架立筋為2φ8 mm，主筋為 2φ10 mm，箍筋為 φ6 mm@100?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C20，28 d時(shí)其立方體抗壓強(qiáng)度平均值為22.8 MPa。鋼筋強(qiáng)度按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，測(cè)得主筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量分別為340 MPa、480 MPa和 210GPa；架立筋為 330MPa、490MPa和 210GPa；箍筋為240MPa、420MPa和210GPa。試驗(yàn)用碳纖維復(fù)合材料厚度0.111 mm，屈服強(qiáng)度為3 400 MPa，極限強(qiáng)度為3 467 MPa，彈性模量為242 GPa，延伸率為1.7%。

1.2 加固方案

試驗(yàn)主要以碳纖維布粘貼層數(shù)和加固梁是否預(yù)裂為試驗(yàn)參數(shù)，研究碳纖維加固后對(duì)不同試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、剛度變化、裂縫開展情況和極限承載力的影響。對(duì)于直接加固梁，首先對(duì)加固梁粘貼纖維布區(qū)域進(jìn)行打磨處理，除去表層浮漿，并將錨固處的混凝土轉(zhuǎn)角打磨成半徑約20 mm的圓弧狀，水洗清理干凈后放置風(fēng)干；然后用酒精擦拭清洗，待干燥后再用丙酮擦拭粘貼碳纖維布的梁表面，自然風(fēng)干干燥后，用刷子涂刷底膠，并將纖維布浸濕完全后粘貼于加固部位；最后均勻施壓使膠層分布均勻。對(duì)于預(yù)裂加固梁，首先進(jìn)行預(yù)裂，用PTS-C10智能裂縫寬度測(cè)試儀實(shí)時(shí)觀察裂縫寬度，待最大裂縫寬度達(dá)到0.5mm左右時(shí)卸載停機(jī)；然后按照加固步驟進(jìn)行加固。為了防止纖維布在梁端發(fā)生早期剝離破壞[11]，在加固梁端或加固梁頂部兩側(cè)分別粘貼2條50 mm寬、間距50mm的U型壓條，粘貼1層；最后在最上層碳纖維布上涂面膠并養(yǎng)護(hù)至少2周后再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)梁的具體加固方式如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方案

圖1 CFRP加固方式及應(yīng)變片布置（單位：mm）

試驗(yàn)在200t日本島津液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，由分配梁實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)彎曲，純彎段長度均為500 mm。加載時(shí)首先進(jìn)行5次循環(huán)的加載-卸載預(yù)試驗(yàn)，預(yù)加載至開裂荷載的40%左右，使儀器設(shè)備與構(gòu)件接觸良好，并檢查所有試驗(yàn)儀器的工作性能；預(yù)加載后采用分級(jí)加載方式進(jìn)行正式加載，每級(jí)2kN，持載3min，在開裂前和接近破壞時(shí)以每級(jí)1kN進(jìn)行加載，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并觀察裂縫開展情況。試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括：跨中截面混凝土應(yīng)變、受拉縱筋應(yīng)變、最大撓度和加載點(diǎn)的沉降。為了測(cè)量梁底碳纖維布的應(yīng)變及發(fā)展情況，在梁底碳纖維布上粘貼了5個(gè)膠基應(yīng)變片，間距為250mm。所有應(yīng)變數(shù)據(jù)使用DH3816應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。試驗(yàn)梁的加載方案及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)梁加載及測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)束后，記錄所有試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)。對(duì)照梁L1首先在純彎段出現(xiàn)一條垂直裂縫，沿豎向不斷延伸，當(dāng)鋼筋屈服后，裂縫發(fā)展迅速，撓度增加很快，直至梁破壞，這一過程中僅出現(xiàn)2條新裂縫，破壞模式為典型的彎曲破壞，這與文獻(xiàn)[12]的現(xiàn)象相同。加固梁L2～L4的破壞形態(tài)截然不同，隨著荷載的增加，加固梁不斷出現(xiàn)新裂縫，直至裂縫兩段對(duì)稱分布，而且在主裂縫的底部會(huì)出現(xiàn)若干條裂縫，該裂縫發(fā)展到一定高度就停止了，直至受壓區(qū)混凝土壓碎或者碳纖維布拉斷破壞，這與文獻(xiàn)[9]研究CFRP嵌入式加固混凝土梁試驗(yàn)時(shí)的破壞形態(tài)類似。

加固梁的破壞形態(tài)主要有3種：（1）碳纖維布拉斷，受壓區(qū)混凝土壓碎；（2）碳纖維布剝離，受壓區(qū)混凝土完好；（3）碳纖維布剝離，受壓區(qū)混凝土壓碎。其中碳纖維布剝離分為梁端壓條被拉斷剝離和壓條未被拉斷剝離，這與文獻(xiàn)[11]和[13]試驗(yàn)現(xiàn)象類似，其具體破壞模式如圖3所示。加固梁L3和L4破壞時(shí)，梁底碳纖維布首先發(fā)生剝離，最后兩端碳纖維壓條被拉斷，受壓區(qū)混凝土被壓碎而破壞；梁L2破壞時(shí)，梁底碳纖維布由于剪切變形過大先局部剝離，然后兩端壓條被拉斷導(dǎo)致梁底纖維布整體剝離。試件發(fā)生卸載，導(dǎo)致加固梁L4受壓區(qū)混凝土壓碎破壞，但梁L2受壓區(qū)混凝土完好。

圖3 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

2.2 承載力分析

所有試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中“A”指彎曲破壞，“B”指碳纖維被拉斷破壞，“C”指發(fā)生纖維布剝離破壞。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，碳纖維加固后，各試件的承載力都有不同程度的提高。加載初期，由于碳纖維布的作用，有效地抑制了混凝土的變形，延遲了混凝土的開裂，使得L2梁的開裂荷載比對(duì)照梁L1提高了7.03%，L3梁的開裂荷載提高了27.9%，可見碳纖維加固層數(shù)越多，梁的開裂荷載提高的越明顯，這與文獻(xiàn)[9]研究碳纖維板條嵌入式加固時(shí)的結(jié)果相同?；炷灵_裂后，原來混凝土所受的拉力由碳纖維布來承擔(dān)，使得梁的極限荷載也得到提高。L2梁的極限荷載比對(duì)照梁L1提高了41.7%，L3梁的極限荷載提高了72.5%，可見加固梁的極限荷載提高程度并不與碳纖維布加固層數(shù)成正比，這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)果相同。對(duì)于預(yù)裂加固梁L4，在梁底粘貼2層碳纖維布后其抗彎承載力得到明顯提高。與對(duì)照梁L1相比，L4梁預(yù)裂0.51mm后加固，其承載力提高55.4%，但與具有相同參數(shù)的L3梁相比，其承載力降低9.9%，這主要與碳纖維布的剝離導(dǎo)致纖維布的利用率較低有關(guān)。

2.3 載荷與撓度、裂縫擴(kuò)展曲線

由圖4（a）可以看出，與對(duì)照梁相比，所有加固梁在同一荷載作用下的撓度均有所降低，這充分表明碳纖維布可以有效地提高加固梁的剛度，這與文獻(xiàn)[12]的結(jié)果相同。在加載初期，各試驗(yàn)梁的載荷-撓度曲線差別很小，此時(shí)碳纖維布的應(yīng)變很小，還沒有發(fā)揮明顯的作用[8]。隨著荷載的增加，加固梁的跨中撓度發(fā)展緩慢，可見碳纖維可以明顯約束加固梁的變形，從而提高加固梁的延性。從圖4（a）中可以看出，在碳纖維加固量相同的條件下，預(yù)裂加固梁L4的跨中撓度比相同荷載下加固梁L3的跨中撓度發(fā)展要慢，可見預(yù)裂加固后由于碳纖維布的約束作用，使得原始裂縫的發(fā)展得以延緩，促進(jìn)了新裂縫的發(fā)展。結(jié)合表1可見，加固梁的剛度提高程度越大，則對(duì)延性影響越小。

圖4 試驗(yàn)梁的載荷-撓度曲線

試驗(yàn)時(shí)利用PTS-C10智能裂縫寬度測(cè)試儀記錄所有試驗(yàn)梁的最大裂縫寬度，試驗(yàn)梁的荷載-裂縫寬度曲線如圖4（b）所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)梁加固后，裂縫發(fā)展速度明顯減緩。在加載初期，碳纖維布粘貼1層或2層對(duì)加固梁的裂縫發(fā)展約束不大，但隨著加載的進(jìn)行，2層碳纖維布可以有效地約束裂縫發(fā)展，提高加固梁的承載力，但梁破壞時(shí)延性有所降低；對(duì)于預(yù)裂加固梁，由于碳纖維布的作用可以有效地限制原始裂縫的發(fā)展，使新裂縫不斷產(chǎn)生，提高碳纖維布的利用率。同時(shí)由于預(yù)裂加固梁L4梁底碳纖維布剝離嚴(yán)重，沒有充分發(fā)揮碳纖維的約束作用，所以其裂縫發(fā)展迅速。與圖4（a）對(duì)照可知，試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展趨勢(shì)同加載梁的載荷-撓度曲線發(fā)展基本一致，可見裂縫發(fā)展是梁撓度增大的主要因素。

2.4 載荷-應(yīng)變曲線

所有試驗(yàn)梁的應(yīng)變數(shù)據(jù)采用DH3816應(yīng)變采集系統(tǒng)采集，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖2所示。所有試驗(yàn)梁的跨中截面混凝土的最大應(yīng)變與載荷關(guān)系如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)梁的載荷-應(yīng)變曲線

圖5 （a）為加固梁的跨中截面混凝土應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系對(duì)比圖。從圖中可以看出，試驗(yàn)梁加固后混凝土的應(yīng)變明顯降低，特別是加固梁開裂后，由于碳纖維布承擔(dān)了一部分應(yīng)力，有效地限制了加固梁的變形，提高了試驗(yàn)梁的承載力。提高配筋率和增加截面高度都可以有效地降低混凝土的應(yīng)變，提高碳纖維布的利用率，其中提高配筋率的效果最明顯。

圖5（b）為加固梁的載荷與CFRP布應(yīng)變關(guān)系對(duì)比圖。在加載初期，各加固梁CFRP的應(yīng)變差別不大，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果相似。加固梁開裂后，L3梁的CFRP應(yīng)變略小于L2梁應(yīng)變，可見加固層數(shù)越多，碳纖維利用率越低。與圖5（a）對(duì)比可知，對(duì)于預(yù)裂加固梁，碳纖維應(yīng)變與混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)基本一致，可見碳纖維布可以有效地約束加固梁的變形，從而提高加固梁的極限承載力。

3 極限承載力計(jì)算分析

試驗(yàn)梁外貼碳纖維布加固后，其抗彎承載力由鋼筋、混凝土和碳纖維來共同承擔(dān)；因此，針對(duì)本文加固方式及纖維布加固用量，試驗(yàn)梁受壓區(qū)混凝土壓碎破壞時(shí)，其極限承載力可由式（1）來表示。其中試驗(yàn)梁加固后仍滿足平截面假設(shè)，鋼筋滿足理想彈塑性變形模式，且假設(shè)混凝土的最大壓縮變形為0.003。

式中：Mu——加固梁的極限彎矩；

Mcs——鋼筋混凝土梁的彎曲承載力；

Mf——碳纖維布提供的彎矩。

Rafi等[14]在研究CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁的彎曲承載力發(fā)現(xiàn)：若沒有碳纖維布，鋼筋混凝土梁的彎曲承載力可表示為

式中：As——鋼筋的截面積；

fy——鋼筋的屈服強(qiáng)度；

d——截面有效高度；

fc——混凝土的極限抗壓強(qiáng)度；

b——截面寬度。

根據(jù)Toutanji等[15]在研究CFRP抗彎加固鋼筋混凝土梁的極限承載力的研究結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)梁底粘貼碳纖維加固后，碳纖維的貢獻(xiàn)值可表示為

式中：Af——纖維布的面積；

Ef——碳纖維布的彈性模量；

εfu——碳纖維的極限應(yīng)變；

x——壓區(qū)混凝土的高度；

R——縮減系數(shù)，本文中等于0.5并表示碳纖維與混凝土的層間有效應(yīng)力及預(yù)裂對(duì)加固梁抗彎承載力的影響，同時(shí)還可用來表示加載時(shí)纖維布剝離對(duì)加固梁承載力的影響；

h——橫截面的高度。

結(jié)合式（2）和式（3）可計(jì)算對(duì)照梁和加固梁的彎曲極限承載力。同時(shí)，Barros等[2]在研究碳纖維抗彎和抗剪加固鋼筋混凝土梁極限承載力時(shí)發(fā)現(xiàn)：沒有加固梁的彎曲極限承載力可由式（4）來計(jì)算；外貼碳纖維抗彎加固后，碳纖維布的貢獻(xiàn)值可由式（5）來計(jì)算，即有：

針對(duì)式（1）～式（5），計(jì)算得所有試驗(yàn)梁的抗彎承載力Pana和試驗(yàn)值Pexp的對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，對(duì)于直接加固梁，理論計(jì)算值比試驗(yàn)值略低，這與縮減系數(shù)的取值有關(guān)，因?yàn)槲闹锌紤]了預(yù)裂對(duì)加固梁極限承載力的影響。同時(shí)，文中僅考慮受壓區(qū)混凝土破壞時(shí)試驗(yàn)梁的承載力理論計(jì)算；因此，對(duì)于不同的加固梁，其最大混凝土壓縮應(yīng)變均取值0.003對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有一定影響，建議可根據(jù)試驗(yàn)梁的具體壓縮應(yīng)變來進(jìn)行計(jì)算。

圖6 理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)照?qǐng)D

4 結(jié)束語

通過對(duì)4根矩形截面梁的靜載試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）通過梁底粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，與對(duì)照梁相比，加固后其開裂荷載明顯增加，而且其極限荷載也明顯得到提高。充分表明外貼碳纖維布可以有效地提高鋼筋混凝土梁的承載力，是一種非常有效的加固方法，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

（2）碳纖維布加固層數(shù)越多，梁的開裂荷載提高得越明顯，加固梁極限荷載提高程度并不與碳纖維布加固層數(shù)成正比。

（3）碳纖維布加固后，可以有效地減少加固梁的撓度，對(duì)于預(yù)裂加固梁，加固后使得原始裂縫發(fā)展延緩，促進(jìn)了新裂縫的發(fā)展，提高了加固梁的承載力。

（4）碳纖維布粘貼層數(shù)越多，碳纖維布的有效利用率越低，對(duì)于預(yù)裂加固梁，可有效地提高碳纖維布的利用率，降低加固梁的撓度，提高其變形能力。

（5）碳纖維布加固后，試驗(yàn)梁的碳纖維應(yīng)變和混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)基本一致，因此，碳纖維布加固可以有效地約束試驗(yàn)梁的變形，提高其承載力。

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