田穩(wěn)苓 劉大亨 李子祥

摘要 在預(yù)先制作的6根損傷RC梁兩側(cè)面受拉區(qū)開相互垂直的縱槽、豎槽，嵌入CFRP板，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。研究縱槽間距、豎槽間距對加固RC梁抗彎性能的影響。結(jié)果表明，此加固方法可以提高加固梁正截面抗彎剛度，控制原有裂縫的發(fā)展、數(shù)量;豎槽CFRP板可作為錨固件，防止加固梁出現(xiàn)粘結(jié)破壞;隨著縱槽間距增大，加固梁的抗彎性能減弱;本文推導(dǎo)的加固RC梁跨中撓度及抗彎承載力計算公式可作為構(gòu)件設(shè)計依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞 側(cè)嵌式;網(wǎng)狀槽;CFRP板;縱槽間距;豎槽間距;抗彎性能

中圖分類號 TU375.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Experimental study on the flexural behavior of RC damaged beams strengthened with side-near-surface mounted CFRP plates

TIAN Wenling1， 2， LIU Daheng1， LI Zixiang1

（1.School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province， Tianjin 300401， China）

Abstract First， six damaged RC beams were manufactured. On the base of both sides， perpendicular longitudinal grooves and transverse grooves are notched at the tensile zone. Then we embed the CFRP plates and conduct a three-point static loading test to study the influence of longitudinal grooves and transverse grooves on flexural behavior. The result shows that this kind of reinforcement method can control the development and amount of cracks and is very effective in maintaining flexural stiffness of test beams. While increasing the longitudinal groove spacing， the flexural behavior of test beams degrades; the formula of load-mid-span deflection and flexural capacity derived in this experiment can be used as the basis of the design.

Key words side-near-surface mounted; netted grooves; CFRP plates; longitudinal groove spacing; transverse groove spacing; flexural behavior

0 引言

嵌入式（Near Surfaced Mounted，NSM）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種新興的加固技術(shù)，其施工工藝為：依據(jù)設(shè)計要求在構(gòu)件保護(hù)層內(nèi)開槽，注入粘結(jié)劑，然后將FRP板材或筋放至槽中，最后填滿粘結(jié)材料。FRP嵌入式加固法有粘結(jié)性能優(yōu)越、可以有效保護(hù)FRP不受破壞、施工方便、加固形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

目前，關(guān)于嵌入式FRP加固法的研究主要包括加固梁的粘結(jié)性能、抗剪性能及抗彎性能研究，結(jié)果表明：嵌入長度及深度、CFRP板用量、粘結(jié)材料種類等是加固梁性能的主要影響因素;對CFRP板/筋施加預(yù)應(yīng)力可以明顯提高RC梁的抗彎剛度，控制裂縫的發(fā)展，充分利用CFRP板/筋強(qiáng)度[4-9];提出了嵌入式CFRP板/筋加固梁在各種破壞模式下的抗彎承載力計算公式[10-15]。

實(shí)際結(jié)構(gòu)加固時，梁底面會存在墻體或管線，且已受到一定損傷，故本文以受損且底面加固受限梁為背景，在梁側(cè)面底部受拉區(qū)開縱槽加固;為避免出現(xiàn)粘結(jié)破壞，防止混凝土保護(hù)層脫落，在垂直于縱槽方向上開豎向槽，嵌入CFRP板作為錨固件。以縱槽間距和豎槽間距為變量，進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析，探討受損加固RC梁的抗彎性能。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計及材料力學(xué)性能

共設(shè)計6根RC試驗(yàn)梁。試驗(yàn)梁長6.3 m，計算跨度6 m，橫截面尺寸為300 mm×600 mm。混凝土強(qiáng)度為C40。WJ2-1（2、3）梁縱筋采用HRB400熱軋鋼筋;WJ5-1（2、3）梁縱筋采用HRB500熱軋鋼筋，試驗(yàn)梁尺寸及配筋見圖1。

1.1.1 鋼筋力學(xué)性能

依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》測得鋼筋抗拉強(qiáng)度，見表1。

1.1.2 混凝土力學(xué)性能

試驗(yàn)梁所用混凝土強(qiáng)度等級為C40，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測得抗壓強(qiáng)度，見表2。

1.1.3 CFRP板力學(xué)性能

試驗(yàn)所用CFRP板各項(xiàng)性能由生產(chǎn)廠家提供，見表3。

加固梁跨中正截面應(yīng)變符合平截面假定，將縱槽CFRP板換算為縱向鋼筋，換算后的縱向鋼筋橫截面面積：

[AFS=EFAFES]， （1）

式中：AFS為CFRP板換算為縱筋橫截面面積;EF、AF為CFRP板彈性模量、橫截面面積。

換算以后，由圖9可知，梁受拉區(qū)縱筋不在同一位置處，其重心位置距梁受壓區(qū)邊緣：

[h0=2y1AFS+2y2ASF+y3（2ASF+AS1）+yS2AS2AS1+6AFS+AS2]。 （2）

本文計算中，除另行注明外，所有符號含義與《規(guī)范》相同。y1、y2、y3為頂部、中間、底部縱槽CFRP板距受壓區(qū)邊緣高度;AS1、AS2為底層、上層受拉鋼筋橫截面面積。

由《規(guī)范》，加固梁短期抗彎剛度

[BS=ESASh201.15ψ+0.2+6αEρ] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

加固梁正常使用情況下短期撓度

[f=Fl348BS] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：f為跨中撓度;F為作用于梁三等分點(diǎn)處的集中荷載;l為加固梁計算跨度。

材料力學(xué)性能已給出，聯(lián)合式（1）～式（4）即可求出加固RC梁跨中撓度。表8列出了加固RC梁在90 ～ 210 kN荷載作用下，跨中撓度的試驗(yàn)值與計算值。

由表8可知，撓度計算值與試驗(yàn)值之比為0.93～1.25，式（1）～式（4）可以用來計算側(cè)嵌式CFRP板加固梁跨中撓度。

3 加固梁縱筋屈服抗彎承載力計算

加固梁頂部混凝土沒有被壓碎，底部縱筋屈服。計算抗彎承載力假定除符合《規(guī)范》外，還須滿足以下條件：

1）CFRP板與加固梁之間有可靠的粘結(jié)作用，不發(fā)生粘結(jié)破壞;

2）不考慮加固梁豎槽CFRP板及損傷情況對抗彎承載力的影響;

3）CFRP板的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系，即應(yīng)力等于應(yīng)變乘以彈性模量。

加固梁跨中正截面應(yīng)變及應(yīng)力分布見圖10。依據(jù)平截面假定，將縱槽CFRP板與受拉/壓區(qū)縱筋應(yīng)變以受壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)變表示：

[ε′S=y′Sεcx0=（x0-40）εcx0]，[εS2=400εcx0]

[ε3=y3εcx0=（550-x0-2d）εcx0]? ，[ε2=y2εcx0=（550-x0-d）εcx0][ε1=εy]

式中：y1、y2、y3為底部、中間、上部縱槽CFRP板至中和軸距離;ε1、ε2、ε3為底部、中間、上部縱槽CFRP板應(yīng)變;εS2為上層受拉鋼筋應(yīng)變;d為縱槽間距;εy已知。

由力的平衡關(guān)系可得

[Cc+F′s=fyAs1+F1+F2+F3+Fs2]， （5）

[Cc=（εcε0-ε2c3ε2c）fcbx0 ，F(xiàn)′s=Esε′sA′s ，F(xiàn)1=2EFε1AF ，F(xiàn)2=2EFε2AF ，F(xiàn)3=2EFε3AF ，F(xiàn)s2=Esεs2As2 ，]

式中：Cc為混凝土受壓區(qū)合力;[F′s]為受壓區(qū)鋼筋合力;F1、F2、F3為底部、中間、上部縱槽CFRP板合力;Fs2為上層受拉鋼筋合力。

將幾何關(guān)系代入式（5）可得

[Mx20-Nx0-P=0]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

[M=（εcε0-ε2c3ε2c）fcb ，N=fyAs1+2EFAFεy-（EsA′s+4EFAF）εc ，P=[40EsA′s+400EsAs2+2EFAF（1100-3d）]εc 。]

加固梁跨中正截面符合平截面假定數(shù)學(xué)表達(dá)式：

[x0h0=εcεc+εy][ 。]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

式（6）有2個未知數(shù)εc、x0，求解時首先假定一個εc值，代入式（6）、式（7），分別解出[x0]，如果兩者不相等，調(diào)整[εc]值，直至由兩式求出的[x0]近似相等即可，進(jìn)而求出β[16]。

以受壓區(qū)混凝土合力作用點(diǎn)取矩，則加固梁在縱筋屈服，混凝土沒有壓碎階段抗彎承載力-My：

[My=Ms1+Ms2+MF1+MF2+MF3-M′sMs1=fyAs1（550-0.5βx0）Ms2=400EsAs2（400-0.5βx0）εcx0MF1=2EFAFεy（550-0.5βx0）MF2=2EFAFεc（550-x0-d）（550-0.5βx0-d）x0MF3=2EFAFεc（550-x0-2d）（550-0.5βx0-2d）x0M′s=EsAs（x0-40）（0.5βx0-40）εcx0]

式中：[My]為加固梁縱筋屈服時抗彎承載力;[Ms1]、[Ms2]為受拉區(qū)底層、上層鋼筋彎矩;[MF1]、[MF2]、[MF3]為底部、中間、上部縱槽CFRP板彎矩;[M′s]為受壓鋼筋彎矩。

抗彎承載力試驗(yàn)值與計算值之比為1.02～1.19，見表9。本文提出的抗彎承載力公式可以作為今后理論研究的參考。

由[x0]可以求出加固梁在縱筋屈服時ε1、ε2、ε3值，見表10，縱槽CFRP板應(yīng)變計算值與試驗(yàn)值之比為0.87～1.15，符合平截面假定，故本文提出的抗彎承載力計算公式具有合理性。

4 結(jié)論

通過分析側(cè)面開網(wǎng)狀槽嵌入CFRP板加固受損RC梁的抗彎性能，可以得出以下結(jié)論：

1）豎槽CFRP板錨固效果良好，加固RC梁未出現(xiàn)粘結(jié)破壞，縱槽CFRP板與加固梁具有很好的整體受力性能;

2）與完好梁相比，此加固法可以提高加固梁抗彎承載力，有效提高抗彎剛度，減小跨中撓度，控制原受彎主裂縫、原分布微裂縫發(fā)展、數(shù)量;

3）縱槽間距增加，加固梁縱槽CFRP板抗拉作用減弱，導(dǎo)致抗彎承載力下降，抗彎剛度減小，裂縫寬度增加，通過本試驗(yàn)得出縱槽、豎槽最優(yōu)間距分別為50 mm、600 mm;

4）本文提出的加固RC梁跨中撓度及抗彎承載力計算公式可以作為構(gòu)件設(shè)計依據(jù)。

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