張正海，殷俊鵬

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001；2.中鐵二十四局上海鐵建有限公司，上海200071)

各類混凝土建筑物、構筑物因使用年限臨近、使用功能要求變化、外部環(huán)境侵蝕等一系列因素影響，結構會不符合安全要求，無法繼續(xù)使用[1-2]，而新建項目耗資較大，所以對原建筑進行有效加固成為主要方法。碳纖維增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)因具有輕密、高強、抗腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應用于建筑結構加固[3-6]。李國民[7]通過模擬寒冷環(huán)境，對經(jīng)過凍融循環(huán)的混凝土試件施加循環(huán)荷載，探究了循環(huán)荷載及凍融循環(huán)次數(shù)對CFRP加固結構極限荷載的影響。孫家國等[8]通過雙面剪切試驗，以黏結層數(shù)、長度、寬度3個參數(shù)為控制變量，根據(jù)材料應變、界面應力規(guī)律，探究了C30混凝土試件和碳纖維片材界面的黏結性能，分析了 CFRP-混凝土界面的有效黏結長度。王宏軍等[9]通過對混凝土進行單剪試驗，研究了混凝土黏結面粗糙程度、強度等級、腐蝕齡期對 CFRP-混凝土界面極限荷載、最大滑移量、黏結強度、斷裂能的影響，并基于 SEM 掃描電鏡技術分析了界面破壞機制。但是，以跨中留空粘貼長度作為單一影響量，探究CFRP加固材料力學性能的研究較少[10]。針對這一問題，本研究以跨中留空粘貼長度作為控制變量，探究在相同試驗環(huán)境下，跨中留空粘貼長度對混凝土結構承載力、撓度、應變等力學性能的影響，研究結論對探究實際工程中CFRP強化混凝土結構的力學性能有指導意義。

1 試驗方案

1.1 試件制作

試驗用試件為混凝土矩形梁，梁長度為2 000 mm，截面尺寸為150 mm×300 mm，按相同配合比制作，養(yǎng)護方法一致，梁頂部架立筋、箍筋均為直徑6 mm的HPB300級鋼筋，架立筋2根，純彎區(qū)箍筋間距為150 mm，彎剪混合段箍筋間距為80 mm，底部受拉鋼筋為3根直徑14 mm的HRB335級鋼筋，鋼筋配筋率為1.2%?；炷两孛婕颁摻钆渲靡妶D1。

圖1 混凝土截面及鋼筋配置(單位：mm)Fig.1 Concrete cross-section and reinforcement configuration(unit:mm)

混凝土試件以C35強度澆筑，實際強度以回彈法測量值為準。試件共6根，分別編為1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#為試驗對比梁，不進行CFRP粘貼，2#為全粘貼梁，跨中留空長度為0，從3#開始進行跨中留空粘貼，留空長度變化量為200 mm，呈階梯式增長，分別為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm。試驗梁的編號、留空長度和加固方案見表1。在梁兩側(cè)距端部100 mm處進行支撐點安裝，梁有效跨度為1 800 mm，加載點為跨中位置。混凝土、鋼筋、CFRP材料規(guī)格見表2。

表1 試驗梁的編號、留空長度和加固方案Tab.1 Test beam number,blank length and reinforcement plan

表2 試件材料規(guī)格Tab.2 Material specifications of specimen

由于1#為對比梁,并沒有粘貼CFRP布進行加固，所以在1#底部粘貼2個電阻為120 Ω、靈敏度系數(shù)為2.05、柵寬×柵長為5 mm×60 mm的應變片，并對其做了溫度補償，即在相同條件的混凝土梁上粘貼應變片和試驗梁上的應變片形成半橋接法接入應變儀中。

CFRP布加固試驗梁的布置示意圖、試驗梁的實際照片見圖2。

圖2 CFRP布加固試驗梁示意圖及實際圖Fig.2 Schematic diagram and actual drawing of CFRP reinforced test beam

1.2 加載方案

試驗采用液壓伺服壓力機三點單調(diào)逐級加載方式，對6根混凝土梁均采用以力控制的方式進行四階段受彎加載。首先，對試驗梁進行預加載，設置預加載目標值為預計開裂荷載的70%(15 kN)，以3 kN/min勻速加載，至目標荷載后，繼續(xù)持荷10 min后卸載；然后，以相同的方式加載至30 kN，加載速率為3 kN/min，待試驗梁開裂后，以2 kN/min的速率持續(xù)加載，觀察裂縫出現(xiàn)；接著，以6 kN/min的速率持續(xù)加載至底部受拉鋼筋屈服，同樣持荷10 min；最后，以位移控制加載的方式加載至試驗梁破壞，加載速率為0.2 mm/min。在測試過程中，除未加固梁1#之外，其余5根試驗梁都在底部CFRP布上布置了應變片，共計15個。應變片規(guī)格如下：電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.086，柵寬×柵長為1 mm×2 mm。應變片具體位置如圖3所示。在所有梁跨中兩側(cè)布置表面應變傳感器，用以測量混凝土承荷狀態(tài)下的跨中應變。傳感器具體位置如圖4所示。

圖3 加固梁地面應變片尺寸及布置圖(單位：mm)Fig.3 Dimensions and layout of ground strain gages for reinforced beams(unit：mm)

圖4 梁側(cè)面表面應變傳感器布置圖(單位：mm)Fig.4 Arrangement of strain sensors on the side surface of the beam(unit：mm)

2 結果與分析

2.1 破壞模式

試驗梁破壞情況見圖5。

圖5 試驗梁破壞情況Fig.5 Failure diagram of test beam

從試驗結果來看，對比梁1#表現(xiàn)為典型的適筋破壞模式，首先梁跨中出現(xiàn)明顯的細小裂縫，然后隨著荷載的增加，裂隙明顯增多，寬度變大，底部受拉鋼筋屈服，最后跨中撓度逐漸增大，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎。加固梁2#為整體粘貼梁，未設置留空，也呈現(xiàn)出明顯的適筋破壞。試驗加載初期，CFRP布開始受力，跨中開始出現(xiàn)細小裂紋，由于CFRP材料的加固效果，裂紋出現(xiàn)時間較晚、寬度較?。浑S著荷載的逐級增加，鋼筋首先屈服，但變形較小；最后，荷載繼續(xù)增加，試驗梁的跨中撓度增大，受壓區(qū)混凝土被壓碎，但整個過程中CFRP布無錯動、滑移及剝離現(xiàn)象。加固梁3#為跨中留空200 mm梁，隨著承受荷載的不斷增大，梁底部一側(cè)的CFRP布發(fā)生局部剝離，梁的跨中裂縫寬度增速加快，撓度變形迅速增大，最終混凝土梁破壞模式為受壓區(qū)被壓碎。加固梁4#是留空長度為400 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過程與3#相似，但無論是變形還是抗彎強度均有提升。加固梁5#是留空長度為600 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過程與3#、4#相似，且底部CFRP布也發(fā)生了剝離，變形程度繼續(xù)增加，抗彎強度開始下降，同時4#、5#未粘貼部分出現(xiàn)的裂縫比較密集，應與未粘貼長度有較大關聯(lián)。加固梁6#是留空長度為800 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過程與前5根梁基本相同，但CFRP布未出現(xiàn)剝離。試驗梁破壞模式及相應試驗結果見表3，其中P為豎向荷載，開裂荷載指首次出現(xiàn)裂縫時所對應的荷載，屈服荷載指鋼筋屈服時的荷載，極限荷載指結構或構件所能承受的最大荷載。

表3 試驗結果Tab.3 Test results

2.2 力學性能

2.2.1承載力

從表3可以看出，相對于未加固的1#，2#的開裂荷載有較大幅度提升，2#、3#、4#、5#、6#開裂荷載分別提升了53.4%、8.2%、24.0%、44.5%、52.7%，說明開裂荷載與留空長度、CFRP粘貼面積有關，即粘貼CFRP布明顯提高了梁的開裂荷載，且隨著梁跨中留空長度的增加，開裂荷載出現(xiàn)階梯式提高；屈服荷載相較于開裂荷載，效果并不明顯，2#、3#、4#、5#、6#的屈服荷載分別提升了22.0%、10.0%、21.1%、26.2%、15.5%，但2#、4#、5#仍有較大幅度提升，即跨中留空越長，屈服荷載提升越多；與此相同的是，極限荷載也隨著留空長度的減少有一定提升，但增幅較小，2#、3#、4#、5#、6#的開裂荷載分別提升了16.1%、12.7%、25.4%、28.9%、15.5%，起到了一定的加固效果。對比以上數(shù)據(jù)可以看出，6#的數(shù)據(jù)偏離比較大，但整體趨勢未受影響，應該是可剔除變量。相比較而言，極限荷載雖然有一定增幅，但增幅極小，應該與梁未處理平整、灰塵沒有擦干凈有關,雖然加固效果不是特別明顯，但對比趨勢比較明顯，即梁跨中未加固部分越多，加固效果越好。

2.2.2撓度

各試驗梁的荷載-撓度曲線見圖6。從圖6可以看出，1#撓度最小，2#、3#、4#、5#撓度逐漸增大，但6#不增反降。這可能是由于跨中留空長度過大，導致其有效粘貼面積減少，結構整體抗彎承載力下降。梁彎矩-撓度曲線(圖7)說明粘貼留空長度的設置必須保證有良好的粘貼面積，否則結構承載力、撓度不僅不會增大，反而會出現(xiàn)由于結構被破壞，實際撓度遠小于預計的現(xiàn)象。因為跨中部位有留空長度，所以測量的留空部位的混凝土與CFRP布并不共同工作，會存在誤差，可以進行強化處理，防止中間位置先行破壞而影響整體強度。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

圖7 梁彎矩-撓度曲線Fig.7 Beam bending moment-deflection curve

2.2.3剛度

觀察荷載-撓度曲線(圖6)，可以將剛度變化大致分為3個階段：

(1)混凝土開裂前階段。此時混凝土與CFRP布均為彈性變化，荷載-撓度曲線近似一條直線，剛度幾乎為常量，同時CFRP布性能優(yōu)良，彈性較為明顯，極大提高了混凝土的整體剛度。

(2)底部混凝土開裂后到鋼筋屈服前階段。此時，梁底部混凝土開裂，混凝土無法彈性工作，結構剛度增幅降低，但CFRP布仍繼續(xù)保持良好的彈性工作狀態(tài)，且由于混凝土抗拉性能較弱，結構剛度提升程度有限，所以此時混凝土結構剛度仍很平穩(wěn)。

(3)鋼筋屈服后至混凝土破壞前階段。梁底部鋼筋屈服、混凝土開裂，荷載-撓度曲線與上一階段相比斜率持續(xù)降低，剛度進一步下降，CFRP材料對混凝土裂縫的約束力進一步增強，抑制作用越來越明顯，裂縫開裂速度降低，剛度進一步提升。

2.2.4延性

在工程加固中，為預防結構出現(xiàn)突然破壞，需要盡可能采用延性較好的加固材料。因為CFRP布具有突然脆性破壞特征，故在混凝土構件中使用CFRP進行結構加固時，有必要對CFRP材料的延性進行安全評估，以確保CFRP延性預留值不超出安全范圍。

根據(jù)試驗結果，結合無量綱化梁彎矩-撓度曲線，采用公式(1)所定義的位移延性系數(shù)來評價加固結構的延性：

(1)

式中：δult、δyield分別為極限狀態(tài)和屈服狀態(tài)時的撓度。

上述6根試驗梁的結構延性見表4。從表4可以看出：

(1)與未加固梁1#相比，CFRP局部粘貼的試驗梁2#、3#、4#、5#、6#的延性均得到了明顯提升，并且可以看出留空面積并非越大越好，3#、4#、5#的延性明顯高于其他梁，在留空長度為200～600 mm時，留空面積越大，延性提高越多。

(2)2#為全粘貼梁，加固效果與未加固梁相比有明顯提高，但與部分粘貼加固的試驗梁相比，全粘貼梁的延性要低，加固效果也差一些。

表4 試驗梁結構延性Tab.4 Ductility of the test beam structure

3 結論

針對跨中留空CFRP加固長度對粘貼梁力學性能的影響進行了試驗，考察了試驗加固梁的承載力、撓度、剛度及延性的變化，主要結論如下：

(1)粘貼CFRP加固鋼筋混凝土梁相較于不粘貼CFRP的混凝土梁，其受彎承載力、撓度、剛度及延性有提升，且提升幅度較大。

(2)留空長度為200～600 mm的部分粘貼梁，相對于全粘貼梁(2#)，承載力提升幅度為8%～11%，撓度、剛度、延性也有較大提升。這說明粘貼CFRP的混凝土加固梁的力學性能與跨中留空粘貼長度有關，且粘貼長度為200～600 mm時提升幅度大致相同。

(3)留空長度為600～800 mm的CFRP粘貼梁，其承載力、撓度、剛度與其他梁相比不增反降，這說明延性的增加基于確保CFRP有效粘貼長度，如果有效粘貼面積不夠，CFRP加固梁會在未達到預計承載力之前就發(fā)生破壞，粘貼加固材料無意義，故有效粘貼面積必須足夠。