用无机胶粘贴CFRP布加固损伤组合梁受弯性能

陈伟宏，马景明，崔双双

(1.福州大学土木工程学院，福建福州350108;2.国核电力规划设计研究院电网事业部，北京100095;3.福建工程学院土木工程学院，福建福州350108)

0 引言

粘贴CFRP布加固混凝土结构技术可以有效提高钢筋混凝土构件的承载力.加固胶粘剂是该技术的关键因素，因为胶粘剂良好的性能是保证CFRP布与混凝土构件共同工作的基础.目前加固所用胶粘剂多为环氧类有机胶，其软化点介于60～80℃，导致加固后结构构件的耐高温性能较差.可以采取在CFRP布表面涂防火涂料和用耐高温胶取代有机胶来解决该问题［1-3］.火灾发生后，即使在CFRP布表面涂防火涂料，CFRP布与混凝土之间也难免会产生滑移甚至失去粘结，其耐高温性能提高有限.无机胶具有无毒、成本低、耐高温性能好等优点，笔者制备了一种可以耐600℃高温的无机胶［4］.用该胶在混凝土表面粘贴CFRP布的面内剪切强度与有机胶相当［5］.

通过用无机胶粘贴一层CFRP布加固4根经历受弯承载极限状态的预应力混凝土组合梁，并进行正截面受弯性能试验，来研究加固后构件的破坏模式、承载力等.

1 试验简介

1.1 组合梁设计情况［6］

4根组合梁截面b×h=300 mm×400 mm，计算跨度为3 800 mm.l梁混凝土强度等级为C40，保护层厚度25 mm.预应力筋为φp5低松弛高强钢丝，其抗拉强度标准值为fptk=1 670 N/mm2，弹性模量为Ep=2.05×105MPa.张拉控制应力σcon=0.75fptk.分别将4根组合梁编号为B-1、B-2、B-3、B-4，其主要试验参数如表1所示，钢管力学性能指标如表2所示，组合梁细部构造如图1所示.

1.2 试验方案

由于组合梁在进行受弯试验时，跨中受压区混凝土部分被压碎.卸载后，部分主裂缝未闭合.在对组合梁进行加固前，先将压碎混凝土用C45细石混凝土进行置换，而对未闭合裂缝采用注入无机胶进行修复.

在梁底粘贴一层厚0.111 mm宽300 mm的CFRP布对组合梁进行加固，加固方案如图2所示.CFRP布的抗拉强度为4 578 N/mm2，伸长率为1.77%，弹性模量为2.50×105N/mm2.

采用两点对称加载进行受弯性能试验.跨中梁侧混凝土、梁顶混凝土和梁底CFRP布应变通过应变片测量，梁端和跨中位移由位移引伸仪测量.

表1 组合梁基本参数一览表Tab.1 Information of composite beam s

表2 钢管力学性能指标Tab.2 Mechanical properties of steel tube

注:fy表示钢管实测屈服强度;fu表示钢管实测极限抗拉强度;Es表示钢管弹性模量;υ表示钢管泊松比.

2 试验结果

4根试验梁均出现继CFRP布达到极限拉应变而拉断后，继续加载，受压区边缘混凝土被压碎的破坏模式，如图3所示.4根试验梁荷载—跨中挠度曲线均呈现开裂弹性和塑性发展二个阶段，如图4所示.

图1 组合梁钢桁架细部构造Fig.1 Construction detail of steel truss

通过对试验梁跨中截面从加载到破坏各级荷载作用下的混凝土应变实测值分析，发现试验梁纯弯段基本符合平截面假定，如图5所示.

图2 碳纤维加固图Fig.2 CFRP layout

图3 试验梁破坏特征Fig.3 Failure characteristic of test beams

3 加固组合梁正截面受弯承载力分析

3.1 受弯承载力的计算方法

组合梁在完成正截面受弯试验后，非预应力筋的最大拉应变仍位于钢筋本构的屈服平台上.对加固后组合梁进行受弯承载分析时，非预应力钢筋本构关系仍取GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》推荐本构.

原组合梁在完成正截面受弯试验后，若受压区混凝土压应变小于fc对应的应变εc，则分析加固后梁受弯承载力时，混凝土应力—应变关系仍采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》推荐的本构关系;若混凝土的压应变大于εc，小于极限压应变εcu，则混凝土应力—应变关系采用图6所示的曲线［7］;若受压区混凝土局部被压碎，则采用C45细石混凝土置换压碎混凝土，使置换处的破坏迟于其他部位.

图4 试验梁弯矩—跨中挠度曲线Fig.4 Curve of load deflection of test beams

图5 B－1控制截面应变分布Fig.5 Distribution of strain along the critical section of B－1

图6 混凝土二次受荷应力—应变曲线Fig.6 Relation of stress strain of concrete secondary load

将加固梁在纯弯段沿高度方向分为n个条带，根据平截面假定，得到钢管和钢筋的应变、受压区边缘和第i条混凝土的压应变与CFRP布的应变相关关系.采用相应的钢筋、混凝土本构关系，由力平衡条件求出混凝土实际受压区高度，进而可求得试验梁的正截面受弯承载力.

3.2 抗弯承载力计算值与试验值比较

对用无机胶粘贴CFRP布加固后的损伤有粘结预应力混凝土组合梁的受弯弯承载力进行计算，结果如表3所示，其中Mut为试验梁的极限承载力实测值，Muc为试验梁的极限承载力计算值.

表3 极限承载力计算值与试验值比较Tab.3 Test between the calculated and test values of ultimate bearing capacity kN·m

由表3可以得出，加固梁正截面抗弯承载力计算值与试验值的比值X的平均值为=0.99，标准差为σ=0.05，变异系数δ=0.05，计算值与试验值吻合较好.

4 加固组合梁刚度分析

一般受弯构件承载力的45%与荷载效应标准组合值在数值上基本相等，承载力的70%与荷载效应基本组合值大致相当［8］.

由表 4 可知，加固梁的刚度值 B0.45和 B0.70相差不大，可认为荷载小于极限荷载的70%时，该类加固梁的受弯刚度为定值.且考虑极限荷载的45%与荷载效应标准组合值大致相当，笔者认为f0.45和 B0.45分别与荷载效应标准组合作用下的挠曲变形fk和短期刚度Bs在数值上近似相等.

［9］构建该类加固组合梁在荷载效应标准组合作用下的短期刚度表达式(1).Ec为混凝土弹性模量;I0为梁换算截面惯性矩;αE为钢管弹性模量与混凝土弹性模量的比值;a、b为实常数;ρ为纵向受拉钢筋综合配筋率，

在荷载效应标准组合作用下此类加固梁的跨中挠度fk≈f0.45.由图乘法得到第i根试验梁在荷载效应标准组合作用下的跨中挠度计算值fk，i和实测挠度值 f0.45，i，令建立变分方程组得到 a =0.53，b=0.34.考虑受弯破坏及粘贴CFRP布对加固梁刚度的影响后，此类加固梁在荷载效应标准组合作用下的短期刚度公式可表示为

由于受弯构件承载力的45%与荷载效应标准组合值基本相等，故在荷载效应标准组合作用下加固组合梁实测刚度取为极限承载力的45%时的刚度值.将相关物理量代入式(2)，即得到加固组合梁的刚度计算值，则刚度计算值Bcs与实测值如表5所示.

表5 刚度计算值与实测值比较Tab.5 Com parison between the calcu lated and test values of bending rigidity

由表5可知，由公式(2)计算得到的加固组合梁刚度值与实测值吻合较好.

5 结论

(1)用无机胶粘贴CFRP布加固损伤组合梁进行受弯试验时，发生了继CFRP布被拉断后混凝土被压碎的破坏模式.

(2)试验结果表明，用无机胶粘贴CFRP布加固经历承载能力极限状态的组合梁是可行的.

(3)基于试验结果，建立了考虑原梁受荷历程影响的用无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土梁的正截面受弯承载力计算方法，提出了与试验结果吻合良好的刚度计算公式.

参考文献:

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