碳纤维布加固混凝土梁弯曲性能的试验研究

侯 敏，王清远，董江峰，何 东

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065）

0 引 言

随着我国经济的逐年增长，越来越多的建筑结构被广泛应用于房屋、桥梁及公共设施上；然而，随着全球低碳经济不断发展，越来越多的建筑结构需要进行加固修复延长其使用寿命来满足全球低碳经济的要求。特别是近年来，由于地震活动频繁，再加上原有大量建筑因结构老化、钢筋腐蚀或使用环境的改变而需要对其进行加固修复来满足新的使用和抗震要求[1-2]。混凝土梁是混凝土结构中的重要受力构件[3]，一旦发生破坏后果严重，汶川地震中大量的房屋倒塌均由于梁的破坏引起；因此，研究混凝土梁的加固具有非常重要的实际意义。

外贴碳纤维增强复合材料 （carbon fibre reinforced polymer，CFRP）加固是近年来使用较为广泛的一种混凝土结构加固方法，与传统的加固方法相比，CFRP具有自重轻、强度高、耐腐蚀、延性好、易于操作和抗疲劳特性好等优点，使其受到越来越多的关注[4-6]。通过将CFRP材料粘贴在需要加固的混凝土构件表面，达到提高结构承载力、减少结构变形以及延缓混凝土裂缝扩展的目的[7-8]。然而，实际工程中需要加固的结构往往存在一定程度的原始损伤[9-10]；因此，本文研究CFRP加固预裂混凝土梁与无损伤梁的断裂特性和破坏机理具有非常重要的工程参考价值。

1 试验简介

1.1 试验材料和试件设计

试验共设计了4根矩形截面简支梁，截面尺寸为150 mm×250 mm，梁全长1 700 mm，计算长度1 500mm，混凝土保护层25 mm，架立筋为2φ8 mm，主筋为 2φ10 mm，箍筋为 φ6 mm@100。混凝土强度等级为C20，28 d时其立方体抗压强度平均值为22.8 MPa。钢筋强度按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的相关规定，测得主筋的屈服强度、极限强度和弹性模量分别为340 MPa、480 MPa和 210GPa；架立筋为 330MPa、490MPa和 210GPa；箍筋为240MPa、420MPa和210GPa。试验用碳纤维复合材料厚度0.111 mm，屈服强度为3 400 MPa，极限强度为3 467 MPa，弹性模量为242 GPa，延伸率为1.7%。

1.2 加固方案

试验主要以碳纤维布粘贴层数和加固梁是否预裂为试验参数，研究碳纤维加固后对不同试验梁的破坏形态、刚度变化、裂缝开展情况和极限承载力的影响。对于直接加固梁，首先对加固梁粘贴纤维布区域进行打磨处理，除去表层浮浆，并将锚固处的混凝土转角打磨成半径约20 mm的圆弧状，水洗清理干净后放置风干；然后用酒精擦拭清洗，待干燥后再用丙酮擦拭粘贴碳纤维布的梁表面，自然风干干燥后，用刷子涂刷底胶，并将纤维布浸湿完全后粘贴于加固部位；最后均匀施压使胶层分布均匀。对于预裂加固梁，首先进行预裂，用PTS-C10智能裂缝宽度测试仪实时观察裂缝宽度，待最大裂缝宽度达到0.5mm左右时卸载停机；然后按照加固步骤进行加固。为了防止纤维布在梁端发生早期剥离破坏[11]，在加固梁端或加固梁顶部两侧分别粘贴2条50 mm宽、间距50mm的U型压条，粘贴1层；最后在最上层碳纤维布上涂面胶并养护至少2周后再进行试验。试验梁的具体加固方式如图1所示。

1.3 试验方案

图1 CFRP加固方式及应变片布置（单位：mm）

试验在200t日本岛津液压试验机上进行，由分配梁实现4点弯曲，纯弯段长度均为500 mm。加载时首先进行5次循环的加载-卸载预试验，预加载至开裂荷载的40%左右，使仪器设备与构件接触良好，并检查所有试验仪器的工作性能；预加载后采用分级加载方式进行正式加载，每级2kN，持载3min，在开裂前和接近破坏时以每级1kN进行加载，待仪表数值稳定后，采集试验数据并观察裂缝开展情况。试验的主要内容包括：跨中截面混凝土应变、受拉纵筋应变、最大挠度和加载点的沉降。为了测量梁底碳纤维布的应变及发展情况，在梁底碳纤维布上粘贴了5个胶基应变片，间距为250mm。所有应变数据使用DH3816应变采集系统进行采集。试验梁的加载方案及测点布置如图2所示。

图2 试验梁加载及测点布置图（单位：mm）

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及破坏形态

试验结束后，记录所有试验梁的破坏形态。对照梁L1首先在纯弯段出现一条垂直裂缝，沿竖向不断延伸，当钢筋屈服后，裂缝发展迅速，挠度增加很快，直至梁破坏，这一过程中仅出现2条新裂缝，破坏模式为典型的弯曲破坏，这与文献[12]的现象相同。加固梁L2～L4的破坏形态截然不同，随着荷载的增加，加固梁不断出现新裂缝，直至裂缝两段对称分布，而且在主裂缝的底部会出现若干条裂缝，该裂缝发展到一定高度就停止了，直至受压区混凝土压碎或者碳纤维布拉断破坏，这与文献[9]研究CFRP嵌入式加固混凝土梁试验时的破坏形态类似。

加固梁的破坏形态主要有3种：（1）碳纤维布拉断，受压区混凝土压碎；（2）碳纤维布剥离，受压区混凝土完好；（3）碳纤维布剥离，受压区混凝土压碎。其中碳纤维布剥离分为梁端压条被拉断剥离和压条未被拉断剥离，这与文献[11]和[13]试验现象类似，其具体破坏模式如图3所示。加固梁L3和L4破坏时，梁底碳纤维布首先发生剥离，最后两端碳纤维压条被拉断，受压区混凝土被压碎而破坏；梁L2破坏时，梁底碳纤维布由于剪切变形过大先局部剥离，然后两端压条被拉断导致梁底纤维布整体剥离。试件发生卸载，导致加固梁L4受压区混凝土压碎破坏，但梁L2受压区混凝土完好。

图3 试验梁的破坏形态

2.2 承载力分析

所有试验梁的试验结果如表1所示，其中“A”指弯曲破坏，“B”指碳纤维被拉断破坏，“C”指发生纤维布剥离破坏。

表1 试验结果

从表1可以看出，碳纤维加固后，各试件的承载力都有不同程度的提高。加载初期，由于碳纤维布的作用，有效地抑制了混凝土的变形，延迟了混凝土的开裂，使得L2梁的开裂荷载比对照梁L1提高了7.03%，L3梁的开裂荷载提高了27.9%，可见碳纤维加固层数越多，梁的开裂荷载提高的越明显，这与文献[9]研究碳纤维板条嵌入式加固时的结果相同。混凝土开裂后，原来混凝土所受的拉力由碳纤维布来承担，使得梁的极限荷载也得到提高。L2梁的极限荷载比对照梁L1提高了41.7%，L3梁的极限荷载提高了72.5%，可见加固梁的极限荷载提高程度并不与碳纤维布加固层数成正比，这与文献[11]的结果相同。对于预裂加固梁L4，在梁底粘贴2层碳纤维布后其抗弯承载力得到明显提高。与对照梁L1相比，L4梁预裂0.51mm后加固，其承载力提高55.4%，但与具有相同参数的L3梁相比，其承载力降低9.9%，这主要与碳纤维布的剥离导致纤维布的利用率较低有关。

2.3 载荷与挠度、裂缝扩展曲线

由图4（a）可以看出，与对照梁相比，所有加固梁在同一荷载作用下的挠度均有所降低，这充分表明碳纤维布可以有效地提高加固梁的刚度，这与文献[12]的结果相同。在加载初期，各试验梁的载荷-挠度曲线差别很小，此时碳纤维布的应变很小，还没有发挥明显的作用[8]。随着荷载的增加，加固梁的跨中挠度发展缓慢，可见碳纤维可以明显约束加固梁的变形，从而提高加固梁的延性。从图4（a）中可以看出，在碳纤维加固量相同的条件下，预裂加固梁L4的跨中挠度比相同荷载下加固梁L3的跨中挠度发展要慢，可见预裂加固后由于碳纤维布的约束作用，使得原始裂缝的发展得以延缓，促进了新裂缝的发展。结合表1可见，加固梁的刚度提高程度越大，则对延性影响越小。

图4 试验梁的载荷-挠度曲线

试验时利用PTS-C10智能裂缝宽度测试仪记录所有试验梁的最大裂缝宽度，试验梁的荷载-裂缝宽度曲线如图4（b）所示。从图中可以看出，试验梁加固后，裂缝发展速度明显减缓。在加载初期，碳纤维布粘贴1层或2层对加固梁的裂缝发展约束不大，但随着加载的进行，2层碳纤维布可以有效地约束裂缝发展，提高加固梁的承载力，但梁破坏时延性有所降低；对于预裂加固梁，由于碳纤维布的作用可以有效地限制原始裂缝的发展，使新裂缝不断产生，提高碳纤维布的利用率。同时由于预裂加固梁L4梁底碳纤维布剥离严重，没有充分发挥碳纤维的约束作用，所以其裂缝发展迅速。与图4（a）对照可知，试验梁的裂缝发展趋势同加载梁的载荷-挠度曲线发展基本一致，可见裂缝发展是梁挠度增大的主要因素。

2.4 载荷-应变曲线

所有试验梁的应变数据采用DH3816应变采集系统采集，具体测点布置如图1和图2所示。所有试验梁的跨中截面混凝土的最大应变与载荷关系如图5所示。

图5 试验梁的载荷-应变曲线

图5 （a）为加固梁的跨中截面混凝土应变与应力关系对比图。从图中可以看出，试验梁加固后混凝土的应变明显降低，特别是加固梁开裂后，由于碳纤维布承担了一部分应力，有效地限制了加固梁的变形，提高了试验梁的承载力。提高配筋率和增加截面高度都可以有效地降低混凝土的应变，提高碳纤维布的利用率，其中提高配筋率的效果最明显。

图5（b）为加固梁的载荷与CFRP布应变关系对比图。在加载初期，各加固梁CFRP的应变差别不大，这与文献[8]的结果相似。加固梁开裂后，L3梁的CFRP应变略小于L2梁应变，可见加固层数越多，碳纤维利用率越低。与图5（a）对比可知，对于预裂加固梁，碳纤维应变与混凝土应变发展趋势基本一致，可见碳纤维布可以有效地约束加固梁的变形，从而提高加固梁的极限承载力。

3 极限承载力计算分析

试验梁外贴碳纤维布加固后，其抗弯承载力由钢筋、混凝土和碳纤维来共同承担；因此，针对本文加固方式及纤维布加固用量，试验梁受压区混凝土压碎破坏时，其极限承载力可由式（1）来表示。其中试验梁加固后仍满足平截面假设，钢筋满足理想弹塑性变形模式，且假设混凝土的最大压缩变形为0.003。

式中：Mu——加固梁的极限弯矩；

Mcs——钢筋混凝土梁的弯曲承载力；

Mf——碳纤维布提供的弯矩。

Rafi等[14]在研究CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的弯曲承载力发现：若没有碳纤维布，钢筋混凝土梁的弯曲承载力可表示为

式中：As——钢筋的截面积；

fy——钢筋的屈服强度；

d——截面有效高度；

fc——混凝土的极限抗压强度；

b——截面宽度。

根据Toutanji等[15]在研究CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的极限承载力的研究结果时，发现梁底粘贴碳纤维加固后，碳纤维的贡献值可表示为

式中：Af——纤维布的面积；

Ef——碳纤维布的弹性模量；

εfu——碳纤维的极限应变；

x——压区混凝土的高度；

R——缩减系数，本文中等于0.5并表示碳纤维与混凝土的层间有效应力及预裂对加固梁抗弯承载力的影响，同时还可用来表示加载时纤维布剥离对加固梁承载力的影响；

h——横截面的高度。

结合式（2）和式（3）可计算对照梁和加固梁的弯曲极限承载力。同时，Barros等[2]在研究碳纤维抗弯和抗剪加固钢筋混凝土梁极限承载力时发现：没有加固梁的弯曲极限承载力可由式（4）来计算；外贴碳纤维抗弯加固后，碳纤维布的贡献值可由式（5）来计算，即有：

针对式（1）～式（5），计算得所有试验梁的抗弯承载力Pana和试验值Pexp的对比如图6所示。由图6可知，对于直接加固梁，理论计算值比试验值略低，这与缩减系数的取值有关，因为文中考虑了预裂对加固梁极限承载力的影响。同时，文中仅考虑受压区混凝土破坏时试验梁的承载力理论计算；因此，对于不同的加固梁，其最大混凝土压缩应变均取值0.003对试验结果也有一定影响，建议可根据试验梁的具体压缩应变来进行计算。

图6 理论计算值与试验值的对照图

4 结束语

通过对4根矩形截面梁的静载试验和试验结果分析，可以得到如下结论：

（1）通过梁底粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁，与对照梁相比，加固后其开裂荷载明显增加，而且其极限荷载也明显得到提高。充分表明外贴碳纤维布可以有效地提高钢筋混凝土梁的承载力，是一种非常有效的加固方法，具有重要的研究和应用价值。

（2）碳纤维布加固层数越多，梁的开裂荷载提高得越明显，加固梁极限荷载提高程度并不与碳纤维布加固层数成正比。

（3）碳纤维布加固后，可以有效地减少加固梁的挠度，对于预裂加固梁，加固后使得原始裂缝发展延缓，促进了新裂缝的发展，提高了加固梁的承载力。

（4）碳纤维布粘贴层数越多，碳纤维布的有效利用率越低，对于预裂加固梁，可有效地提高碳纤维布的利用率，降低加固梁的挠度，提高其变形能力。

（5）碳纤维布加固后，试验梁的碳纤维应变和混凝土应变发展趋势基本一致，因此，碳纤维布加固可以有效地约束试验梁的变形，提高其承载力。

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