CFRP加固混凝土受弯构件的抗弯性能试验研究

李兴权

（承德石油高等专科学校，河北 承德 067000）

0 引言

采用碳纤维布增强钢筋混凝土结构与传统的钢板加固技术相比，FRP 具有重量轻、强度重量比高、刚度重量比高、耐腐蚀、耐疲劳、高效施工等一系列优点，在土木工程中得到广泛应用，其研究已成为目前该领域的研究热点。CFRP 为脆性材料，而钢筋为延性材料，在用于结构加固时，CFRP 的脆性性能会对结构性能产生重要影响，在许多情况下，比其他的方法更有优势，所以，开发研究碳纤维布加固钢筋混凝土结构新技术有重要的价值，利用验证后的有限元模型进一步分析了相关数据对加固梁抗弯承载力的影响，为加固实际工程提供了理论依据。

1 CFRP 布加固钢筋混凝土梁荷载试验

在实际的程中，一部分钢筋混凝土梁在加固之前都带有明显的裂缝，因此，模拟实际工程，本实验除了对比梁之外，均先进行预裂加载，预裂到一定程度后，再粘贴碳纤维布进行加固。量测试件在各级荷载作用下产生的挠度，最终描述荷载与挠度的关系，量测各级荷载下梁纯弯截面应变分布情况，实测出梁的最大破坏荷载。

1.1 试验目的

1）通过钢筋混凝土梁以及CFRP 布粘贴加固后钢筋混凝土梁的静力加载试验研究，分析碳纤维布加固钢筋混凝土梁在短期荷载作用下正常使用阶段抗裂性能的影响因素以及裂缝的发展规律。

2）通过对混凝土强度、钢筋直径与配筋率的比值及保护层厚度3种不同因素进行CFRP 布加固的比较，分析不同因素对钢筋混凝士加固梁裂缝性能的影响。

3）研究CFRP 布加固钢筋混凝土梁的破坏形态及其原因；通过试验数据，分析得出加固梁裂缝汁算模式。

1.2 测试内容

1）钢筋应变测量：将连接钢筋应变仪的导线在试验时接人静态电阻应变仪测应变值，记求每级荷载下钢筋应变值。

2）混凝士表面应变测量：将连接混凝土应变仪的导线住试验时接人静态电阻应变仪测应变。记录每级荷载下混凝土的应变值。

3）CFRP 布应变测量：将连接跨中CFRP 布应变仪的导线在试验时接入静态电阻应变仪测应变值。记录每级荷载下CFRP 布的应变值。

4）采用智能裂缝宽度测量：仪测试纯弯区内的裂缝宽度。

表1 钢筋材料实测

2 加载方案及试验测量内容

2.1 试验的参数

表2 实验梁的编号及加固情况

表3 碳纤维布性能指标

表4 粘胶剂性能指标

2.2 加载方案

图1

图2

2.3 测量内容及数据公式

对截面高度h/2 处取矩，则混凝土受压区内各小单元的内力矩总和为

式中σci是对应于ri各点的带条平均应力值，x 为受压区高度。七等分的r 值不取各等分的平均值，而是取下列数值最好r1=0.4419x，r2=0.2648x，r3=0.1620x，r4=0，r5=-0.1620x，r6=-0.2648x，r7=-0.4419x

这样内力臂zi为Zi=0.5x+ri-0.5h

由平衡条件可以得到：

由力矩平衡条件可得：

按受力相等的原则，可将碳纤维布的面积转化为钢筋的面积，即

式中，Acfs，fcfs，Ase，fy和 分别代表碳纤维布的面积、抗拉强度、等效的钢筋面积与钢筋的抗拉强度。碳纤维布的面积Acfs取其净面积，即：

Acfs=tcfsBcfsn

其中，tcfs为碳纤维布的计算厚度，Bcfs为碳纤维布的幅宽（单位：mm），n为加固梁中碳纤维布的粘贴层数。

对受压区混凝土合力作用点取矩，即：

式中，x 是水平力的平衡条件求得,可表示为：

上式中，fc为凝土抗压强度；Ass为钢筋混凝土构件中所配纵筋面积与碳纤维布的等效钢筋面积的总和，Ass=As+Ase。

3 实验结果分析

3.1 挠度

在加荷初期，各实验梁的挠度相差不多，受拉区混凝土开裂后，尤其纵筋屈服后，未加固试验梁的挠度急剧增长，而经加固的梁的挠度增长较慢。在相同荷载作用下，加固梁的挠度均小于为加固梁的挠度。破坏时，梁BMI-1 的挠度达到40mm，而加固梁的挠度一般在25～35mm 之间。由此可见，碳纤维布的使用，可以在一定程度上提高试件的抗弯刚度。

3.2 裂缝开展情况

在实验过程中，所有的梁均在纯弯段内出现明显的弯曲裂缝。相当于未加固梁BMI-1，补强加固梁的裂缝出现较晚，且发展较慢，实验中还对正常使用阶段时加固梁的裂缝开展情况做了观测，发现试验梁经碳纤维布加固后，裂缝数量多，裂缝宽度小，且间距远小于未加固梁。表5 列出了个梁在跨中挠度与跨度之比在1/250 左右时开裂情况的实测数据。

表5 正常使用情况下裂缝的实验数据

3.3 碳纤维布对梁刚度的贡献

碳纤维布对梁刚度的提高与前面类似也可分成三个阶段，第一阶段，混凝土开裂之前，碳纤维布对梁的刚度提高微乎其微；第二阶段，至钢筋屈服前，BMI-2，BMI-3、BMI-4 比梁BMI-1 的斜率略有增大，表明碳纤维布对这阶段的刚度有提高，提供幅值约2.9%，3.0%，7.3%；第三阶段，至极限状态，这阶段，梁BMI-2、BMI-3、BMI-4 曲线的斜率比梁BMI-1 曲线要大得多，大大减缓了混凝土构件因钢筋屈服后，裂缝迅速开展，高度迅速上升，而使构件的有效截面迅速减小，刚度迅速丧失。BMI-2～BMI-4 相对BMI-1 梁刚度提高的幅度分别为283%，271%，258%。

4 结论

本文在试验和理论研究的基础上，针对CFRP 加固的钢筋混凝土梁建立了三维实体模型，进行了大量的计算分析，主要得出以下结论：

1）按各国规范给出的加固梁承载力公式计算各试验梁的抗弯承载力，与试验数据进行了对比，发现外贴CFRP 的钢筋混凝土梁正截面承载力的实验，测定三组数据，主要得出受弯的钢筋混凝土梁在外贴CFRP 材料后，其承载力得到提高。

2）在剪力作用下，钢筋混凝土梁在外贴CFRP 材料后，其承载力也能够得到提高，但提高幅度要小于受弯时构。

3）通过加固梁的荷载一位移曲线、裂缝开展情况等的试验结果和有限元分析结果的对比研究，说明本文建立的CFRP 加固梁非线性有限元模型可以很好地模拟加固梁的抗弯性能。

4）本文分析了CFRP 片材的各项参数对钢筋混凝土加固梁的抗弯性能的影响，分析结果可以指导加固技术更好地应用于工程。

5）本文所采用的损伤塑性模型假定混凝土各向同性，与实际有一定的差距，应进一通过向异性损伤塑性模型的相关研究。

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