不同方法加固钢筋砼梁抗弯性能试验研究

聂良鹏，王维平，陈顺超

（西南林业大学土木学院结构工程试验中心，云南昆明 650000）

不同方法加固钢筋砼梁抗弯性能试验研究

聂良鹏，王维平，陈顺超

（西南林业大学土木学院结构工程试验中心，云南昆明 650000）

设计3组共9根矩形截面梁进行对比试验，测试粘贴纤维布法和粘贴纤维布同时增大截面法加固方式下梁的屈服荷载、极限荷载、跨中挠度、碳纤维布应力分布和钢筋应力分布等。研究结果表明，两种加固方法都能明显提高钢筋砼梁的正截面抗弯极限承载力，二者相比较，粘贴碳纤维布同时增大截面的方法提高幅度更显著；仅粘贴碳纤维布的方法对抗弯刚度的提高效果不明显，粘贴碳纤维布同时增大截面的方法则能大幅提高梁的抗弯刚度。

桥梁；钢筋砼梁；碳纤维布；增大截面；抗弯极限承载力；抗弯刚度

砼结构在中国建筑、桥梁等建设中使用广泛。随着建造时间的推移，早期的砼结构逐渐面临着物理老化、强度不足、耐久性和安全性过低等问题。此外，化学腐蚀、社会需求的变化及风灾、火灾、地震等意外损害会缩短砼结构的使用寿命。因此，对砼结构进行加固和维修具有很重要的意义。碳纤维加固结构构件技术就是在砼结构外部粘贴纤维增强复合材料，两者共同工作实现加固目的。近年研究成果解决了粘贴碳纤维布加固钢筋砼梁的基本受力性能问题，但基本是针对单一方法的加固原理、加固计算等方面的研究，在同一条件下，由于各自加固效果不一，导致实桥加固方法在选择时存在较大的盲目性。而且近年的研究表明碳纤维布和钢筋砼梁共同受力时，碳纤维布会发生受力滞后的现象，虽然能提高梁的抗弯承载力，但无法提高梁的刚度。该文通过疲劳试验机、数据采集设备等开展粘贴碳纤维布法和粘贴碳纤维布同时增大截面法用于矩形梁抗弯加固效果的对比试验研究，为实桥加固方案的合理选择提供参考。

1　试验概况

1.1试验设计

为了考察粘贴碳纤维布同时增大截面加固砼梁的破坏过程及受力性能，浇筑9片尺寸为（150×200 ×2000）mm3的钢筋砼梁，试验中梁的实际长度为2000mm，支撑点之间的距离为1800mm。在梁两端距离支撑点600mm处作用对称集中荷载P；纵筋采用HRB335钢筋，梁下部纵向受力钢筋采用2φ12，梁上部架立钢筋采用2φ8。共分为3组（编号为BⅠ、BⅡ、BⅢ）：第一组共3片梁，为未作任何加固的普通钢筋砼基准梁；第二组共3片梁，为仅粘贴碳纤维布加固的试验梁；第三组共3片梁，为粘贴碳纤维布同时在受压区增大截面加固的试验梁。试验设计见表1，试验尺寸及加固形式见图1～3。

表1　试验设计

图1　BⅠ组试件加载示意图（单位：mm）

图2　BⅡ组试件加固与加载示意图（单位：mm）

图3　BⅢ组试件加固与加载示意图（单位：mm）

1.2试件制作

试验所用材料包括钢筋、砼及碳纤维布。砼材料的强度等级按C30试配。立方体抗压强度为30.6MPa，弹性模量为3.0×104MPa；碳纤维布型号为RB-CF300，单层厚度为0.167cm，抗拉强度为3400MPa，弹性模量为24×104MPa，极限应变为1.7%。由于试验梁自重较轻，为模拟实际桥梁受力情况，在粘贴碳纤维布时在梁的跨中位置加9 kN（梁的开裂荷载）外加荷载，并在保持上述外力作用下粘贴碳纤维布直至达到规定的养护要求。

粘贴碳纤维布前，先用角磨机将砼表面打磨干净、平整，露出新鲜砼，清扫浮渣，拿棉球蘸取丙酮反复擦拭以去掉油渍和浮尘；然后涂刷底胶，让底胶均匀渗透到砼中，同时使钢筋砼梁表面更平整；6h后粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布时，先涂刷一遍主胶，然后将碳纤维布拉直，尽量让胶充分渗透到碳纤维丝中。待胶干透之后进行试验。

在受压区增设现浇砼时，先将砼顶面凿毛，清扫浮渣。然后在顶面每相距8cm植入1根φ6短钢筋，植入深度为5cm，外露长度为4cm，共2排。由于梁两端的剪力较大，植入钢筋在端头处加密，即在梁的两端20cm长度范围内每相距5cm植入1根φ6短钢筋。待植入筋固定后，用扎丝将长度为190 cm钢丝绑在植入筋上，每排1根。最后在受压区浇筑厚度为5cm的自密实砼，养护28d后进行试验。

1.3试验加载方案及测量项目

采用液压伺服疲劳试验机进行加载，在梁的跨中、两端支座处各安装一个机电百分表，用来测量梁在各载荷作用下的挠度；在梁的跨中纵向钢筋、碳纤维布表面及砼梁侧面分别粘贴应变片。采用两点对称、分极加载的方式，在加载至极限状态的过程中，先对砼梁进行2次预压，消除接触不良影响并检查仪表是否正常工作之后以10kN一级匀速加载，加载到50kN后改为以5kN匀速加载，当百分表的读数开始不稳定时，加载过程由力控制改为位移控制。每片梁均加载3次，前2次加载至40kN，第3次加载至梁破坏。试验中每级荷载施加后持荷3min，待稳定后再读数。

试验过程中测量和记录以下项目：1）仔细观察矩形梁的裂缝生成情况，用ZBL裂缝测宽仪量测梁的裂缝宽度，用记号笔画出裂缝走向并标记所对应的施加荷载；2）用DH3817静态应变仪记录在各级荷载下钢筋、碳纤维布、砼的应变情况；3）用机电百分表记录梁跨中、距梁端200mm处的挠度。

2　试验结果及分析

2.1碳纤维布加固梁剥离分析

在粘贴碳纤维布加固砼结构中，其组合结构共同作用承受荷载，在荷载作用下碳纤维与砼间的粘结层传递应力，使碳纤维与砼协调变形。由于粘结界面的材料均为复合材料，材料性能差别很大。根据试验与理论分析，碳纤维布与砼粘结局部区域主要有粘结应力、剥离应力和剪应力，结构的剥离破坏是局部粘结区域内粘结剪应力和剥离正应力的共同作用，应力重分布后产生应力集中，主应力达到砼的抗拉或抗剪强度而造成结构局部剥离破坏。

碳纤维加固钢筋砼结构剥离破坏主要有两种形式：1）碳纤维与砼间的粘结胶层失效剥离破坏。这是由于粘贴碳纤维布时施工工艺的差异，粘结胶并不能十分准确地粘贴均匀，导致粘结胶层的粘结效果不是很好。其次，在施加荷载过程中，碳纤维布上的应力也有差别，导致某处出现应力集中现象，造成粘结胶层的抗拉强度低于砼的抗拉强度而导致粘结胶层失效剥离。2）剥离发生在砼表层与钢筋间保护层的剥离破坏。这种破坏通常包括3种模式，即从纯弯段主裂缝处向两端剥离、从加载点附近区域裂缝处向两端剥离、从碳纤维布端部开始剥离。这主要是由粘结胶层的粘结性能较好，而砼的抗拉强度较低造成的，同时由于荷载作用下结构产生的裂缝发生错动，产生应力集中，造成碳纤维剥离破坏。

试验中2组试验梁的破坏形式均为碳纤维布剥离破坏，从破坏形式来看，除BⅡ1号梁是因梁端部碳纤维布剥离引起的破坏外，其余5片梁均在跨中主裂缝处剥离破坏，并且每片梁的碳纤维布上都有少量砼。说明整体上梁的剥离破坏属于第一种破坏形式，但局部存在第二种破坏形式，这与胶的性能及施工质量有关。试验梁的破坏情况见图4。

图4　试验梁的破坏情况

2.2试验梁的挠度分析

图5～7为试验梁的荷载-挠度曲线。

图5　基准梁BⅠ与试验梁BⅡ跨中荷载-挠度曲线

图6　基准梁BⅠ与试验梁BⅢ跨中荷载-挠度曲线

图7　试验梁BⅡ与BⅢ跨中荷载-挠度曲线

从图5～7可以看出：随着荷载增加，试验梁与基准梁的挠度曲线逐渐发生分离，表明碳纤维布开始逐渐参与受力。加载到50kN左右时，基准梁受拉钢筋开始屈服，挠度急剧增长，而此时加固梁的挠度增长相对较缓慢；加载至64kN左右时，第二组试验梁（BⅡ）受拉钢筋开始屈服，跨中挠度增加明显；加载到76kN左右时，第三组试验梁（BⅢ）受拉钢筋开始屈服，此时曲线的斜率明显减小，说明跨中挠度增长幅度有所增加。钢筋屈服后，第二组试验梁跨中挠度曲线的斜率小于第三组试验梁，说明第二组试验梁的跨中挠度增幅大于第三组试验梁。

2.3试验梁的刚度分析

加固前后试验梁的跨中挠度及刚度见表2。

表2　加固前后梁的跨中挠度值及刚度提高百分比

由表2可知：当荷载小于40kN时，在相同荷载下，第二组试验梁（BⅡ）的跨中挠度略小于基准梁，刚度（基准梁与试验梁的荷载-挠度曲线及趋势线方程，方程斜率的变化代表试验中各组梁刚度的变化）的提高幅度较小，而第三组试验梁（BⅢ）的跨中挠度有非常明显的减小，刚度提高幅度很大。40kN时，第二组试验梁（BⅡ）刚度提高幅度为15.13%，第三组试验梁（BⅢ）刚度提高幅度为48.3%，并且随着荷载的增加，刚度提高幅度逐渐加大。表明在荷载较小时，粘贴碳纤维布对梁刚度的提高作用不大，而增大截面能有效提高梁的抗弯刚度。

2.4试验梁的应变分析

表3为试验梁顶面砼、钢筋和碳纤维布的极限应变。

表3　试验梁的极限应变

续表3

从表3可知：第二组试验梁砼的平均极限应变为3351με，碳纤维布的平均极限应变为5436με，第三组试验梁的分别为3490、7049με，而在取样试块试验中砼的极限压应变取值为3300με，碳纤维布的极限拉应变为7000με。说明在梁破坏时，2组试验梁顶面砼均达到了极限压应变，而对于碳纤维布，第二组试验梁未达到其允许拉应变，第三组试验梁基本达到，2组试验梁均属于适筋破坏。

2.5试验梁的极限承载力分析

加固后各试验梁的试验结果见表4。

表4　加固后各梁的试验结果

从表4可以看出：

（1）基准梁（BⅠ）的破坏形态属于典型的适筋梁破坏，两种试验梁（BⅡ、BⅢ）的破坏形式基本属于适筋梁破坏。

（2）基准梁的屈服荷载和破坏荷载平均值分别为49.2、53.4kN，表明对于受弯构件，砼开裂后，构件所承受的荷载基本由纵向受拉钢筋承受，钢筋屈服后再施加较小的荷载，构件就可能破坏。

（3）第二组试验梁（BⅡ）的屈服荷载和破坏荷载平均值分别为64.54、79.1kN，与基准梁相比分别提高31.12%、48.13%；第三组试验梁（BⅢ）的屈服荷载、破坏荷载平均值分别为76.74、105kN，与基准梁相比分别提高55.98%、96.63%。说明在梁底粘贴碳纤维布能有效改善梁的抗弯承载力，若在粘贴碳纤维布的同时增大截面，则能更好地提高梁的抗弯承载力。

3　结论

（1）粘贴碳纤维布、粘贴碳纤维布同时增大截面两种加固方法都能明显提高钢筋砼梁的正截面抗弯极限承载力，二者相比，粘贴碳纤维布同时增大截面的方法增大了梁的有效高度，提高幅度更显著；梁处于带裂缝工作阶段时，仅粘贴碳纤维布对抗弯刚度的提高效果不明显，钢筋屈服后碳纤维布对抗弯刚度的贡献才变得较为明显；采用粘贴碳纤维布同时增大截面的方法，在整个加载过程中梁的抗弯刚度都明显提高，在钢筋屈服后提高效果更显著。

（2）采用仅粘贴碳纤维布的方法，在钢筋屈服前，碳纤维布的应变增长幅度较小；钢筋屈服后，碳纤维布的应变增长幅度明显增大。说明碳纤维布在钢筋屈服前发挥的作用较小，钢筋屈服后作用较大。粘贴碳纤维布同时增大截面的方法则能有效增大梁的抗弯刚度，梁在相同荷载下钢筋和碳纤维布的应变增量更小。

（3）加固梁的受力经历3个阶段，即砼开裂前、开裂至钢筋屈服、钢筋屈服至梁体破坏。在没有可靠锚固措施的情况下，大多数加固梁都发生碳纤维布剥离破坏，附加的端部锚固及局部加强措施可有效防止碳纤维布剥离破坏，明显减小破坏时的跨中挠度和截面曲率。可见碳纤维布的锚固及碳纤维布与砼之间的粘结效果是影响梁破坏形态和抗弯极限承载力的关键因素。

（4）在工程实际中，桥梁的受力基本处于带裂缝工作的弹性阶段，在对桥梁进行加固补强设计时，若仅需提高桥梁抗弯极限承载力，可选择仅在受拉区粘贴碳纤维布；若需要较大幅提高桥梁的抗弯刚度，则应在粘贴碳纤维布的同时结合桥面维修进行桥面增大截面补强。

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U445.7

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2016-03-06