预应力CFRP布加固负载混凝土梁受剪性能试验

程东辉，荣 威，周 威

(1.东北林业大学 土木工程学院，150040哈尔滨，chengdonghui2000@126.com;2.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090哈尔滨)

碳纤维布(carbon fiber reinforced polymer sheet，简称CFRP布)因具有轻质、高强、耐腐蚀和弹性模量高等特点，可以利用其对混凝土构件进行加固，延长混凝土结构使用寿命与使用性能.文献[1－3]表明:采用CFRP布加固的混凝土构件，裂缝出现与开展得到抑制、变形受到约束，从而承载力和刚度得到提高.但是相关研究也表明[4－11]:实际工程中所需加固的混凝土构件通常处于负载状态，利用CFRP布黏贴加固后，在随后的二次受力过程中，CFRP布应力始终滞后于构件中的混凝土与受力钢筋的应力，处于被动受力状态，需构件产生较大变形才能充分发挥CFRP布高强特点，影响了结构的正常使用.

针对这一问题，有研究者提出对CFRP布预先张拉后再对构件进行加固，并开展了预应力CFRP 布加固混凝土受弯构件的研究[12－16].文献[14－16]表明:采用预应力CFRP布加固的混凝土梁，CFRP布由被动受力变为主动受力，CFRP布前期参与受力程度明显提高，能够充分发挥CFRP布强度高的特点.当前预应力CFRP布加固混凝土构件的研究还主要集中在钢筋混凝土梁正截面加固，对预应力CFRP布加固混凝土梁斜截面受剪性能的研究不多，而对负载状态下利用预应力CFRP布加固混凝土梁斜截面受剪性能的研究工作尚未开展.本文通过对9根负载状态下利用预应力CFRP布加固的混凝土梁和3根普通混凝土梁斜截面受剪性能的试验，开展预应力CFRP布加固负载混凝土梁受剪性能的研究工作.

1 试验

1.1 研究思路

首先从3组试件中各选一根试验梁作为对比梁开展斜截面受剪性能试验，获得3根对比梁斜截面受剪承载力、裂缝分布、挠度等试验数据.在此基础上，结合工程实际情况，对各组其余9根试验梁分别加载至对比梁极限受剪承载力的0.4倍，持荷状态下在加载点与近端支座间设置两道预应力CFRP布进行加固，待环氧树脂胶固化后对试验梁二次加载直至破坏.

1.2 试验梁设计

试验拟采用单点加载，根据加载点与近端支座间配箍率ρsv(ρsv=nAsv1/(bs)，其中Asv1为单肢箍筋截面积，n为同一截面箍筋肢数，b、s分别为梁截面宽度和箍筋间距)的不同，设计制作了3组、每组各4根钢筋混凝土简支梁.试验梁截面尺寸均为150 mm×280 mm，试验梁跨度及配筋如图1所示.各试验梁底部均配置4φ20纵向受力钢筋，箍筋强度等级为HPB235，混凝土强度等级为C20.

1.3 试验梁的负载加固方案

为解决CFRP布张拉及黏贴难题，试验过程中研制了一种预应力CFRP布张拉机具，如图2(a)所示.张拉时将承压装置④放置在梁顶，依据《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)(简称“加固规范”)中的相关规定在CFRP布表面及所需加固处的混凝土梁底及梁侧涂刷环氧树脂胶，利用预压螺母②提升钢辊将CFRP布张拉至设计值.待环氧树脂胶固化后拆除张拉机具，通过预应力CFRP布的回缩实现对混凝土的预压.CFRP布张拉力的大小可以通过放置在预压螺母与承压装置间的压力传感器进行监测.

图1 试验梁尺寸及配筋图

图2 张拉机具

为考察CFRP布加固方式对受剪承载力的影响，在第3组试件中设置两种CFRP布加固方式:加固I型和加固II型.加固I型是将张拉后的CFRP布在梁底与梁两侧黏贴加固，拆除张拉机具后在其末端留长度为50 mm非预应力CFRP布，并将这段CFRP布黏贴于梁顶，如图3(a)所示;加固II型是将CFRP布张拉后在梁顶处截断，按《加固规范》的有关要求在端部设置800 mm×50 mm宽的普通CFRP布横向压条，如图3(b)所示.

试验用CFRP布采用日本东丽公司产品:极限拉应力 3 700 MPa，弹性模量 246 GPa，厚度0.111 mm.各试验梁加载点至近端支座间的配箍率、CFRP布黏贴加固方式、预加载值及CFRP布预拉应力如表1所示.

表1 试验梁参数

1.3 加载及测试方案

试验梁采用单点分级加载，加载点距近端支座800 mm，以每级5 kN加载至试验梁破坏.

试验梁采用下列装置进行数据采集:在每片CFRP布上布置若干应变片，用以监测试验过程中CFRP布应力变化;在加载点与近端支座连线处的各肢箍筋表面黏贴应变片，用以监测箍筋应力变化;试验梁加载点、跨中及两端支座分别设置位移传感器用以监测试验梁的变形.试验梁加载及测量装置如图4所示.

图4 加载及测量方案

2 现象与结果

2.1 试验现象

1)预加载阶段试验梁在加载点截面处混凝土因受弯而首先出现裂缝，随着荷载不断加大梁腹部有斜裂缝出现，但是裂缝宽度及高度均不大.加载至设定值后持荷，利用预应力CFRP布对试验梁斜截面进行加固，经观察加固过程对已有裂缝宽度、裂缝高度、箍筋应力及测点挠度没有显著影响.

2)在加固后的二次加载过程中，试验梁表面由于预加载时产生的裂缝在二次加载过程中的宽度和高度均发展缓慢，且新增裂缝数量不多.

3)荷载加至一定程度时，CFRP布出现轻微响声，这是环氧树脂胶逐渐开裂造成的;同时在试验梁加固区段有一条主斜裂缝从支座附近指向加载点，该裂缝高度及宽度明显大于其他各条斜裂缝;与此同时梁底混凝土不断出现因受弯而产生的裂缝.

4)临近破坏时，主裂缝高度增加较快，而裂缝宽度变化不大;此外预应力CFRP布表面测点的实测数据表明，CFRP布中各纤维束应力增量不均匀.

5)破坏时试验梁出现以下几种破坏形态:

①3根对比梁的破坏为典型的剪压破坏，即由于临界斜裂缝的发展，压区混凝土面积减小，最后在荷载作用下箍筋受拉屈服，混凝土被压碎;

②采用加固I型的第1组和第2组加固试验梁破坏时加固区段箍筋受拉屈服、混凝土被压碎，导致加固试验梁斜截面丧失承载力，如图5(a)所示;而第3组加固试验梁中YJGL3－a和YJGL3－b的加固区段混凝土未破坏，另一侧未加固区段混凝土被压碎导致试件破坏，如图5(b)所示.

③采用II型方式加固的试验梁YJGL3－c，梁侧混凝土在荷载与预应力CFRP布共同作用下处于复合受力状态，随着荷载增加CFRP布横向压条的锚固作用很快消失，预应力CFRP布向外侧裂开，梁侧混凝土由于粘结力的作用而剥落，削弱了试验梁受剪截面，反而降低构件受剪承载力，试验梁破坏时的状态如图6所示.

图5 加固I型试验梁破坏形态

图6 加固II型试验梁破坏形态

2.2 试验梁的变形

图7 荷载－跨中挠度曲线

由图7给出的3组试验梁荷载－跨中挠度曲线可以看出:各加固试验梁在预加载阶段的跨中变形与未加固试验梁相应加载阶段的变形曲线一致.利用预应力CFRP布对斜截面加固后，加固试验梁在二次受力过程中，挠度曲线的斜率增大，说明加固试验梁正截面刚度有所增加.

2.3 试验结果

表2给出了各试验梁正截面开裂荷载、斜裂缝出现荷载、极限荷载等主要试验结果.

表2 试验结果

3 试验分析

3.1 裂缝开展

图8以第I组试验梁为例给出了裂缝分布状况.可以看出:对比梁达到受剪承载力极限状态时，在支座与加载点间形成了贯通的主斜裂缝，而其余斜裂缝高度不大.对比梁是由于主斜裂缝不断发展导致压区混凝土受压面积减小、最终达到极限抗压强度而破坏.而3根加固试验梁虽然在预加载过程中已经产生斜裂缝，但是由于预应力CFRP布的约束作用，限制了已有裂缝的发展，制约了新裂缝的出现，增大了混凝土受压区面积，进而提高了加固试验梁二次受力后斜截面受剪承载力.加固试验梁的破坏是由于荷载的不断加大导致压区混凝土达到极限强度从而丧失承载力.

图8 第I组试验梁加固区段裂缝图

3.2 箍筋与预应力CFRP布的协同受力

图9给出了在预应力CFRP布张拉应力相同、配箍率不同的情况下3根加固试验梁加载过程中箍筋与CFRP布应力增量变化曲线.可以看出:加固试验梁在加固前的预加载过程中，箍筋应力增加不大，而在加固后二次受力过程中，初始阶段箍筋能够与预应力CFRP布协同受力，后期随着预应力CFRP布对裂缝发展限制作用的增大，CFRP布的应力增量明显大于箍筋的应力增量(图9(a)、(b))，说明这一阶段预应力CFRP布承担了二次加载过程中的大部分剪力;另一方面，对于预加载值比较大的YJGL1－c试验梁，预加载阶段箍筋应力较大，试验梁二次受力过程后，预应力CFRP布应力增长较快，分担了箍筋应力，使试验梁破坏时箍筋应力未达到屈服强度，如图9(c)所示.

图9 箍筋应力与CFRP布应力增量关系

3.3 预应力CFRP布加固形式对承载力的影响

第3组试验梁设置了两种CFRP布张拉黏贴方式:加固I型和加固II型.试验结果表明:加固I型中CFRP布末端非预应力黏贴段起到了良好的锚固作用，加载过程使预应力CFRP布能够保持良好的工作状态，直至加固试验梁破坏时CFRP布仍未与混凝土剥离.而加固II型虽有横向压条存在，但对预应力CFRP布的锚固作用不大，梁侧混凝土在荷载和预应力CFRP布的作用下很快剥落，削弱了试验梁受剪截面，降低了受剪承载力.

3.4 CFRP布预拉应力对受剪承载力的影响

由表2的试验结果可以看出:对于配箍率较低的第1组试验梁，利用预应力CFRP布对负载试验梁斜截面加固后，极限受剪承载力的提高幅度β随CFRP布预拉应力的增加而增大;而对配箍率相对较高的第2组试验梁，利用预应力CFRP布对负载试验梁斜截面加固后，β随CFRP布预拉应力的增加反而降低.说明在低配箍率情况下利用预应力CFRP布对混凝土梁斜截面进行加固效果较好.

4 结论

1)负载状态下对混凝土梁斜截面利用预应力CFRP布加固后，在混凝土梁二次受力过程中，预应力CFRP布能够显著提高混凝土梁斜截面极限受剪承载力，延缓裂缝发展.

2)利用预应力CFRP布加固负载混凝土梁，在二次受力过程中改变了以往CFRP布加固后的被动受力状态，充分发挥了CFRP布强度高的特点.

3)预应力CFRP布加固负载混凝土梁斜截面极限受剪承载力与CFRP布张拉应力有关:配箍率较低时，斜截面受剪极限承载力提高幅度随CFRP布预拉应力的提高而增大，反之则减小.

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