粘贴碳纤维或钢板加固受弯构件的效果对比

王敏容



粘贴碳纤维或钢板加固受弯构件的效果对比

王敏容

（五邑大学 土木建筑学院，广东 江门，529020）

粘贴碳纤维或钢板是桥梁加固中常用的两种被动加固方法，以粘贴碳纤维布和钢板加固钢筋混凝土T梁为例，从加固计算原理、加固后承载力、各材料强度和刚度方面对比分析加固效果. 计算结果表明：粘贴1～3层碳纤维布加固与粘贴4～10 mm钢板加固对比，前者对梁的承载力及刚度提高效果都不如后者；粘贴碳纤维布的高强度没有得到充分发挥，加固对各材料的应力强度改善不明显，适合于构件的抗裂性加固；若要提高梁的承载力和整体刚度，采用粘贴钢板加固比较合适.

碳纤维布加固；粘钢加固；桥梁加固；受弯构件；承载力计算

粘贴碳纤维或钢板加固是采用环氧树脂或建筑结构胶将碳纤维或钢板粘贴在被加固构件的受拉部位或薄弱部位的表面，使其与被加固构件形成整体共同受力，以提高结构强度和改善结构受力性能. 粘贴碳纤维和钢板是桥梁加固中常用的被动加固方法，均可提高梁的承载力，适用于原构件受拉主筋或斜筋配筋不足以及原构件受拉钢筋严重腐蚀或受损的梁和板的加固. 由于部分工程人员对这2种加固方法认识不深，实际操作中将二者互换而常造成不必要的浪费，本文根据《公路桥梁加固设计规范》（JTJ/T J22—2008）[1]，采用粘贴钢板和碳纤维布加固钢筋混凝土T梁，从加固计算原理、加固后承载力、材料强度和刚度等方面对比其加固效果，分析两种加固方法的适用范围.

1 粘贴碳纤维和钢板加固方法

1.1 粘贴碳纤维加固法

粘贴碳纤维加固是将碳纤维材料用黏结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，利用碳纤维的高强抗拉强度来增大结构的抗拉或抗剪能力的一种加固方法. 适用于梁、板的抗弯和抗剪加固. 其力学性能指标如表1所示.

表1 桥梁加固用碳纤维布主要力学性能指标

碳纤维布自重很轻，厚度为0.111～0.167 mm，粘贴不超过3层，对整个加固结构重量及桥下净空的影响微乎其微. 碳纤维布粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了原有混凝土的裂缝，其高强高模量的特性还限制了混凝土结构裂缝的扩展，从而提高了混凝土构件的整体刚度.

1.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固是用环氧树脂或建筑结构胶将钢板沿构件的受拉区或抗剪薄弱部位粘贴在混凝土构件的边缘，利用钢板来补充原构件钢筋的不足，以提高结构的承载力和刚度的一种加固方法. T梁正截面承载力不足出现梁底裂缝时可在梁底粘贴钢板. 当桥梁结构的主拉应力区斜筋不足时，可在混凝土构件的侧面，并垂直于剪切裂缝的方向斜向粘贴钢板，也可竖向粘贴条状钢板或使用U形和L形的箍板. 其力学性能指标如下表2所示.

表2 桥梁加固用钢板主要力学性能指标

粘贴钢板一般厚度为4～10 mm，基本不影响加固构件的外形和桥梁净空，桥梁自重增加也很小. 可在不影响或少影响交通的情况下施工，施工工艺简单，施工质量容易控制. 在梁底粘贴钢板可以提高结构的抗弯刚度，对以控制结构变形为主要目的的加固是十分有效的.

2 正截面加固承载力计算

2.1 基本假定

碳纤维或钢板加固钢筋混凝土受弯构件的正截面承载力计算，均遵守以下基本假定[1-2]：

4）碳纤维或钢板与构件牢固粘贴在一起，采取可靠的锚固措施，达到受弯承载力极限状态前，碳纤维或钢板与混凝土之间无粘结剥离破坏.

2.2 破坏形态

2.3 正截面承载力计算

混凝土受压区高度可由下式计算得到：

加固碳纤维（钢板）的拉应变由两阶段受力的应变比例关系可以得到：

加固碳纤维（钢板）的拉应变为：

式中加固前受拉边缘混凝土的初始应变（碳纤维或钢板的滞后应变）为：

3 粘贴碳纤维布和钢板加固效果对比

以下通过粘贴碳纤维布和钢板加固某钢筋混凝土桥为例，计算比较2种粘贴加固在承载力、材料强度和刚度方面的加固效果.

1）加固后承载力比较

粘贴碳纤维布和钢板加固的承载力计算结果见表3、4所列.

表3 粘贴碳纤维布加固结构承载力

表4 粘贴钢板加固结构承载力

对比表3和表4的加固后承载能力，在常用的粘贴厚度内，粘贴碳纤维布加固对抗弯承载力提高效果不理想，粘贴3层碳纤维布加固后的承载力不如4 mm钢板加固后的承载力. 从表3可以看出，粘贴2层碳纤维布对承载力提高较小，粘贴3层碳纤维布比较合理，承载力提高6.5%，且增加一层碳纤维布，承载力增加5.1%；而粘贴4 mm钢板，承载力提高7.9%，每增加1层钢板，承载力可提高3.7%；对比增加一层粘附物对承载力的提高程度，碳纤维布提高承载力比钢板高，增加碳纤维布面积对承载力提高作用较大.

2）材料总应力比较

考虑构件加固前荷载由原构件承担，加固后荷载由原构件和粘贴物组成的组合截面承担，材料具有分阶段受力的特点. 采用文献[7]中计算原理，粘贴2种材料加固时跨中截面的新、旧各材料的最终应力计算结果见表5所列.

表5 粘贴碳纤维布或钢板加固各材料应力

从表5的计算结果可知，随着粘贴碳纤维布层数和钢板厚度的增加，混凝土压应力、受拉钢筋应力以及粘贴材料的应力都逐渐减少，均没有超过强度设计值，加固后各材料均能安全工作. 粘贴碳纤维布或钢板面积的增加，碳纤维布或钢板与混凝土共同工作，增加了开裂截面惯性矩和截面的抗弯惯性矩，在相同的荷载作用下，各材料应力减小. 由于T梁梁肋宽度较小，粘贴碳纤维布面积有限，碳纤维布对梁截面惯性矩作用较小，加固后混凝土压应力和钢筋拉应力均大于粘贴钢板加固，而且碳纤维布拉应力远小于抗拉强度设计值，并没有发挥碳纤维布的高强度作用，碳纤维布面积的增加对各材料应力的减少幅度都很小，粘贴碳纤维加固效果不如粘贴钢板加固效果，此计算结果和文献[9-10]中试验结果一致. 如果增加或减少粘贴钢板面积，混凝土压应力和钢筋拉应力的差距值会减小，但受原构件受拉钢筋强度、新旧材料的滞后应变影响以及粘结胶与混凝土粘结表面强度的限制，加固效果不会有很大的改变.

3）刚度比较

4 结语

1）粘贴碳纤维加固钢筋混凝土梁，钢筋屈服后，受拉区碳纤维不一定达到极限拉应变而破坏;而粘贴钢板加固钢筋混凝土梁发生适筋梁破坏时，受拉钢筋（钢板）屈服，受压区混凝土达到极限压应变. 梁的破坏有2种形态，对不同破坏形态应分别采用相应的承载力计算公式.

2）在常用的粘贴范围内，粘贴2～3层（4～6 mm）钢板对梁的承载力及刚度提高效果都优于粘贴2～3层碳纤维布加固，粘贴碳纤维布加固并没有发挥碳纤维布的高强度作用，碳纤维布加固对构件受压区混凝土、受拉区钢筋拉应力改善不明显.

3）碳纤维布加固不适用于提高梁的抗弯承载力为目标的加固，为提高构件的抗裂性，制约裂缝的发展，可以采用碳纤维布加固. 若要提高梁的承载力和整体刚度，采用粘贴钢板加固比较可靠.

本文提出的粘贴碳纤维与钢板承载能力计算公式和加固效果对比，可供钢筋混凝土桥梁加固设计参考. 但本文仅从加固理论出发对比2种方法加固钢筋混凝土梁的适用性，加固效果仍需从试验方面进行深一步的研究. 针对碳纤维布加固后梁发生破坏时，碳纤维的高强度并未完全发挥作用这一现象，可更进一步从试验完善碳纤维的许用拉应变取值以及承载能力计算公式.

[1] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司. JTG /T J22—2008 公路桥梁加固设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2008.

[2] 邬晓光，白青侠，雷自学. 公路桥梁加固设计规范应用计算示例[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

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[责任编辑：韦 韬]

A Contrast Analysis of CFRP-strengthened Flexural Members and Flexural Memberswith Bonded Steel

WANGMin-rong

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

CFRP-bonding and steel plate-strengthening have been the most popular ways to reinforce RC beams in bridge reinforcement. Taking the RC T-beams strengthened with CFRP-bonding and those strengthened with steel plates as example, the reinforcement effect is comparatively analyzed from the perspective of the calculation principle, flexural capacity, material strength and section stiffness. The results show that the strengthening effect of steel plate bonding of four to ten millimeters is obviously superior to bonding of one to three layers of CFRP in improving flexural capacity and beam stiffness; the high intensity of CFRP is not fully in force. So bonding CFRP is fit for anti-cracking reinforcement, and bonding steel plates is fit for increasing flexural capacity and beam stiffness.

strengthening by bonding CFRP; strengthening by bonding steel plates; bridge strengthening; flexural members; calculation of flexural capacity

1006-7302（2013）03-0061-07

U445.7+2

A

2013-04-12

江门市科技计划项目（31019003）；五邑大学青年基金资助项目（31022002）

王敏容（1980—），女，湖北应城人，讲师，博士研究生，研究方向为桥梁结构设计及旧桥加固.