内嵌碳纤维板条加固混凝土梁抗弯性能试验研究

董蛟震，梁玉国，魏志涛

（1.大连安泰建设有限公司，辽宁大连 116023；2.河北建筑科学研究院，河北石家庄 050021；3.河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038）

碳 纤 维 （carbon fiber reinforced polymer，CFRP）材料以其高强、轻质、耐腐、耐疲劳等优点，近几年来在混凝土结构加固改造工程中的应用趋于广泛。在中国，外贴CFRP片材加固混凝土结构加固技术已早已普及，相关的标准已经出台［1-3］。

外贴CFRP片材抗弯加固混凝土构件时常发生CFRP与混凝土间的剥离破坏，该破坏属于脆性破坏，破坏前没有明显的预兆，破坏时CFRP的应变还处于较低水平，剥离破坏的产生不仅造成了材料的浪费，而且使加固的可靠度大大降低［4］。因此，开发简便有效的加固方法成为土木工程界的研究热点，而内嵌（near surface mounted，简称 NSM）纤维材料加固方法便是其中有代表的一种［5］，即在结构构件表层开槽，将纤维材料嵌入其中，利用黏结剂使其与构件结合紧密，达到加固和补强目的。

本文对5根试验梁（1根对比梁、1根外贴碳纤维板条梁、3根内嵌不同黏结材料的碳纤维板条加固梁）抗弯静载试验，对加固梁的破坏形态、刚度、荷载-应变、极限承载力、裂缝等进行分析，同时比较在不同加固情况下加固梁加固效果［6-8］。

1 试验设计

1.1 试件

本试验共设计5根矩形截面（150mm×250 mm）简支梁，试件均采用C30混凝土以及相同的配筋形式，梁长度为2 100mm，净跨为1 800mm，梁底钢筋为2根直径为14mm的HRB335级受拉钢筋，受压钢筋为2根直径为10mm的HRB335级钢筋，配筋率为0.94%，防止试验梁受剪破坏先于受弯破坏发生，箍筋设计为Ф8＠100的HPB300级钢筋。试件简图如图1所示。

图1 试验梁的尺寸及配筋情况Fig.1 Testing beam size and reinforcement

1.2 加固方案

本试验选用试验梁5根，其中1根对比梁（L1），1根外贴加固梁（L2），3根开2个槽且分别以环氧树脂、环氧砂浆、水泥砂浆为黏结材料加固梁（L3，L4，L5），加固梁的开槽尺寸为10mm×22 mm，此外，外贴加固梁碳纤维板条的黏结长度为1 800mm×40.37mm，并在板条两端附加碳布锚固措施。

1.3 加载方案

本试验梁采用正位试验方式，无支撑装置。试验采用三分点加载，荷载作用在梁顶部，梁的实际受力为简支梁结构，加载设备为长春试验机厂制造的液压式压力试验机（见图2）。

预加载首先将所有的试验设备安装到位，依照加载装置图对所有试验设备进行详细检查避免出现有遗漏设备或设备损坏等现象。确认可以开始试验后，将各仪器（称重传感器、位移传感器、静态应变仪）读数调零，然后在弹性范围内对试验梁进行预加载，加载值为开裂荷载的20%。正式加载采用分级加载方式，荷载以0.2倍的标准荷载为一级，读数与记录同步，每级加载间隔按标准要求，超过使用荷载后，以0.1倍的标准荷载为一级，直至构件破坏，观察裂缝开展情况。

图2 液压式压力试验机Fig.2 Hydraulic pressure testing machine diagram

1.4 测点

试验通过预埋在构件里的电阻应变片测量钢筋、CFRP片材应变，采用百分表测量跨中挠度，并通过梁端支座上方位移传感器对跨中挠度进行补偿，裂缝采用裂缝显微镜观测及记录描绘。试验过程中，测点的数据由日本东京生产的TDS-530静态应变数据采集仪采集。

2 试验结果分析

2.1 抗弯承载力及破坏形态分析［9］

依据《混凝土结构设计规范》中有关规定，各试验梁的极限承载力实测值如表1所示。

通过对比发现，加固梁极限承载力比未加固梁L1提高幅度为17%～37%，此外，以不同黏结材料的内嵌碳纤维板加固梁（L3，L4，L5）的极限承载力均比外贴内嵌碳纤维板加固梁L2提高明显，并且，以水泥砂浆为黏结材料的内嵌碳纤维板加固梁L4与以环氧树脂为黏结材料的加固梁L5的力学性能相差不多，其极限承载力约为后者的95%；以环氧砂浆为黏结材料的内嵌碳纤维板加固梁L5极限承载力约为以环氧树脂为黏结材料的加固梁L5的88%。从试验梁的破坏形态看，外贴梁发生剥离破坏，所有内嵌加固梁都发生了板条与胶层间的黏结破坏。

表1 试验梁抗弯承载力及破坏形态Tab.1 Experimental analysis of bearing capacity and failure modes

2.2 刚度分析

从图3梁L1—L5荷载-跨中挠度曲线可以看出，加固梁的挠度曲线与对比梁L1一样，可以分3阶段表述。

图3 梁L1—L5荷载-跨中挠度曲线Fig.3 Load-deflection curves of beam L1—L5

在混凝土开裂前，各加固梁荷载-挠度曲线基本呈线性关系，这主要由于开裂前加固片材的作用有限，梁负荷较小。

随着荷载的增加，加固梁拉区混凝土开裂，截面的刚度降低，应力重新分布，其曲线出现较明显的转折。在纵向受拉钢筋屈服前，荷载-挠度曲线曲线斜率变化不大，但各加固梁比未加固梁L1的曲线斜率均有不同程度的增大，相同荷载下，加固梁挠度小于未加固梁挠度。

受拉钢筋屈服以后，荷载的增加缓慢，但挠度增长迅速，试验梁进入破坏阶段。较对比梁，内嵌板条加固梁在这阶段同样表现出一定的塑性特征，但外贴板条加固梁异然，其延性有所下降。

2．3 荷载-应变分析

从图4跨中荷载-钢筋应变关系曲线看出，试验梁开裂荷载后，加固梁钢筋应变明显滞后于对比梁L1，加固梁第一折点高于未加固梁L1第一折点，说明开裂荷载有一定程度的提高，对加固梁极限荷载而言，内嵌加固梁较外贴梁L2的提高幅度明显。

图4 梁L1—L5跨中荷载-钢筋应变曲线Fig.4 Loadreinforcement strain curves of beam L1—L5

从图5加固梁跨中板条荷载-应变关系曲线看出，在开裂荷载后，外贴梁L2与内嵌梁的应变相差很大，即这阶段CFRP板承担的力相差很大，钢筋屈服后，由于外贴梁发生剥离破坏，碳纤维板条早早退出工作，而内嵌加固梁表现良好，呈现一定的塑性。

图5 梁L2—L5跨中荷载-板条应变曲线Fig.5 Loadstrip strain curves of beam L2—L5

2.4 裂缝分析

图6 梁L1—L5荷载-裂缝宽度曲线Fig.6 Load-crack width curves of beam L1—L5

图6给出了试验梁荷载-裂缝宽度曲线，可以看出，未加固梁在混凝土开裂后，曲线斜率变小，裂缝变化较快，平均裂缝间距增大，而加固梁在受拉钢筋屈服前，裂缝缓慢发展，直到碳纤维板条失效，裂缝才迅速加大［10］。

3 结 论

1）嵌入法加固梁正截面破坏过程与普通梁的破坏过程相似；内嵌CFRP板条加固混凝土梁出现板条与胶层界面黏结失效破坏；外贴CFRP板条加固梁破坏形态为剥离破坏，其属于脆性破坏，与未加固梁相比，内嵌CFRP板条加固梁的极限承载力提高幅度要高于相应的外贴加固梁，内嵌加固梁呈现一定的塑性。

2）内嵌碳纤维板加固梁的刚度比未加固梁有较大程度的提高。不同加固情况的加固梁抗弯承载力有不同程度的提高，极限承载力加强效果介于17%～37%，且抑制了裂缝的发展，裂缝间距和裂缝宽度减小。

3）内嵌CFRP板条加固混凝土梁时，黏结材料黏结性能最好的是环氧树脂，其次为水泥砂浆，环氧砂浆的黏结性能最差，三者加固梁的极限承载力均比外贴碳纤维板加固梁提高明显。

／References：

［1］GB 50152—92，混凝土结构试验方法标准［S］.GB 50152—92，Concrete Structures：Test Methods Standard［S］.

［2］CECS 146—2003，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程［S］.CECS 146—2003，Carbon Fiber Sheet Reinforced Concrete Structures of Order［S］.

［3］GB 50367—2006，混凝土结构加固设计规范［S］.GB 50367—2006，Reinforced Concrete Structure Design Specification［S］.

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［5］李 荣，腾锦光，岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域：嵌入式（NSM）加固法［J］.工业建筑，2004，34（4）：5-12.LI Rong，TENG Jinguang，YUE Qingrui.A new technique for strengthening concrete structures：Near-surface mounted FRP reinforcement［J］.Industrial Construction，2004，34（4）：5-12.

［6］姚 谏，滕锦光.FRP复合材料与混凝土粘结强度试验研究［J］.建筑结构学报，2003，24（5）：10-17.YAO Jian，TENG Jinguang.Experimental study on bond strength between FRP and concrete［J］.Journal of Building Structures，2003，24（5）：10-17.

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［8］CRUZ J S，BARROS J.Modeling of bond between near-surface mounted CFRP laminate strips and concrete［J］.Computers and Structures，2004，82（18）：1 513-1 521.

［9］周朝阳，李毅卉，贺学军.外贴碳纤维布加固大比例钢筋混凝土梁抗弯性能［J］.铁道科学与工程学报，2007，4（4）：42-46.ZHOU Chaoyang，LI Yihui，HE Xuejun.Flexural behavior of large-scale RC beams reinforced with externally bonded carbon fiber sheets［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4（4）：42-46.

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