内嵌CFRP板加固钢筋混凝土梁试验研究

梁玉国，宋丽娟，任水娜

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；河北省建筑科学研究院，石家庄 050021；2.河北建研科技有限公司，石家庄 050021；3.河北建研工程技术有限公司，石家庄 050021）

0 引言

近年来，大量的既有建筑由于功能改变或需要进行增层改造，结构加固工程不断增多，结构加固技术也随之不断改进。不少结构加固工程中采用外贴碳纤维增强塑料（CFRP）对梁进行抗弯、抗剪加固，然而不少研究结果表明，采用外贴碳纤维布（板）对钢筋混凝土梁进行加固处理，多发生碳纤维布（板）剥离破坏。鉴于上述因素，有学者提出了内嵌（Near－Surface Mounted）加固技术［1－4］，即将加固材料嵌入混凝土表面，使得加固材料与构件共同受力，达到加固补强目的。

本文对5 根钢筋混凝土梁进行了静力受弯试验，其中一根为未加固梁，一根为外贴CFRP 板加固梁，另外3根分别为以环氧树脂、环氧砂浆、水泥砂浆作为粘结材料，采用内嵌CFRP 板加固的梁。对试验梁的受力性能、板条及钢筋应变、挠度变形规律等进行了对比分析。

1 试验概况

本次试验共设计了5根长度为2 100mm 的钢筋混凝土梁，横截面尺寸b×h＝150 mm×250 mm，混凝土强度等级按C45设计，纵向受拉钢筋为2Φ14（HRB335级），架立筋为2Φ10（HRB335级），箍筋为φ8＠100（HPB300级）。梁尺寸及钢筋布置如图1所示。各试件情况见表1。其中L1为对比梁，未进行加固；L2 为外贴CFRP 板加固梁；L3、L4、L5为内嵌CFRP板加固梁，开槽尺寸为10mm×25mm×1 800mm，内嵌CFRP板加固梁开槽尺寸及位置见图2（注：开槽深度达箍筋外表皮，遇有保护层厚度偏小部位，可稍减少开槽深度，尽量避免损伤箍筋）。内嵌CFRP 板加固梁，在试件养护28天后，在梁底按照设计尺寸用开槽机进行开槽，经清理后，在槽中注入粘结材料，约槽高度的1／3，然后将清洁的CFRP板嵌入槽中，最后用粘结材料将槽填满，进行养护，最后进行试验。

图1 梁尺寸、钢筋布置及加载示意图

图2 内嵌碳纤维板示意图

表1 试件编号及加固方式

为对比外贴法加固梁和内嵌法加固梁性能的差异，试验中外贴法和内嵌法所用的碳纤维板总面积相等，碳纤维板的厚度为1.4mm，内嵌碳纤维板条宽度约为20 mm，每个槽中嵌入一条碳纤维板，外贴碳纤维板条宽度约为40mm（外贴碳纤维板为一片，贴于梁底中间部位）。碳纤维板力学性能指标见表2。

表2 碳纤维板力学性能

试验采用液压式压力试验机进行加载，采用分级加载，记录每级荷载下梁跨中及支座处位移，并用应变测量仪测量并记录跨中部位钢筋及碳纤维板应变。试验加载及测量装置见图3。

图3 试件加载及测量装置

2 试验结果及分析

2.1 抗弯承载力分析

各试件承载力试验结果见表3。

表3 试验梁加载试验结果

通过表3可以得出如下结论：采用外贴碳纤维板和内嵌碳纤维板加固钢筋混凝土梁均可提高梁的承载力，提高幅度在17.2%～37.4%；内嵌碳纤维加固梁承载力较外贴碳纤维板加固梁有不同程度提高，以环氧树脂为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁承载力较外贴碳纤维板加固梁承载力提高17.2%，以水泥砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁承载力较外贴碳纤维板加固梁承载力提高11.2%，以环氧砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁承载力较外贴碳纤维板加固梁承载力提高3.4%；以水泥砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁承载力约为以环氧树脂为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁承载力的95%。

2.2 试验梁荷载-挠度分析

各试件荷载-挠度曲线见图4。

图4 各试件荷载-挠度曲线

由图4可知，加固梁和未加固梁的荷载--挠度曲线都可以分为3个阶段，即混凝土开裂前阶段，裂缝稳定发展阶段和钢筋屈服后阶段。

观察混凝土开裂前阶段，加固梁的刚度与未加固梁基本相一致，加固梁的开裂荷载较未加固梁要稍高。这是由于在此阶段大体处于弹性阶段，加固材料起的作用有限。混凝土开裂后，试验梁截面刚度降低，荷载-挠度曲线出现转折，在相同的荷载下，加固梁的挠度较未加固梁略小，即加固梁的刚度较未加固梁有所增大，加固梁的屈服荷载较未加固梁有明显提高。钢筋屈服后，试验梁开始进入破坏阶段，荷载增长缓慢，跨中挠度迅速增加，加固梁和未加固梁均表现出较好的延性。在此阶段试验梁L2在承载力降低后又进一步增加，这是由于外贴碳纤维板发生剥离破坏，因而承载力降低，但由于碳纤维板端部锚固较好，碳纤维板未完全剥离，又重新发挥作用，因而承载力又进一步增加。

2.3 荷载--应变分析

在试验过程中记录了受拉钢筋和碳纤维板跨中应变值，各试验梁荷载--应变见图5。（由于L5应变片出现故障，此处未对L5进行分析。）

通过图5 可以看出，外贴碳纤维板加固梁L2在混凝土开裂前，钢筋的应变较其他梁稍小，在混凝土开裂后钢筋应变迅速增大，但相比其他梁中钢筋的应变要小很多，在达到屈服荷载后，碳纤维板应变迅速增大，最后碳纤维板发生剥离，导致碳纤维板应变迅速降低，试件破坏。内嵌碳纤维板加固梁，在整个受力阶段，在相同荷载下，钢筋应变比未加固梁要小，这是由于碳纤维板与钢筋共同承担拉力，在钢筋屈服后，碳纤维板应变迅速增加，在整个受理过程中，碳纤维板与钢筋混凝土梁共同受力性能较好。

2.4 裂缝形态分析

图5 各试件荷载-应变曲线

试验梁L1在出现裂缝后，随着荷载的加大，逐渐形成几条主裂缝，最终破坏时，梁上裂缝数量较小，各裂缝宽度较大。而内嵌碳纤维板加固梁和外贴碳纤维板加固梁，在裂缝出现后，随着荷载的加大，裂缝逐渐向梁上部延伸，与此同时不断有新的裂缝出现，在最终破坏时，裂缝分布较为均匀，各裂缝宽度较小（注：由于开槽对梁底混凝土产生影响，开槽后，在开槽部位梁侧混凝土产生均匀的微裂缝）。在试验过程中，记录试验梁在各级荷载下的最大裂缝宽度，见图6。通过图6可以看到，在相同荷载下试验梁L2、L3、L4、L5的最大裂缝宽度均比试验梁L1要小，这说明内嵌碳纤维板加固法和外贴碳纤维板加固法均可较好抑制裂缝发展。在相同荷载下，以环氧砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维版加固梁L5的最大裂缝宽度较外贴碳纤维板加固梁和以环氧树脂和水泥砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁的最大裂缝宽度要大，通过观察试验梁最终破坏状态，可以发现试验梁L5的主裂缝数量相对其它加固梁要少，裂缝宽度较大。

图6 各试件荷载-最大裂缝宽度曲线

3 结论

本文通过对采用不同粘结材料进行粘结的内嵌碳纤维板加固钢筋混凝土梁和外贴碳纤维板加固梁进行静力受弯试验，将试验结果与未加固梁进行对比，得出如下结论：

（1）在加固量相同的情况下，采用内嵌碳纤维加固的钢筋混凝土梁的承载力比外贴碳纤维板加固梁的承载力要高，内嵌碳纤维板加固梁的承载力较未加固梁提高约21%～37.4%，加固效果明显。

（2）以环氧树脂和水泥砂浆为粘结材料的内嵌碳纤维板加固梁，其承载力较外贴碳纤维板加固梁提高约11%～34%；以水泥砂浆为粘结材料的加固梁承载力约为以环氧树脂粘结材料的加固梁的95%，但水泥沙浆价格低，具有明显的经济优势。

（3）外贴碳纤维板加固钢筋混凝土梁容易产生碳纤维剥离破坏，采用内嵌碳纤维板加固法加固钢筋混凝土梁，可以有效地避免这种剥离破坏。

（4）内嵌碳纤维板加固梁和外贴碳纤维板加固梁均可较好地抑制裂缝的发展。

［1］ 梁金福，燕柳斌，赵君君，等.CFRP板条嵌入式加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究［J］.工业建筑，2009，39（2）：100－102，117.

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