内嵌式CFRP混凝土梁抗弯试验研究

黄 鹂，李荷美，付士峰，王金平

（1.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省建筑科学研究院，河北石家庄 050021；3.河北省电力建设第一工程公司，河北石家庄 050000）

近年来，利用碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced plastic，简称CFRP）来加固混凝土结构的方法越来越受到国内外的关注，其中外贴碳纤维布是混凝土结构加固中的常见方法［1］。除此之外，还有一种更为新颖的加固方法，那就是内嵌碳纤维板条加固［2－4］。内嵌碳纤维板条加固法是在被加固的构件上开槽，把碳纤维板条嵌入，通过胶凝材料的粘结使碳纤维板条参与构件受力［5－7］。与外贴法相比，嵌入式加固具有材料用量少、强度高、耐腐蚀等优点［8－10］。本文对5根混凝土试验梁进行了加载试验，对在不同开槽数量和不同加固条件下试验梁的承载力、裂缝形态、跨中荷载挠度曲线以及板条荷载应变曲线进行了比较分析。

1 试验概况

1.1 试件设计

共制作5根相同尺寸的矩形截面简支梁，编号为L1—L5，截面尺寸均为b×h＝150 mm×250 mm，梁总长2.1 m，净跨1.8 m。混凝土的设计强度等级均为C30，钢筋保护层厚度为25mm。试验梁受拉钢筋为2根14HRB335筋，受压钢筋为2根10HRB335筋，箍筋为φ8＠100的HPB300钢筋，剪跨区、纯弯段长度均为600 mm。试验梁的尺寸及配筋如图1所示，加固梁L2，L3 的截面如图2所示，加固梁L4，L5的截面如图3所示。

为分析在碳纤维板条用量相同的情况下，开槽数量不同对梁抗弯性能的影响，以及混凝土梁在无损伤加固与损伤加固的条件下对抗弯性能的影响，设计试验梁L1为未加固梁（即对比梁），L2，L3，L4与L5 为内嵌碳纤维板条加固梁，其中L2与L3开2个槽，碳纤维板条规格为宽20.19mm、厚1.4mm；L4 与L5 开3 个 槽，碳 纤 维 板 条 规 格为宽13.46 mm、厚1.4 mm。开槽尺寸均相同，10mm宽，20mm 深。以环氧树脂作为板条与槽的粘结材料，粘结长度相同，均为1 800 mm。加固条件为L2和L4无损伤直接加固，对L3 和L5先预加载到65%的极限荷载值（此极限荷载值由对比梁L1得到）并完全卸载后，再进行加固（即损伤加固梁）。图4为试验梁加载装置及测点布置图。

图1 试验梁的尺寸及配筋图Fig.1 Dimensions and reinforcing steel configurations of the test beams

图2 L2，L3截面图Fig.2 Cross－section of L2and L3

图3 L4，L5截面图Fig.3 Cross－section of L4and L5

图4 试验梁加载装置及测点布置图Fig.4 Loading device and measuring point arrangement of the test beams

1.2 试验梁材料性能

表1给出了所用钢筋的力学参数。混凝土的轴心抗压设计强度为14.3 MPa，弹性模量为30GPa。碳纤维板条的主要性能指标由厂家提供，抗拉强度为2 450MPa，弹性模量为170GPa，伸长率为1.72%。

1.3 试件制作

根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）的技术要求和内嵌加固的特点，试件按照一定的施工工艺将碳纤维板条嵌入梁槽内，图5为加固材料及试验梁示意图。具体施工程序是：1）按照设计标准制作试件；2）在梁底面开槽；3）清理槽内灰尘和残渣；4）将结构胶即环氧树脂按比例混合均匀；5）在槽表面刷一层环氧树脂，放入碳纤维板条后再向槽中注满环氧树脂；6）待环氧树脂固化后进行表面处理［11］。

表1 钢筋的力学性能指标Tab.1 Mechanical properties of steel bars

图5 加固材料及试验梁Fig.5 Reinforcement materials and the experimental beams

2 试验结果分析

2.1 试验梁承载力分析

试验梁承载力详见表2。

表2 试验梁承载力Tab.2 Bearing capacity of the test beams

从表2可看出，采用碳纤维板加固的加固梁L2，L3，L4，L5，屈服荷载和极限荷载均高于未加固的对比梁L1，其中极限荷载较屈服荷载提高较明显。损伤程度为65%的加固梁极限荷载提高幅度均略大于无损伤加固梁，二开槽加固梁的极限荷载提高幅度均高于三开槽加固梁。

从试验结果可以得到：采用嵌入式加固以后，各梁的承载力均有所提高，对于无损伤直接加固梁的L2和L4，在加载初期由于嵌入梁底混凝土内的碳纤维板条的影响，抑制了混凝土变形的发展，推迟了混凝土的开裂［12］，混凝土开裂以后，原梁底混凝土所受拉力由钢筋和碳纤维板条共同承担，碳纤维板条在钢筋屈服以后发挥了很大的作用。对于损伤加固的L3和L5，在加固前已存在裂缝，加载初始阶段碳纤维板条即参与工作，与钢筋一起承担荷载，当钢筋退出工作以后，荷载全部转移至碳纤维板条上，由板条继续承担荷载直至梁破坏，其极限荷载提高程度略高于无损伤加固梁。

2.2 试验梁裂缝分析

试验梁破坏后裂缝形态见图6。

图6 试验梁裂缝Fig.6 Cracks of the experimental beams

在对比梁L1 的加载过程中可以观察到，随着荷载的增加，当钢筋达到屈服以后，混凝土被压碎，呈现典型的弯曲破坏，主裂缝宽度均较大，主要分布于纯弯段处。在L2，L3，L4，L5的加载过程中可以观察到，加固梁的裂缝延伸较对比梁缓慢，裂缝的分布与对比梁相比更为均匀，纯弯区段主裂缝的分枝少，裂缝宽度较对比梁要小［13］，其中L3的纯弯段裂缝数量较对比梁少，其他加固梁的纯弯区主裂缝数量与对比梁相同或多于对比梁。

2.3 试验梁荷载－挠度曲线分析

图7为试验梁荷载－挠度曲线。

从图7a）可看出：对于二开槽加固梁，在初始加载阶段，挠度曲线基本重合，加固条件对混凝土梁的挠度无明显影响［14］，但是随着荷载的增加，对于加固条件不同的梁，挠度也有差别。在相同荷载条件下，未加固梁L1 的挠度最大，无损伤加固梁L2的挠度次之，有损伤加固梁L3 的挠度最小。这是由于L2 和L3 的碳纤维板条在梁刚开始受力时就对原始裂缝的开展有控制作用，致使其挠度小于梁L1；当荷载达到最大值时，加固梁的挠度均明显大于对比梁的挠度，说明加固梁的碳纤维板条起到了抑制裂缝发展的作用［15］，使梁的抗弯刚度得到提高。

从图7b）可看出：对于三开槽加固梁，其挠度发展趋势和特征与二开槽加固梁相似。

图7 荷载－跨中挠度曲线Fig.7 Load－deflection curves of the beams

2.4 试验梁板条荷载－应变分析

图8为梁中板条的荷载－应变曲线。

由图8a）可看出：对于二开槽加固梁在加载初期，同一荷载作用下L3的板条应变略大于L2，这是因为L2在加载初始阶段混凝土未开裂，板条参与承担荷载的作用需要在混凝土开裂以后，而L3 在加固前由于加载混凝土已经开裂，板条在初始加载时即参与承担荷载，随着荷载的增加，L3的板条应变小于梁L2。当钢筋屈服之后，碳纤维板条应变曲线出现较大转折，应变迅速增大，曲线水平倾斜向上，此时荷载主要由碳纤维板条承担。

图8 荷载－应变曲线Fig.8 Load－strain curves of the beams

由图8b）可看出：对于三开槽加固梁，其碳纤维板条荷载－应变曲线的形状与二开槽加固梁相似，但是在同一荷载条件下，加固梁L4与L5的板条应变差别较小，这说明，二开槽加固梁加固条件的不同对碳纤维板条的应变有一定影响，但三开槽加固梁加固条件的不同对碳纤维板条的应变影响不大。

3 结 论

1）采用内嵌式碳纤维板加固的梁，屈服荷载和极限荷载均高于未加固梁，其中极限荷载提高幅度大于屈服荷载。本试验中，二开槽加固梁的极限承载力提高幅度为34.9%和39.5%，三开槽加固梁的极限承载力提高幅度为15.3%和22.8%，同时表明，在碳纤维板条加固量相同的条件下，二开槽加固梁的承载力提高幅度要高于三开槽加固梁。

2）对于二开槽加固梁，损伤程度为65%的加固梁极限荷载要略高于无损伤的加固梁；对于三开槽加固梁，情况也大致相同，这表明损伤加固梁的极限承载力要略高于无损伤加固梁。

3）加固梁的裂缝发展情况与对比梁的裂缝发展情况相比具有裂缝延伸缓慢、宽度小、分布更为均匀的特点，能够较好地抑制混凝土梁裂缝的发展。

4）二开槽加固梁在直接加固与损伤加固的情况下碳纤维板条的应变差距较为明显，而对三开槽加固梁则不太明显。

／References：

［1］ 吴以莉，姚 谏，朱晓旭.内嵌CFRP加固混凝土梁粘结性能试验分析［J］.建筑技术，2010，41（5）：454－456.WU Yili，YAO Jian，ZHU Xiaoxu.Analysis on bonding performance test of mounted CFRP strengthened concrete beam［J］.Architecture Technology，2010，41（5）：454－456.

［2］ 梁金福，燕柳斌，赵君君.碳纤维板条嵌入式加固钢筋混凝土梁试验研究［J］.混凝土，2009（1）：46－49.LIANG Jinfu，YAN Liubin，ZHAO Junjun.Experimental study on RC beams strengthened with near－surface mounted CFRP plate［J］.Concrete，2009（1）：46－49.

［3］ 贺学军，周朝阳，徐 玲.内嵌CFRP板条加固混凝土梁的抗弯性能试验研究［J］.土木工程学报，2008，41（12）：14－20.HE Xuejun，ZHOU Chaoyang，XU Ling.Experimental study on the flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with near－surface mounted CFRP laminates［J］.China Civil Engineering Journal，2008，41（12）：14－20.

［4］ 曾宪桃，成香莉，高保彬.内嵌碳纤维增强塑料板条抗弯加固混凝土梁试验研究［J］.工程力学，2008，25（12）：106－113.ZENG Xiantao，CHENG Xiangli，GAO Baobin.Experimental study on flexural characteristics of RC beams strengthened with near－surface mountde CFRP laminates［J］.Engineering Mechanics，2008，25（12）：106－113.

［5］ 成香莉，任振华，徐 平，等.内嵌碳纤维增强塑料板条混凝土梁斜截面承载力计算［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2008，27（2）：228－233.CHENG Xiangli，REN Zhenhua，XU Ping，et al.The loadingbearing capacity calculation of oblique section in concrete beams strengthened with near－surface mounted CFRP laminates［J］.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2008，27（2）：228－233.

［6］ 周朝阳，向传家，贺学军.内嵌FRP 加固钢筋混凝土梁的受弯承载力分析［J］.建筑结构，2006，36（12）：19－21.ZHOU Chaoyang，XIANG Chuanjia，HE Xuejun.Prediction of flexural capacities for RC beams strengthened with NSM FRP reinforcement［J］.Building Structures，2006，36（12）：19－21.

［7］ 赵君君.碳纤维板嵌入式加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究［D］.南宁：广西大学，2007.ZHAO Junjun.Experimental Study on Bending Performance of RC Beams Strengthened with Near－surface Mounted CFRP Sheets［D］.Nanning：Guangxi University，2007.

［8］ 董蛟震，梁玉国，魏志涛.内嵌碳纤维板条加固混凝土梁抗弯性能试验研究［J］.河北工业科技，2013，30（6）：441－444.DONG Jiaozhen，LIANG Yuguo，WEI Zhitao.Experimental study on the flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with NSM CFRP laminates［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2013，30（6）：441－444.

［9］ 唐忠亮，陆洲导，余江滔，等.CFRP 嵌条长度对加固RC 梁抗弯性能影响的分析［J］.结构工程师，2012，28（5）：154－158.TANG Zhongliang，LU Zhoudao，YU Jiangtao，et al.Analysis of influence of CFRP embeded length on bending performance of RC beams strengthened with near surface mounted CFRP strips［J］.Structural Engineers，2012，28（5）：154－158.

［10］ 周 戟，赵少伟，孙吉书.碳纤维布加固已损伤混凝土梁抗弯刚度研究［J］.河北工业大学学报，2010，39（3）：116－118.ZHOU Ji，ZHAO Shaowei，SUN Jishu.Study of bending stiffness on damage concrete beam strengthened by CFRP［J］.Journal of Hebei University of Technology，2010，39（3）：116－118.

［11］ 丁亚红，曾宪桃，王兴国.内嵌CFRP板条加固混凝土梁试验研究［J］.工业建筑，2006，36（7）：89－91.DING Yahong，ZENG Xiantao，WANG Xingguo.The experimental study of concrete beams strengthened with near－surface mounted CFRP［J］.Industrial Construction，2006，36（7）：89－91.

［12］ 焦宇晖.碳纤维板加固混凝土梁受弯性能试验研究［D］.重庆：重庆大学，2007.JIAO Yuhui.Experimental Research on Flexural Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened with CFRP Board［D］.Chongqing：Chongqing University，2007.

［13］ 宋丽娟，梁玉国，张学士.不同内嵌材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究［J］.河北工业科技，2014，31（1）：57－61.SONG Lijuan，LIANG Yuguo，ZHANG Xueshi.Experimental investigation of flexural behavior of the RC beams strengthened with different near－surface mounted materials［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2014，31（1）：57－61.

［14］ 孙平平，申士军，叶 良.内嵌FRP板钢筋混凝土梁试验研究［J］.四川建筑科学研究，2013，39（3）：86－88.SUN Pingping，SHEN Shijun，YE Liang.Experimental study on the reinforced concrete beams strengthened with near－surface mounted FRP laminates［J］.Sichuan Building Science，2013，39（3）：86－88.

［15］ 梁金福，燕柳斌，赵君君，等.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.LIANG Jinfu，YAN Liubin，ZHAO Junjun，et al.Experimental study of bending performance of RC beams strengthened with near－surface mounted CFRP plate［J］.Industrial Construction，2009，39（2）：100－102.