碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验

陈强　刘灵勇　周先雁

摘要：针对损伤严重钢筋混凝土梁进行环氧树脂修复与碳纤维布加固，加固之后进行力学性能试验，试验结果表明，三根损伤严重破坏的钢筋混凝土梁加固修复处理后，梁的荷载挠度曲线及荷载应力曲线呈现线性，极限承载能力提高达50%左右，结构延性略有下降，结构破坏形态类似受弯构件正截面破坏。试验证明，采用的碳纤维布加固和环氧树脂修复已破坏的钢筋混凝土构件的方法是行之有效的，可为实际工程加固设计提供理论和实际参考。

关键词：碳纤维布；钢筋混凝土梁；加固；试验

中图分类号：S 7；TU 375文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0112-06

Mechanical Performance Test of Reinforced Concrete

Beam with Carbon Fiber Cloth

Chen Qiang1，2，Liu Lingyong1，Zhou Xianyan2

（1.College of Civil Engineering，Hunan City University，Yiyang 413000，Hunan Province；2.College of Civil

Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004）

Abstract：Mechanical performance test on reinforced concrete beams with carbon fiber cloth and epoxy resin were done in this paper.The test beams had seriously structural damage before reinforcement.The test results showed that after reinforcement the loaddeflection curve and loadstress curve of test beams were basically linear，and the ultimate bearing capacity of the beams increased by almost 50%.The structural ductility declined slightly and the breaking form was similar to the failure in normal cross section.The test results indicated that the method of reinforcing concrete component with carbon fiber cloth and epoxy resin was effective，which can provide references for reinforcing design of a real project.

Keywords： carbon fiber cloth；reinforced concrete beam；reinforcement；test

收稿日期：2014-09-28

基金項目：湖南省科技厅科技计划项目（2012GK3066）

第一作者简介：陈强，博士研究生，副教授。研究方向：桥梁结构理论分析。Email：846039016@qq.com

引文格式：陈强，刘灵勇，周先雁.碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验[J].森林工程，2015，31（1）：112-117.混凝土结构在使用期间会受到不同程度的破坏损伤，对建筑物结构产生安全隐患。因此，对已受损的钢筋混凝土结构进行补强与加固已经成为建筑业的一个新的热点[1-2]。目前，关于建筑结构的加固方法较多，本实验以环氧树脂修复与碳纤维布的加固应用为例。他们是在混凝土表面粘贴碳纤维布，使得混凝土结构和碳纤维布整体受力，提高原来结构的抗弯或抗剪能力。相对其他加固方法，此法能明显提高强度，质量很轻且耐腐蚀，施工操作极为方便且对原来结构影响小，应用前景大[3-6]。

1试验介绍

1.1试件准备

原始试件为2片普通钢筋混凝土简支梁，梁长2 200 mm，截面尺寸及配筋如图1所示，受力主筋为HRB335钢筋，其余都为R235钢筋，C25混凝土。

加固前2根钢筋混凝土梁已经发生适筋破坏（梁的下部出现裂缝，受拉钢筋达到屈服，同时受压区混凝土被压碎），此时试验梁已经不能再继续承受荷载。加固前2根梁破坏形态及裂缝分布如图2和图3所示。

1.2试验梁加固与修复

1.2.1碳纤维布加固技术原理简介

对试验梁进行加固时，用环氧树脂沿受拉方向或垂直于裂缝方向将用环氧树脂预浸过的碳纤维复合增强片材粘贴在需要补强的构件上[7]。当构件受荷载作用时，裂缝将受到碳纤维片的影响而难以扩展，从而达到提高结构的刚度、强度、延性和抗裂性的目的[8-9]。

图1钢筋混凝土简支梁几何尺寸及配筋图

Fig.1 Geometry size of ferroconcrete simply supported beam and reinforcement figure

图2普通钢筋混凝土梁破坏时裂缝分布情况

Fig.2 Ordinary reinforced concrete beam fracture distribution图3已发生破坏的普通钢筋混凝土梁

Fig.3 The damage of ordinary reinforced concrete beam

第1期陈强等：碳纤维布加固钢筋混凝土梁的力学性能试验

森林工程第31卷

1.2.2加固材料与性能

两根试验梁梁体底面和两侧均采用环氧树脂胶黏剂粘贴碳纤维（CFRP）布进行加固，共3层，采用环氧树脂灌注修补混凝土的裂缝。碳纤维布及其胶黏剂的各项指标见表1、表2和表3。

表1碳纤维布复合材料的安全性及适配性合格指标

Tab.1 The suitability and safety of carbon fiber

cloth composites qualified indicators

性能項目单位性能指标设计厚度mm0.167，且带30g·m-2纤维贴面抗拉强度标准值MPa≥3 000受拉弹性模量EMPa≥210 000伸长率%≥1.50弯曲强度MPa≥600层间剪切强度MPa≥35仰贴条件下纤维复合材

与混凝土正拉粘结强度MPa≥2.5，且为混凝土内聚破坏

表2碳纤维布胶粘剂的安全性及适配性合格指标

Tab.2 The suitability and safety of carbon

fiber cloth adhesive qualified indicators性能项目试验方法标准单位性能指标密度g·cm-2<1.2粘度（25℃）GB/T12007.4MPa·s<3 300抗拉强度受拉弹性模量伸长率GB/T2568MPa≥40MPa≥3 000%≥1.5抗弯强度GB/T2570MPa≥50抗压强度GB/T2569MPa≥70钢—钢拉伸抗

剪切强度标准值GB/T7124MPa≥14钢—钢不均

匀扯离强度GJB94kN/m≥20与混凝土的

正拉粘结强度GB/50367

附录FMPa≥2.5，

且为混凝土

内聚破坏不挥发物含量

（固体含量）GB/T2793%≥99表3粘贴碳纤维布底胶的主要性能指标

Tab.3 Main performance index of carbon fiber cloth glue

性能项目试验方法标准单位性能指标钢—钢拉伸抗剪切

强度标准值GB/T7124MPa≥14与混凝土的正

拉粘结强度GB/50367

附录FMPa≥2.5，且为混

凝土内聚破坏不挥发物含量

（固体含量）GB/T2793%≥99混合后初粘度

（23℃）GB/T12007.4MPas≤6 000

修补胶的性能要求，与混凝土的正拉粘结强度≥2.5，且为混凝土内聚破坏。

1.2.3结构修复与碳纤维布加固工艺步骤

根据规范要求，碳纤维布加固施工的一般步骤如下：施工准备工作—混凝土构件表面处理—配制并涂刷树脂结构胶—破损混凝土修复处理，结构恢复处理（如图4所示）—涂刷树脂—粘贴碳纤维布（如图5所示）—表面防护—碳纤维布表面处理。

2试验

2.1试验加载方案

（1）加载设备。试验采用三分点加载，由20 t级油压千斤顶及分配梁实现，试验加载装置如图6所示。

（2）测量仪器。百分表及表架、静态电阻应变仪及电阻应变片、测力显示器及力传感器、裂缝测宽仪、钢卷尺及其他常用工具等。

（3）测点布置。跨中纯弯矩段混凝土表面电阻应变片8个，挠度测点5个，如图6所示。

图4结构恢复处理

Fig.4 Structure recovery processing图5黏贴碳纤维增强复合材料布（CFRP）

Fig.5 Stick carbon fiber cloth composites

图6试验加载装置和测点布置图（mm）

Fig.6 Loading device and measuring point arrangement（mm）

2.2试验步骤

测试主要内容为各级荷载下的挠度、应变及其分布规律和裂缝开展情况等。

试验前，根据实际所用材料的力学性能及梁体截面实测几何尺寸，计算得出梁的开裂计算荷载Pcr（Pcr=2.88kN）和计算极限荷载Pu（Pu=45.45kN），作为加载时的控制荷载。

用肉眼观察试件裂缝的产生及发展情况，接近破坏时，注意观察他的破坏特征并确定出极限破坏值。

（1）试验加载装置如图6所示，首先架设加载装置，然后将应变片贴在图6中的测点布置位置，用AB胶加固应变片；接着安装百分表并用10 m长的铜导线将应变片连接在应变仪上；最后检查有无初始干缩裂缝等。

（2）预加载，预加载荷载值必须小于构件的开裂荷载值，此时构件不能产生塑性变形，加载过程中观测百分表及应变仪的读数，观察仪表是否工作正常并及时排除故障，然后卸载到零。

（3）正式试验，荷载应分级进行加载。首先读取仪表初始读数或调零，然后分级加载至计算开裂荷载Pcr，每级加载结束都要记录好百分表和应变仪的读数，观察并记录裂缝的产生或开展情况，但荷载加至开裂荷载仍未开裂，继续分级增加荷载，直到产生裂缝，记录实际开裂荷载值Pocr，分配梁及梁体的自重之和作为第一级荷载值，每级荷载持荷五分钟后读数并记录。

（4）试验梁开裂后分级加载至计算破坏荷载Pu。但荷载加至计算破坏荷载仍未产生破坏，继续分级增加荷载，当受压混凝土压碎，构件达到破坏状态，记录实际破坏荷载值Pu，加载过程中，仔细观察并记录试件的破坏特征。

3试验成果及分析

3.1加固前后试验梁的三分点荷载与挠度变化

加固前后试验梁的L/4、跨中及3L/4挠度的关系曲线（P-f）如图7和图8所示。

图71#梁荷载位移曲线

Fig.7 Load displacement curve of 1# beam

图82#梁荷载位移曲线

Fig.8 Load displacement curve of 2# beam

3.2加固前后试验梁的荷载与跨中挠度

加固前后，试验梁的荷载与跨中挠度的关系曲线（P-f1/2）如图9和图10所示。

图91#梁加固前后跨中荷载位移对比曲线

Fig.9 1 # beam midspan loaddisplacement

contrast curve before and after the reinforcement图102#梁加固前后跨中荷载位移对比曲线

Fig.10 2 # beam midspan loaddisplacement

contrast curve before and after the reinforcement

3.3加固前后荷载与跨中底部应力（Pσ1/2）

加固前后，试验荷载与跨中底部应力的关系曲线（Pσ1/2）如图11和图12所示。加固后试验梁的破坏形态如图13所示。

图111#梁加固前后跨中底部应变位移对比曲线

Fig.11 1 # beam midspan straindisplacement

contrast curve before and after the reinforcement图122#梁加固前后跨中底部应变位移对比曲线

Fig.12 2 # beam midspan straindisplacement

contrast curve before and after the reinforcement

3.5加固前后试验梁的实验结果分析

由图7和图8可以得到，1#和2#试验梁加固前，当梁达到极限荷载时，位移逐渐增大，且增大比例明显大于加固后的结果。

从图9和图10可得出，试验梁加固前跨中位移随着荷载的增加，位移逐渐增大，在一定范围内时，荷载P与跨中挠度f1/2呈线性关系，超过某一界限后，随着荷载的增加，位移迅速增加直至试验梁破坏。而试验梁加固后的P-f1/2关系曲线基本呈线性关系，没有明显屈服点在同级荷载作用下，加固前梁的位移明显大于加固后梁的位移。

由图11和图12可以看出，试验梁加固前跨中底部应力随着荷载的增加，位移逐渐增大，在一定范围内时，荷载P与跨中底部应力σ1/2呈线性关系，超过某一界限后，随着荷载的增加，位移迅速增加直至试验梁破坏。而试验梁加固后的P-σ1/2关系曲线基本呈现线性关系。

从实验结果得到，加固后1#梁的极限荷载Pu=62.49 kN远远大于加固前梁的极限荷载Pu=40.45 kN，提高幅度达54.5%；1#梁加固前，对应极限荷载，跨中最大位移35.71 mm，明显大于加固后的跨中挠度16.83 mm。2#梁加固后，极限荷载Pu=58.36 kN远远大于加固前梁的极限荷载Pu=40.0 kN，提高幅度达45.9%；2#梁加固前对应极限荷载跨中最大位移40.12 mm，明显大于加固后的跨中挠度16.86 mm。实验证明碳纤维布加固方法能够有效提高混凝土梁的承载能力和刚度。

图13加固后梁的破坏形态

Fig.13 The damage form of beam after reinforcement

4结论

根据钢筋混凝土梁破坏试验和已破坏的钢筋混凝土用环氧树脂修复与碳纤维布加固后的破坏试验二者所得出的试验结果进行对比分析，可得出以下结论：

（1）环氧树脂修复压碎混凝土和碳纤维布外贴加固已破坏的钢筋混凝土结构，受力性能比原结构的受力性能都高，实验梁加固后极限承载能力提高50%左右，碳纤维布取代受拉钢筋承受荷载作用，恢复且提高了结构的承载能力。

（2）外贴碳纤维布在受力过程中能够有效地抑制裂缝的扩展，使原有结构的整体性得到了保证，混凝土结构刚度衰减得到了延缓，原有梁的结构刚度得到了提高。

（3）碳纤维布加固钢筋混凝土梁的重复利用，即节能又环保，施工工期短，且成本低廉，加固后结构外形美观，能很好的融入环境，值得大面积推广应用。

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[责任编辑：肖生苓]

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[责任编辑：刘美爽]