预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁试验研究

郭 蓉，吴二朋，张宝虎，宋 昌，赵少伟

（1．河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2．河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3．天津公路工程总公司，天津 300201）

预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁试验研究

郭 蓉1,2，吴二朋1,3，张宝虎3，宋 昌1,3，赵少伟1,2

（1．河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2．河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3．天津公路工程总公司，天津 300201）

通过研制的一套张拉锚固设备对碳纤维板施加预应力后加固试验梁对其进行抗弯静载试验．试验表明未施加预应力CFRP板梁开裂荷载没有影响，而预应力CFRP板加固梁的开裂荷载有明显提高，可以延缓梁的开裂；所有加固梁的屈服荷载、极限荷载都有所提高，同时增加了构件的刚度；试验时粘贴CFRP板加固梁超过了CFRP板极限抗拉强度的25%，而预应力CFRP板加固梁接近粘贴CFRP板的二倍，充分发挥了材料的强度；试验所用的锚具在梁加载过程中没有出现滑移，锚固效果良好．

碳纤维板；张拉设备；预应力；加固；抗弯试验

目前，传统的外部粘贴碳纤维板加固法由于其施工操作简单、加固效果显著受到工程加固界的青睐，但随着材料的深入研究与普遍应用，发现这种传统加固方法材料浪费极大[1-2]．CFRP板与钢筋弹性模量相差不大，而抗拉强度却比钢筋高许多，导致CFRP不能充分发挥自身强度[3-4，10]．Garden[5]通过实验证明CFRP板施加的最低预应力水平至少是其极限抗拉强的25%才能收到CFRP板良好的预应力加固效果，提高构件的承载力．Garden与Hollaway[6-7]等人对2种尺寸的试件进行了预应力CFRP板加固的抗弯性能研究．指出CFRP板施加预应力不仅增大了混凝土受压区的高度，提高混凝土利用率，而且增大了构件刚度，提高CFRP板利用率，从而提高构件的承载力．Quantrill与Holaway[8]等人通过对CFRP板施加预应力证明了预应力损失主要来自CFRP板放张后混凝土弹性收缩．彭晖、尚守平[9]等人在自主研发的锚固设备的基础上对8根试验梁进行外部粘贴预应力CFRP板抗弯试验研究．结果表明：对加固试验梁的CFRP板进行张拉可以提高构件的开裂荷载和屈服荷载，改善构件的变形，提高CFRP板材料的利用效率．本文自主研制出一套预应力CFRP板张拉锚固装置，通过对不加固梁、非预应力CFRP板加固梁和预应力CFRP板加固梁的静载抗弯试验，分析了对承载能力、刚度、裂缝开展情况、CFRP板的利用率等性能指标．研究成果有助于推进此种加固方法在梁板构件加固工程的应用．

1 试验概述

1.1 试件设计

本试验设计了3根矩形截面试验梁，混凝土抗压强度等级为C50．梁底主筋采用3C25，架立筋采用2B12，箍筋采用A10，通长布置．梁的尺寸及具体配筋图见图1，试验梁编号加固情况见表1．

图1 试验梁的尺寸和配筋示意图（单位：mm）Fig.1 The size of the test beam and reinforcement of schematic diagram

表1 试验梁加固情况Tab.1 Test beam number and reinforcement

1.2 张拉锚固装置的设计

目前国内对CFRP板施加预应力的张拉装置研究较少，并且配套设施和技术不成熟．它们大多具有装置自重较大、施工工序繁琐、操作受条件限制、理想应力难以控制、加固效果存在缺陷等缺点．为了实现预应力CFRP板的安全张拉，锚具作为传力和锚固装置，可靠的锚固、充足的刚度和承载能力是其必备条件．本试验所用的锚具是在以往锚具的基础上进行了改进而产生的铰式粘结咬合锚，设计原理是螺栓锚固、胶体粘结外加机械咬合，主要包括上齿板和下齿板两部分．为了克服摩擦力不足产生的滑移问题，把两块钢板做成像牙齿一样的咬合状，并注入胶体，增大了它们之间的摩擦力．为了克服在张拉过程中出现偏拉的问题，把固定端提供反力的反力块做成凹状，锚固板一端做成凸状，弧度稍小于反力块，避免了现场设备安装误差产生CFRP板偏心受拉而造成预应力损失或被拉断．在总结前人研究经验的基础上，尽量克服施工过程的不利因素，结合波形粘结的锚固方式，经反复尝试最终研制出了一套可拆卸、安装便捷、加固效果理想的张拉装置，如图2所示．张拉装置整体可分为张拉单元和夹具单元．张拉单元由液压缸支架、挂环和锚固板组成．夹具单元由滑槽和夹具构成．张拉设备照片见图3．

1.3 材料性能

试验所用碳纤维板规格：厚度1.2mm，宽度55mm，抗拉强度标准值2 424MPa，受拉弹性模量1.69 ×105MPa，伸长率1.71%，等级为高强度1级．

1.4 测点布置及加载方案

为了分析构件的受力性能及钢筋、CFRP板和混凝土的协同关系，本试验在钢筋、混凝土和CFRP板粘贴了电阻应变片，钢筋应变片的规格为5mm×3mm，混凝土应变片的规格为100mm×5mm．钢筋的测点布置见图4．混凝土的测点布置见图5．碳纤维板测点布置应变测点布置图见图6．

图2 张拉装置整体设计图Fig.2 The overall blueprint of Tensioning device

图3 张拉设备实物图Fig.3 Tensioning device object graph

图4 钢筋测点（单位：mm）Fig.4 Steel arrangement of measuring points

图5 混凝土测点布置（单位：mm）Fig.5 Concrete arrangement of measuring points

图6 碳纤维板测点布置（单位：mm）Fig.6 CFRB arrangement of measuring points

试验通过手动式液压千斤顶采用分级加载的加载方案，试验开始前，先进行预加载一两级，检验百分表安装是否稳定和试验仪器能否正常工作．等仪器检查完成准确无误后进行卸载，静置15 m in后进行正式加载．正式加载时，加载制度为：小于70%试算开裂荷载时采用10 kN/级进行加载，大于70%试算开裂荷载后然后改为5 kN/级进行加载．截面开裂后小于70%试算屈服荷载时采用20 kN/级进行加载，然后改为10 kN/级加载直至试件受拉钢筋屈服．屈服后改为变形控制，1mm/级加载直至试件破坏．每级荷载加载完毕后持荷5m in，观察裂缝发展情况和构件挠度的变化．另外，为了测量试验加载过程中梁体变形情况，在梁的支座跨中、支座截面以及三分点分别布置百分表，来测量试件的跨中最大变形，支座沉降和加载点变形．装置详图如图7所示．加载现场如图8．

图7 加载示意（单位：mm）Fig.7 Loading diagram

图8 加载现场Fig.8 Loading live-action

2 试验现象及结果分析

2.1 试验现象分析

试验所采用配筋率为0.8%的适筋梁，把对比梁B0进行静力抗弯荷载试验，其试验现象与标准的钢筋混凝土受弯构件相吻合．当荷载施加到76 kN时，在试验梁跨中纯弯段梁底出现第一条竖向裂缝，当荷载在330 kN摆动时，梁B0底主筋裂缝达到1.5mm，挠度增大到23.69mm，宣告试验梁破坏．当荷载加到75 kN时，在梁B1底跨中纯弯段出现第1条竖向裂缝，当荷载增加到355 kN时，梁底CFRP板出现“啪啪”的响声，在梁底CFRP板出现轻微剥离，见图9．试验梁B2在荷载施加到90 kN时，在跨中梁底纯弯段出现竖向裂缝，此时梁的挠度变形为2.04mm；荷载继续增大的同时，在弯剪区开始出现斜裂缝，当荷载增加到376 kN时，此时梁底CFRP板出现刺耳的“啪啪”响声，在梁底结构胶也出现轻微开裂，见图10．试验结束时，从B1、B2梁碳板的剥离情况来看，碳板预应力的施加有助于缓解碳板的剥离．

图9 B1碳板剥离Fig.9 Carbon plate stripping

图10 B2结构胶开裂Fig.10 Structural plastic cracking

2.1 试验梁承载性能分析

各试验梁承载性能分析如表2所示．

从表2可以看出与对比梁B0的开裂荷载相比，梁B1的开裂荷载几乎没有发生变化，而梁B2的开裂荷载提高至118%．说明施加预应力CFRP板加固的梁在提高抗弯构件的抗裂性能方面有一定的作用．对于屈服荷载和极限荷载而言，梁B1分别提高至109%和108%，梁B2提高至117%和114%．说明粘贴CFRP板和施加预应力CFRP板加固的梁承载能力有所提高，施加预应力加固效果更加明显．与梁B1相比，梁B2开裂荷载提高值与屈服荷载提高值很接近，这是因为试件底部混凝土开裂至钢筋屈服的过程中，钢筋应变增长值一定，根据应变协调，碳纤维板应变增长也为定值，梁B1与梁B2的钢筋应变增长与碳纤维板应变增长相同，因此荷载值增长也会接近，所以这一结果是合理的．

2.2 裂缝分析

由表3可以看出试件破坏时，B1、B2梁的裂缝条数与B0梁相比依次增多，而裂缝范围同样比B0梁分布广，但B1、B2梁裂缝分布范围相差不大，B0、B1、B2梁的裂缝平均间距依次减小．经过分析可知对试验梁粘贴CFRP板或粘贴施加预应力的CFRP板，增大了裂缝的分布范围，避免了局部大裂缝的出现，从而避免了梁因局部产生过大的变形而脆性破坏．因此，CFRP板加固后的梁在提高承载力的同时，增加了裂缝的数量，减小了裂缝宽度，提高了构件的耐久性，满足了构件正常的使用要求，并且预应力CFRP板加固梁效果更明显．钢筋屈服即梁B0、B1、B2分别荷载达到308 kN、335 kN、359 kN后，梁的荷载增加相对缓慢，裂缝宽度迅速增长，CFRP板由此发挥的作用增强，限制相同荷载作用下裂缝的延展．

表2 试验梁承载性能Tab.2 Test beam bearing capacity

2.3 刚度分析

图11为各梁的跨中弯矩-挠度曲线，从中可以分析出，开裂前3个试件变形曲线基本重合，初始刚度大致相同；在跨中弯矩达到91.2 kN m，对比梁B0开裂荷载，与其相比，B1、B2两根加固梁的抗变形能力都有所提高，B1梁的刚度提高14.3%，B2梁的刚度提高27.6%，说明CFRP板随着混凝土开裂，梁体变形加大，CFRP板的增强作用逐渐发挥出来，特别是施加预应力的CFRP板的增强作用更加明显；跨中弯矩达到369.6 kN m，也即对比梁B0的屈服荷载后，钢筋应力不再增长，增加的荷载转为CFRP板承担，所以对比梁 B0的承载能力不再增加，加固梁 B1、B2的承载力还继续增长，各试件屈服荷载后的平均刚度分别为0.26 kN m/mm、2.64 kN m/mm、3.35 kN m/mm，相比对比梁B0，B1、B2的刚度均有大幅度提高，施加预应力后的CFRP板在钢筋屈服后的增强作用更加显著，有效地限制裂缝的开展，具有良好的变形性能．B0的刚度出现负数是因为试件以跨中最大裂缝达到 1.5mm为破坏标志，试件破坏荷载小于试件屈服荷载．

表3 试验梁裂缝开展范围表Tab.3 Test beam crack propagation

图11 荷载—挠度曲线Fig.11 Load-deflection curve

2.4 CFRP板和钢筋协同性分析

试验梁跨中钢筋、CFRP板荷载-应变曲线如图12所示．开裂前，B1、B2梁的钢筋和CFRP板的应变增长值几乎相同，开裂之后，由于B2梁CFRP板施加了预应力，使得CFRP板的应变增加量大于同等荷载作用下的钢筋的增加量；由于CFRP板发挥强度需要一定的变形，此时梁的变形不大，所以B1梁在同等荷载作用下CFRP板的应变增长值比钢筋的应变增长值小，随着梁变形的增加，CFRP板承受的拉力越来越大，应变值越来越大．在钢筋屈服后，B1和B2梁CFRP板应变增长值相比钢筋大得多，远远大于钢筋应变．

2.5 CFRP板强度利用效率分析

CFRP板是高强性能材料，具有很高的抗拉强度．在利用CFRP板进行结构加固时，CFRP板自身发挥的强度即是否被充分利用是值得大家关注的一个问题．为了解决这个问题，表5列出了CFRP板的强度利用效率．

由上述结果可以看出施加预应力的CFRP板的应变值比粘贴的CFRP板在加载过程中的各个阶段都大．梁破坏时，B1梁的CFRP板应变增长了4 122，大约为CFRP板极限抗拉强度的28.7%，B2梁的应变增长了457 9，总应变占CFRP板极限抗拉强度的56.9%．经分析表明，无论是在开裂荷载、屈服荷载或极限荷载，预应力加固后的构件的CFRP板的使用效率均大于不加预应力加固构件的CFRP板，使CFRP板材料高强性能充分发挥．

表5 CFRP板的强度利用效率Tab.5 The utilization rate of the CFRP plate

图13 跨中钢筋与CFRP板的荷载-应变曲线Fig.13 Span reinforced with CFRP plate load-strain curves

3 结论

1）本试验所用的锚具在张拉过程中没有出现滑移，锚固效果良好．

2）预应力加固后的梁对构件抗裂性能提高明显而粘贴CFRP板加固后的梁对构件的抗裂性能影响不大；CFRP板加固后对构件的屈服荷载和极限荷载产生极为有利的影响并且大大提高了CFRP板的利用效率，预应力加固梁影响幅度更明显．

3）从粘贴CFRP板加固到施加预应力加固相对于对比梁裂缝发展缓慢，裂缝分布范围广且细密．粘贴碳纤维板对梁的刚度有所提高，预应力加固的梁提高幅度更大，此效果在开裂后更为明显．钢筋和CFRP板受力协同性良好．

[1]彭晖．预应力碳纤维片材加固钢筋混凝土受弯构件的性能研究[D]．长沙：湖南大学，2006．

[2]赵彤，谢剑，戴自强．碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力试验研究 [J]．建筑结构，2000（7）：11-15．

[3]尚守平，彭辉，童桦，等．预应力碳纤维布材加固混凝土受弯构件的抗弯性能研究 [J]．建筑结构学报，2003，24（5）：24-30．

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[11]范小三．波形锚具夹持碳纤维板的端部效应及有限元分析 [D]．重庆：重庆交通大学，2013．

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[责任编辑 杨 屹]

Experimental study on fiexura behavior of reinforced concrete strengthened with carbon fiber plates

GUO Rong1,2，WU Erpeng1,3，ZHANG Baohu3，SONG Chang1,3，ZHAO Shaowei1,2

(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province,Tianjin300401,China;3.Tianjin Highway Engineering General Corporation,Tianjin 300201,China)

This article conducts bending static load test after tensioning CFRP at the basic of a tensioning anchorage independently developed and reinforcing CFRP to bending test beam.Test shows that cracking load of beam pasting CFRP plate has not changed,while prestressed CFRP plate reinforcement beam cracking load has obviously improved and delay the cracks of beam.Reinforced beams yield load and ultimate load are improved,at the same time increase the stiffness and ductility of beams.In the process of the test,pasting CFRP plate reinforcement beam more than a quarter of CFRP plate ultimate tensile strength.Reinforcement of prestressed CFRP plate is almost twice of paste CFRP plate and give full play to the strength of materials.Test of anchorage slip did not appear in the process of the beam loaded,the anchoring effect is good.

CFRP plate;tensioning equipment;prestressed;reinforcement;bending test

TU378.2

A

1007-2373(2015)05-0106-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.017

2015-08-03

天津市交通运输科技发展计划项目（2016A-02）

郭蓉（1974-），女（汉族），副教授，博士．