碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁的力学性能

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(河海大学港口，海岸与近海工程学院，江苏 南京 210009)

碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁的力学性能

庄宁，陈聪，陈达，王松，赵海宇

(河海大学港口，海岸与近海工程学院，江苏南京210009)

粘贴碳纤维布(CFRP)加固梁时，通常需对其进行锚固，避免发生因CFRP布过早剥离而无法充分利用其抗拉强度。但当梁施工空间较小，梁侧面形状不规则时，CFRP布锚固较困难，采用新型碳纤维束铆钉锚固的方式能够很好地解决这一弊端。本文通过对四组不同锚固方式下的CFRP布加固梁进行四点受弯承载力试验，对比分析加载过程中各梁的力学性能和破坏规律，研究表明碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁强度和刚度都有显著增强。进一步对碳纤维束铆钉锚固方法优化，得到最佳碳纤维束铆钉锚固深度约为80mm，最佳锚固间距约为200mm。

碳纤维布(CFRP)； 碳纤维束铆钉； 钢筋混凝土； 数值分析

1 前 言

今后10～30年我国将进入混凝土工程维修的高峰期，土木工程结构修复加固新技术已是建筑领域必须重视的的分支。

碳纤维加强复合材料(CFRP)具有抗拉强度高、质量轻及抗腐蚀能力强等优良特征[1-6]，与其它加固方法相比施工简便，施工过程不影响结构的正常使用，因此，随着碳纤维材料价格的日益下降，越来越多的加固工程开始优先选用碳纤维。在使用过程中，为了充分发挥碳纤维的抗拉强度，避免碳纤维材料从混凝土表面提前剥离[7-9]，通常需要对用于加固的碳纤维布进行锚固。目前使用的U型箍锚固、骑马钉锚固[10-12]，往往对结构的锚固空间有要求较高，加固构件侧面需要有足够的空间，且较平整。而碳纤维束铆钉锚固方法是一种处理该问题的新技术。

碳纤维束铆钉锚固法，是近年来由日本研究人员首先提出的一种CFRP布锚固新方法。铆钉也是由CFRP制成(如图1)，置于环氧树脂内留待使用；先在需要加固处钻孔用于插入CFRP铆钉，之后粘贴CFRP布加固梁并将孔覆盖，再用铆钉贯穿CFRP布插入孔洞中；最后将铆钉露出部分铺开，并用树脂将其与CFRP布粘结紧密(如图2)。

碳纤维束铆钉锚固借由树脂与孔洞实现了稳固粘结，大大增强了CFRP布的牢固性，对构件承载力最大可以提高 3～4倍，极大提高了构件承载力和 CFRP 材料的强度利用率[13-16]。采用该法不仅可以节省材料用量，而且该锚固方式还具有受空间制约小、耐腐蚀等优点，特别适用于梁的加固。

图1 碳纤维束铆钉照片Fig.1 CFRP dowel

图2 碳纤维束铆钉锚固Fig.2 CFRP dowel anchoring

2 碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固混凝土梁的试验

2.1 试验梁几何尺寸及碳纤维参数

本试验采用四根使用多年已老化的钢筋混凝土梁，试验梁混凝土强度为20MPa，底部设置3根直径为20mm的纵向受力钢筋，钢筋等级全部为HRB335，具体配筋如图3所示。梁长2260mm；截面尺寸均为b×h=230mm×270mm，b为截面宽度，h为截面高度；混凝土保护层厚度50mm。试验采用的碳纤维材料密度为1.8g/cm3，延伸率为1.5%，抗拉强度为3.45GPa，拉伸模量为230GPa。

图3 梁配筋示意图(mm)(a) 梁箍筋图； (b) 梁截面配筋图Fig.3 Configuration and reinforcement details of beam specimens(mm)(a) Stirrup reinforcement; (b) cross-sections reinforcement

2.2 CFRP布加固混凝土梁试验设计

本试验选用的四根混凝土梁由于尺寸以及配筋相同，因此选择其中一根梁不进行加固作为试验对比梁。其它三根梁用CFRP布加固，采取了不同的锚固方式(见表1)，养护后对梁进行四点反弯试验，加载直至梁破坏，研究梁加载过程中力学性能的变化，及CFRP布不同锚固方式对试验梁抗弯性能的影响规律。

四点反弯试验是通过电脑控制万能实验机进行的，在梁跨中截面左右各100mm位置处对称加载，加载方案采用等荷载方式，加载幅度为5kN/次，支座两端一端为弹性垫块，另一端为钢滚轴，在梁跨中底部设置线性位移差分变压器(LVDT)测量跨中位移，试验加载装置如图4所示。

2.3 试验梁CFRP布加固前后承载力特征荷载分析

通过四点反弯试验，得到了加固前后混凝土梁的特征荷载以及最大挠度的变化情况，见表2。由表可知三根加固梁L1、L2-U、L3-C相对于对比梁L0，开裂荷载分别提高6.9%、12.7%、16.7%；加固梁的屈服荷载分别提高了21.2%、32.4%和40.9%，其中L3-C梁提高最为显著；L1、L2-U、L3-C梁的极限荷载分别提高了25.3%、35.2%和42.3%，L3-C梁提高最为明显，各梁极限荷载提高幅度相对于屈服荷载增长要大。三根加固梁最大挠度呈现不同程度减少，降低幅度分别为5%、10.3%和19.6%，说明对试验梁进行CFRP布加固后，提高了加固梁强度，同时增加了梁的刚度，碳纤维束铆钉锚固下的加固梁L3-C最大挠度降幅最大。

表1 试验梁加固方案 Table 1 Schemes of reinforcing the tested beams

图4 试验加载示意图Fig.4 Schematic of the test beam

表2 试验梁加固后特征荷载与挠度

2.4 梁加载破坏过程分析

各试验梁加载至破坏后的裂缝形态见图5，可见，未进行锚固的L1梁，发生了碳纤维布剥离破坏；L2-U梁底部CFRP布进行了U型箍锚固，限制了纤维布过早剥离破坏，但梁侧面U型箍的纤维布方向与梁侧面拉应力方向不一致，使得侧面裂缝造成CFRP布U型箍的剥离， U型箍失效。L3-C梁经由纤维束铆钉锚固，碳纤维布未过早剥离，加载过程中挠度较L2-U和L1梁小，裂纹分布较密且宽度较小，最终混凝土顶部被压坏。

图5 加固梁荷载破坏后的裂缝形态(a) L1梁； (b) L2-U梁； (c) L3-C梁Fig.5 Fracture morphologyof the strengthened beams(a) beam L1; (b) beam L2-U; (c) beam L3-C

3 碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁优化设计

3.1 有限元建模

本文采用ANSYS有限元软件对碳纤维束铆钉进行优化，混凝土单元采用SOLID65单元、钢筋和碳纤维束铆钉单元采用LINK8单元、CFRP布单元采用SHELL63单元、垫块单元采用SOLID45单元并在加载点处放置弹性垫块、粘结单元采用弹簧单元Combin39来模拟CFRP布与混凝土界面的粘结—滑移关系。有限元模型如图6、图7所示。

图6 混凝土单元Fig.6 Concrete element

3.2 数值模拟计算值与试验值对比

采用所建模型对三根加固梁的加载过程进行模拟，由表3可知，数值模拟计算值与试验所对应的各试验值比较接近，说明对试验梁进行模拟的各参数设置较为合理，本文模型能够很好地对试验梁进行模拟分析。

3.3 加固梁优化设计分组

碳纤维束铆钉锚固下CFRP布加固梁优化数值试验共10组，其中Z0组为对比组。具体加固梁模型分组方案见表4。

图7 CFRP布单元与铆钉单元Fig.7 CFRP sheet and dowels elements

BeamnameCrackingload/kNYieldload/kNUltimateload/kNCalculatedvalueTestedvalueCalculatedvalueTestedvalueCalculatedvalueTestedvalueL110.810.927.226.838.939.0L2-U11.211.530.229.343.342.0L3-C1411.832.331.145.644.3

表4 加固梁模型分组方案

3.4 碳纤维束铆钉锚固深度优化

由表5可见，梁B1、B2、B3、B4和B5分别较梁B0极限承载力提高了27.12%、39.83%、49.15%、51.7%、55.93%， CFRP布强度利用率(CFRP应力计算值与CFRP抗拉强度比值)分别提高了52.14%、56.0%、68.09%、71.2%、72.3%。加固梁的极限承载力和CFRP强度利用率随着铆钉锚固深度的增长而提高，当锚固深度超过80mm之后，增速放缓，因而最佳锚固深度取80mm。

3.5 碳纤维束锚固间距优化

表6和图8、图9为不同锚固间距对加固梁极限荷载以及CFRP布强度利用率的影响情况。

梁B6、B7、B3、B8和梁B9的抗弯极限荷载较B0

表5 不同锚固深度下梁极限荷载和CFRP强度

梁分别提高53.39%、51.69%、49.15%、30.51%与26.27%，说明加固梁极限荷载的增大程度受锚固间距影响，随着锚固间距的变大，加固梁的极限荷载增长率减缓，当间距大于200mm后，极限荷载提高率急剧降低；CFRP强度利用率分别提高了72.75%、71.03%、68.09%、52.65%、49.35%，说明加固梁的CFRP强

表6 不同锚固间距下梁极限荷载和CFRP强度

图8 锚固间距与极限荷载增长率之间的关系曲线Fig.8 Ultimate load growth rate as a function of CFRP dowels space

图9 锚固间距与CFRP强度利用率曲线Fig.9 CFRP strength utilization rate as a function of CFRP dowels space

度利用率与铆钉的锚固间距也有关系。CFRP强度利用率随着锚固间距的变大而减小，当锚固间距大于200mm时，跨中挠度增加率迅速下降，当达到和小于200mm时，增幅趋于平缓，因此最优锚固间距可取200mm。

4 结 论

本文通过室内加固梁的四点反弯试验，对比研究了U型箍锚固和碳纤维束铆钉锚固两种锚固方式对CFRP布加固梁力学性能的影响规律。分析结果表明，对CFRP布加固梁进行锚固可以有效地防止碳纤维布过早剥落，充分发挥碳纤维布的抗拉性能。其中，进行碳纤维束铆钉锚固后的CFRP布，其强度和刚度提高幅度最大，加固梁破坏时的挠度明显降低。

此外，碳纤维束铆钉的锚固深度、锚固间距对加固梁的抗弯承载力以及CFRP布强度利用效率影响较大，通过本文建立的数值模型进行优化分析，得到最佳碳纤维束铆钉锚固深度约为80mm，最佳锚固间距约为200mm。

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MechanicalPropertiesofBeamsStrengthenedwithCFRPSheetAnchoredbyCFRPDowels

ZHUANGNing,CHENCong,CHENDa,WANGSong,ZHAOHaiyu

(CollegeofHarbor,CoastalandoffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to avoid premature debonding of Carbon Fiber Reinforced Polymer(CFRP) sheet from concrete surface, CFRP sheet used for strengthening reinforced concrete (RC) beams should usually be anchored to take full advantage of its high tensile strength. However, anchoring CFRP sheet is always difficult for beam irregular side shape and insufficient construction site. Recently a new kind of anchoring system called CFRP dowels is applied to deal with this problem. To this issue, four groups of beams strengthened by CFRP sheet under different anchoring ways are performed by four-point bending tests to analyze beam mechanical property and failure model during the whole loading process. The research results show that the beam strength and rigidity after strengthened by CFRP sheet is significantly improved as anchored by CFRP dowels. And optimization design was also conducted for CFRP dowels anchoring. Based on the research optimized anchoring depth of 80mm and best anchoring distance of 200mm are determined. Results of the research are of great significance for the design and promotion of the CFRP dowels anchoring.

carbon fiber reinforced polymer(CFRP); CFRP dowel; reinforced concrete(RC) beam; numerical analysis

2016-06-28；

2016-08-29

国家自然科学基金资助项目(51679080、51379013)；江苏省水利科技资助项目(2017030)；江苏高校“青蓝工程”资助项目

庄 宁(1977-)，男，副教授，主要从事结构工程方向研究。E-mail：zhuangning1977@163.com。

陈 聪(1992-)，硕士研究生，E-mail：619904678@qq.com。

1673-2812(2017)06-0952-05

TU375

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.018