预应力CFRP板加固RC梁变形性能试验

陈华 谢斌 王鹏凯

摘 要：為了研究采用预应力CFRP板加固后的混凝土梁的变形性能，制作了5根混凝土试验梁，并对其进行静载试验；对其中的4根梁采用了预应力CFRP板进行加固，研究加固梁在正常使用阶段混凝土梁裂缝、挠度随荷载的变化.结果表明：试验梁的特征荷载在采用了预应力CFRP板进行加固后有了明显的提高，并且张拉CFRP板的预应力水平越高，特征荷载提高越大；采用预应力CFRP板进行加固的混凝土梁对抑制混凝土梁裂缝有明显的效果，且张拉CFRP板预应力水平越高，则抑制效果越明显；试验梁采用预应力CFRP板进行加固后，刚度增加明显，挠度明显减小.

关键词：预应力CFRP板；变形性能；挠度；裂缝

中图分类号：TU378 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.004

0 引言

目前，现行规范介绍了对于采用碳纤维片材（ CFRP）对钢筋混凝土结构进行加固的方法[1].碳纤维具有一般钢筋所不具备的高强特性，以往对碳纤维的使用容易造成性能浪费.为了充分利用其特性，近几年很多学者通过对CFRP施加预应力来加固钢筋混凝土结构，并对其进行试验验证[2-7].对CFRP片材进行表面粘贴之前给其施加一定的预应力，可以很好地利用CFRP材料的高强性能，可使构件使用阶段的受力性能得到很大的提高，对防止剥离破坏以及应变滞后现象都有很大的改善等[8-9].另外，CFRP板拥有CFRP布没有的优点，例如：质量性能稳定、施工便捷等.所以对CFRP板材施加预应力不失为一种很好的加固方法.本文制作了5根混凝土梁并对其进行受力试验.研究采用预应力CFRP板加固后混凝土梁的变形性能.

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共制作了5根混凝土试验梁（试件编号L1，JGL2—JGL6），试件设计参数有：1）张拉控制应力为30%、40%、50%、60%；2）梁的不同配筋率.试验梁底筋、面筋和箍筋均采用三级钢筋HRB400，试验梁为矩形梁，其截面尺寸为[b×h=250 mm×400 mm]，跨高比为9∶1，碳纤维板的长度为3.0 m.试验梁尺寸和截面配筋见图1，试件参数见表1.

1.2 材料性能

混凝土、钢筋、CFRP板的力学性能指数见表2—表4.

1.3 量测内容

包括梁的竖向荷载、跨中挠度、钢筋的应变、CFRP板的应变、等弯段混凝土应变.

1.4 试验装置

试验加载装置是采用美国进口的MTS电液伺服加载装置，用杭州晶明静态采集系统来采集钢筋、CFRP板及混凝土的应变，梁的挠度测量和裂缝宽度读取分别使用位移计和读数显微镜.试验装置如图2所示.

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

5根混凝土梁的破坏形态分别是：L1为受压区混凝土压碎；JGL2、JGL3、JGL4和JGL5发生了CFRP板拉断破坏.由于L1发生的是受压区混凝土压碎破坏，因此，破坏状态底部混凝土裂缝宽度大，混凝土有少量掉落，顶部受压区混凝土呈压碎状态.对JGL2、JGL3、JGL4两端的锚具均用打包条对其进行加固，最后的破坏形态均为CFRP板拉断破坏，为脆性破坏.对试件JGL5两端的锚具也采用了打包条进行处理，试件极限破坏时，整条CFRP板发生了断裂，产生了许多CFRP碎屑.其破坏情况见图3—图7.

2.2 荷载-挠度

从图8可以看出，试验梁在开裂之前，其跨中挠度与荷载之间基本上呈线性发展趋势；开裂之后，试验梁的荷载-挠度曲线的曲率变大，挠度的增长速度随着荷载的增大就越大.构件的刚度基本上可以分为3个阶段，分别是：1）混凝土开裂前；2）混凝土开裂至受拉钢筋屈服；3）受拉钢筋屈服到极限破坏状态.

从图8可以看出，张拉CFRP板的预应力水平越高，试验梁在相同荷载下的跨中挠度就越小，说明张拉CFRP板的预应力水平越高，对加固梁刚度的提高就越大，对加固梁挠度的发展抑制效果就越明显.

2.3 裂缝分布

1）裂缝宽度与荷载之间的关系

观察图9，可以得出：裂缝宽度与荷载之间的关系基本上呈线性增长趋势.

2）L1与JGL5的对比

由图9可以得出：采用了预应力CFRP加固的试验梁JGL5，其开裂荷载远大于未加固的试验梁L1，且JGL5的裂缝发展速度比L1慢很多，JGL5的裂缝宽度-荷载曲线的斜率也比L1的小很多，说明混凝土梁在用预应力CFRP板加固后，CFRP板能有效地提高梁的开裂荷载，并有效地抑制梁裂缝宽度增长.由图10可以得出，JGL5的裂缝数量少于L1，裂缝间距也细小裂缝的数量也少，说明采用预应力CFRP板加固后的混凝土梁能非常有效地抑制裂缝的产生，减少裂缝的数量.

3）张拉CFRP板的预应力水平对梁裂缝的影响

观察图9可以看出，开裂荷载的大小是JGL2JGL3>JGL4，说明张拉CFRP板的预应力水平越高，加固后的混凝土梁开裂荷载越大，对梁裂缝宽度抑制的效果越明显.观察图11，可以看出，试验梁裂缝的数量是JGL2>JGL3>JGL4>JGL5，采用张拉[60%σfu]CFRP板的JGL5屈服状态下的裂缝数量只有9条裂缝，且几乎无细裂缝的产生，说明采用张拉CFRP板的预应力水平越高，梁裂缝数量越少，对混凝土梁裂缝数量的增加抑制效果就越明显.

2.4 抗弯承载力

对试验所做的数据进行处理，各试验梁的抗弯承载力见表5.

由表5可以看出，JGL5的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载均比L1的要大许多，其中开裂荷载增加了47 kN，说明试验梁在用预应力CFRP板加固后，CFRP板能对加固梁的开裂起很好的抑制作用，有效地提高梁抗弯承载力.对比JGL3、JGL4、JGL5可以得出：随着对CFRP板张拉的预应力水平越高，梁的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载均有提高.部分试验梁的开裂荷载与屈服荷载的对比见图12和图13.

从图12和图13中可以看出各梁开裂荷载与屈服荷载的对比情况.对比L1和JGL5发现：试验梁在用预应力CFRP板进行加固后，相较于未加固的试验梁，加固后的试验梁其开裂荷载和屈服荷载有了比较大的提升.对比JGL2、JGL3、JGL4可以看出：随着张拉CFRP板的预应力水平越高，开裂荷载和屈服荷载也相应的提高，但提高的幅度不大.

3 有限元分析

在钢筋混凝土有限元模型中，根据钢筋与混凝土处理方式的不同主要分为3种模型[10]：整体式模型、分离式模型、组合式模型，本文采用的是分离式模型对钢筋混凝土梁进行建模，建模的参数均是根据本文试验梁实际参数.混凝土单元选用ANSYS模拟混凝土材料的三维实体单元Solid65，钢筋单元选用Link180单元，CFRP板选用弹性壳体单元Shell63，集中荷载和支座处钢垫块选用实体单元Solid45模拟，同时为了防止弹性垫块位移变形过大，需将其中keyopt（1）设置为1.

3.1 ANSYS有限元建模

预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁有限元模型及网格划分如图14—图16所示.

3.2 试验值与模拟值对比

将有限元软件ANSYS计算所得的荷载-位移曲线与试验所得的荷载-位移曲线结果对比，如图17所示.

通过图17可以得出：利用有限元软件ANSYS计算所得荷载-位移曲线与试验所得的荷载-位移曲线两者之间有较好的吻合度.

4 结论

采用了预应力CFRP板进行加固使钢筋混凝土梁的特征荷载有了很大的提高，并且预应力水平越高，效果越好；采用预应力CFRP板进行加固的混凝土梁能有效限制其裂缝的产生和发展，且张拉预应力水平越高，抑制效果越明显；试验梁采用预应力CFRP板进行加固后，刚度大幅增加，挠度变形大幅减小.

参考文献

[1]碳纤维片材加固混凝土结构技术规程：CECS 146：2003（2007版） [S].2版.北京：中国计划出版社，2007.

[2]田水，谷倩.碳纤维布预应力补强加固钢筋混凝土梁受力性能研究[J].工业建筑，2005，35（6）：88-91.

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[4]飞渭，江世永，曾祥蓉.体外预应力FRP片材加固混凝土结构的研究现状及发展[J].后勤工程学院学报，2006（4）：12-16，21.

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[10]孙胜伟. 基于有限元分析的CFRP板加固RC梁相关问题研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

Experimental study on deformation behavior of RC beams strengthened

with prestressed CFRP plates

CHEN Hua1，2， XIE Bin1， WANG Pengkai1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanning College，Nanning 530004 ， China）

Abstract ：In order to study the deformation performance of concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates， five concrete test beams were made in this paper. The five test beams were tested for static load. One of the five test beams was unreinforced and the other four were tested. Beams were reinforced with prestressed CFRP plates. The research and analysis of the deformation performance of the reinforced beam in normal use stage were conducted， and the changes of the cracks and deflections of the concrete beam with the load during the normal use period were studied. The results show that the characteristic load of the test beam is significantly improved after the prestressed CFRP plate is used for reinforcement. The higher the prestress level of the tensioned CFRP plate is， the larger the characteristic load is increased； the prestressed CFRP plate is used for the test beam. Reinforced concrete beams have very obvious effect on restraining the cracks of concrete beams， and the higher the prestress level of tensioned CFRP plates， the more obvious the suppression effect； after the test beams are reinforced with prestressed CFRP plates， the stiffness increases significantly， deflection deformation obviously reduces.

Key words：prestressed CFRP plates； deformation properties； deflection； cracks

（學科编辑：黎 娅）