CFRP加固既有损伤RC板梁抗弯试验研究

龚永智，刘梦婷，李 欢，谭 涛



CFRP加固既有损伤RC板梁抗弯试验研究

龚永智1, 2，刘梦婷1，李 欢1, 2，谭 涛1

(1. 中南大学土木工程学院，长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程试验室，长沙 410075)

论文主要对4块已使用57年的混凝土板梁和2块与既有板梁同尺寸、同配筋率的新浇板梁进行抗弯承载力试验研究．试验中对3块既有板梁和1块新板梁进行不同层数的CFRP加固，另外两块板梁不加固．试验结果表明：既有RC板梁承载力降低主要由钢筋与混凝土黏结力下降和混凝土微损伤所致；CFRP加固能有效提高既有板梁的抗弯承载力性能，粘贴1、2和3层时其承载力提高幅度分别为21.03%,、41.54%,和69.23%,；CFRP加固能有效抑制试验板梁裂缝的发展，改善其破坏形态．试验结果与规范计算值对比分析表明：在钢筋锈蚀率不大于1.0%,的前提下，现行规范和规程可应用于既有微损伤RC受弯构件的加固设计．

CFRP加固；既有板梁；抗弯性能；规范

目前国内现有钢筋混凝土桥梁在自然环境及其他因素作用下大多处于受损的运营状态，为达到设计使用年限，对其加固是一种较为经济的处理方式. CFRP加固因施工便捷、防腐耐久、高强高效而被广泛使用．

国内外钢筋混凝土结构的CFRP加固研究成果十分丰富[1-10]，其中损伤钢筋混凝土结构的CFRP加固研究可大致分为人为受损加固研究、自然老化加固研究以及偶然荷载加固研究等3个方面．Haddad[4]对人为加速锈蚀的钢筋混凝土梁进行了CFRP加固试验研究，分析了不同锚固措施对试件的承载力、刚度、延性等力学性能的影响．吴元周等[11]对人为劣化的混凝土梁进行CFRP加固正截面受弯试验，试验主要从构件的破坏模式、极限承载力及其刚度变化等角度研究了加固后混凝土梁的力学性能．但以上研究的试验构件是在模拟环境中进行加速劣化的，属于人为受损加固研究．庄宁等[12]针对6根已老化钢筋混凝土梁进行CFRP加固的力学性能研究，分析对比了不同CFRP加固方案下梁的极限承载力增长规律、挠度变化特征以及破坏方式，并指出自然老化与人为损伤钢筋混凝土构件力学性能差异较大；其研究对象为房屋建筑中的自然老化钢筋混凝土梁，与本文的既有混凝土板梁受力性能有所区别．褚云朋等[13]对汶川地震中损伤后的混凝土空心板进行了不同层数的CFRP加固试验研究，结果表明粘贴2层、3层和4层CFRP能使损伤程度分别为轻微、中度和严重的板达到震损前的承载能力要求；但其试件的损伤属于偶然荷载所致．综上所述，目前CFRP加固试验研究对象多集中于非自然老化构件，因此本文对已使用57年的既有混凝土板梁进行CFRP加固试验研究具有重要的工程指导意义．

本试验构件来自某旧桥更换下来的混凝土板梁，该桥建于1958年，是一座集水闸和通车两用的简支梁桥，上部结构为11跨预制混凝土板梁，下部结构为带悬臂的混凝土排架结构．该桥的混凝土板梁在使用57年后存在一定的损伤，如开裂、钢筋锈蚀、混凝土碳化等．本文首先对6块试验板梁的破坏特征进行了分类，总结典型的破坏形态；然后对比分析了既有板梁与新浇板梁的力学性能，并结合已有文献结果对既有混凝土板梁的受损机理、试验板梁的承载力、抗弯刚度和CFRP应变等进行了系统的分析；最后通过加固后既有混凝土板梁承载力的试验值与相关规范计算值的对比分析，检验了现有加固规范和规程的适用性．

1 CFRP加固试验设计

1.1 试验构件

本文共进行了6块混凝土板梁的试验，其中4块为既有混凝土板梁、2块为新浇筑混凝土板梁．经钻芯取样测得既有混凝土板梁的混凝土抗压强度为29.07,MPa，测得平均碳化深度为29,mm．将混凝土芯样放在显微镜下观察，发现其内部存在微观的损伤和裂缝，混凝土碳化和微观裂缝如图1所示，截取板内不同部位的15根钢筋，测得其平均锈蚀率为0.77%,；预留混凝土立方体块，测得新浇筑板梁的混凝土抗压强度为30.7,MPa．两种试验板梁的配筋均相同，即板底设置9根16的纵向钢筋，带勾与不带勾交替布置，中心间距120,mm，具体配筋如图2所示．截取既有板梁内钢筋进行拉伸试验，测得16钢筋抗拉强度为410,MPa，8钢筋抗拉强度为433,MPa；考虑到既有板梁钢筋的损伤，为了使得新浇板梁与既有板梁的承载力接近，新浇试验板梁钢筋采用HRB335钢，混凝土采用C30等级．试验构件参数及其编号如表1所示．已有CFRP加固试验研究结果表明，U型和X型箍的锚固效果比较理想[14-16]，但实际工程中桥面由各板梁拼接而成，只能在板梁底进行锚固．因此，本试验采用板梁底两端分别粘贴两条垂直箍和两个X型箍的锚固方式，板梁底加固设计如图3所示．加固材料为日本东丽公司生产的UT70-30型碳纤维布，黏结剂为乐清市中固建筑科技发展有限公司生产的DA-T碳纤维浸渍胶，CFRP和黏结剂的基本性能指标见表2．

图1 试验板梁的碳化和微观裂缝

1.2 测量仪器布置

为了研究试验板梁受力过程中的变形情况，在试验板梁跨中、1/4跨和支座处布置两列指针式百分表(共6个)，测点距板梁边缘50,mm；试验板梁的荷载-挠度曲线为两列百分表读数的平均值．为了研究试验板梁在加载过程中加固材料的变形情况，在碳纤维布跨中布置应变片，如图3所示，应变采用DH3818静态应变测量系统进行数据采集．

1.3 加载制度

试验板梁一端为固定铰支座、另一端为滑动铰支座，采用欧维姆100,t液压千斤顶沿板跨中宽度方向均匀加载．加载前先对试件预加载至10,kN，以确保试验仪器和应变片处于正常工作状态．试验时采用分级加载，荷载梯度为5,kN，每级加载持续120,s，直至试件破坏．试验测试内容包括位移(跨中、1/4跨和支座处)、CFRP应变和裂缝开展情况．

图2 试验板梁的配筋详图

表1 试验构件参数

Tab.1 Parameters of components in the test

图3 试验板梁底加固和锚固方法

表2 CFRP及黏结剂基本性能指标

Tab.2 Details of CFRP and binder used in the test

2 结果与分析

2.1 试验现象与分析

图4为各试件的破坏形态，图5为试件典型破坏特征的照片，表3为各试件的主要试验结果．根据以上结果可以简单地将本次试验构件的破坏形态分成3类，分别是少筋破坏、适筋破坏且CFRP未剥离以及适筋破坏且CFRP剥离．

B0和B1在加载过程中，板梁底先出现横向裂缝，随后发展成板梁底通长裂缝，并延伸至板梁侧面；接着裂缝数量增多；受拉纵筋屈服后，裂缝数量不变，跨中主裂缝宽度迅速增加；接近极限荷载时，跨中挠度迅速增加．B0和B1破坏时未见受压区混凝土被压碎，裂缝主要集中在跨中及其附近，B0因受拉钢筋屈服而破坏，B1因受拉钢筋屈服和跨中CFRP被拉断而破坏，二者呈现出少筋破坏特征．由B0和B1的破坏特征可知，该板梁的原始配筋率为0.68%,，本属于适筋构件，但服役57年后却表现出十分明显的少筋破坏特征，对其板梁底粘贴1层CFRP加固后仍表现出少筋破坏特征．

B2和XB1各加载阶段的试验现象与前述B0和B1大致相同，但裂缝发展缓慢，分布范围沿板梁长度方向扩大，数量增多，裂缝宽度增长缓慢．破坏前出现少量受压区混凝土被压碎的现象．B2因CFRP被拉断而破坏，XB1因受拉钢筋屈服而破坏．以上分析表明，B2和XB1具有明显的适筋破坏特征．XB1试验结果表明新浇板能够充分反映既有混凝土板梁服役前的受力性能，对照组设置合理．与B0和B1试验结果对比可知，粘贴两层CFRP能使试件的破坏形态从少筋转为适筋．B2与XB1的受力性能接近，说明粘贴两层CFRP能使已受损的既有混凝土板梁基本恢复到服役前的受力性能．

B3和XB2在整个加载过程中的试验现象与B2和XB1相似，只是裂缝发展更加缓慢，裂缝细且密，沿板长的分布范围更广．破坏前较多受压区混凝土被压碎，临近极限荷载时，出现CFRP剥离现象．B3和XB2表现出适筋破坏的同时出现CFRP剥离的现象，此时受压区部分混凝土已被压碎．说明剥离破坏时混凝土和黏结剂均已达到材料极限承载能力，同时CFRP的抗拉能力也得到了较充分发挥．由此可知，当继续增加CFRP粘贴层数时，加固板梁将发生CFRP剥离破坏，混凝土板梁的承载能力将不再增加，而且这种破坏形式是脆性破坏，在实际工程中应防止发生．

图4 各试件破坏形态

图5 典型破坏特征

表3 主要试验结果

Tab.3 Main test results

注：c为开裂荷载，y为屈服荷载，u为极限荷载，u为跨中最大挠度．

2.2 应变分析

图6为4块加固试验板梁的跨中CFRP应变曲线．由图可知各曲线有明显的3个阶段，分别对应试验板梁的弹性阶段、开裂阶段和屈服阶段．在弹性阶段，CFRP应变很小且呈线性缓慢增长；开裂后CFRP应变快速增长；钢筋屈服后，CFRP因单独抗拉，应变急剧增大，试件迅速破坏．

B1因发生少筋破坏，钢筋较早屈服，随后CFRP迅速被拉断，极限应变只有3,910,με；B2发生了适筋破坏，CFRP被拉断前应变达6,300,με；B3和XB2也发生了适筋破坏，但在钢筋屈服后出现CFRP剥离现象，CFRP极限应变分别为4,930,με和5,700,με．可见CFRP抗拉强度的利用程度与试验板的破坏模式密切相关．

图6 试验板梁跨中CFRP应变

2.3 刚度分析

图7为6块试件的荷载-跨中挠度曲线．由图可知各曲线均有两个明显的转折点，分别对应试件的开裂荷载和屈服荷载．各曲线大致分为3个阶段，即弹性受力阶段、裂缝发展阶段和破坏阶段．以B2为例，在达到开裂荷载160,kN之前，处于弹性受力阶段，刚度较大，跨中挠度呈线性缓慢增长；超过开裂荷载160,kN后，曲线斜率降低，刚度减小，跨中挠度大致呈线性增长，处于裂缝发展阶段．当达到屈服荷载270,kN后，曲线趋于平缓，刚度急剧降低，试件破坏.

图7 试件的荷载-跨中挠度曲线

对比各试件的荷载-跨中挠度曲线可以看出，CFRP粘贴层数越多，既有板梁的刚度越大，B1～B3的刚度均高于未加固试件B0，XB2的刚度也高于XB1，可见CFRP加固能使试验板梁的刚度有所提高．这是由于板梁底粘贴CFRP后，裂缝开裂缓慢，受压区高度相对增大所致．本文试验结果与已有研究成果[5, 13, 14]中的试验结果类似．

B2试验前的损伤状态如图8所示，可见B2跨中有一条明显的裂缝．B2破坏前，其刚度未因明显开裂而显著降低，但最后破坏时其极限挠度大于B1和B3．文献[8]中选择3个损伤程度分别为无损伤、预加载70%,和预加载50%,试件进行CFRP加固试验研究，3个试件均粘贴一层CFRP，研究结果表明3个试件极限承载力几乎相等；开裂程度越大，CFRP加固对刚度的改善效果越明显，其极限挠度反而越大．文献[9]中有两个试件分别为无损伤加固和预裂加固试件，试验研究结果表明：预裂使得承载力降低了7.54%,；预裂使得跨中极限挠度增加了2.26%,．基于B2的试验结果和已有的试验研究结论，可知CFRP加固受拉区已明显开裂的既有混凝土受弯构件，其跨中既有裂缝对其极限承载力影响不大，采用CFRP加固后能有效改善其抗弯刚度．

图8 B2跨中裂缝

2.4 承载力分析

既有板梁的损伤主要包括钢筋锈蚀、混凝土微观损伤和钢筋混凝土之间黏结力的降低等．虽然新浇板梁采用与既有板梁相近的混凝土、钢筋强度和相同的配筋率，但B0承载力比XB1低35.81%,．因此，对既有板梁承载力下降的探究，主要考虑钢筋锈蚀和钢筋混凝土黏结力下降这两个因素．既有板梁钢筋平均锈蚀率为0.77%,，锈蚀程度很低，根据文献[17]计算可得既有板梁的配筋指标为0.063，小于界限配筋指标0.246，故锈蚀钢筋的强度利用系数为1.0，钢筋锈蚀造成极限承载力降低了约1.41%,．然而既有板梁的极限承载力相对于现浇筑构件降低了35.81%,，故其承载力降低主要由钢筋与混凝土之间的黏结力降低和混凝土微观损伤造成的．B2承载力比XB1相差3.5%,，可知粘贴两层CFRP基本可以弥补既有板梁因长期运营的损伤而导致其极限承载力的降低．

3 承载力计算

对既有混凝土板梁分别按照相关规范[18-21]计算其正截面抗弯承载力，计算结果如表4所示．由表4可知，B1和B3按照GB50367—2013[19]、JTGTJ22—2008[20]和CECS146—2003[21]计算的结果相近，3种方法计算的结果均比屈服荷载试验值小5.46%～8.35%，这表明现行规范和规程适用于无明显裂缝的既有混凝土板梁受弯承载力计算．

B2承载力计算值比试验值偏大，这与B2试验之前跨中已有一条明显的断裂裂缝有关，但偏差范围在5%,以内．因此，在钢筋锈蚀率不大于1.0%,的前提下，现行规范和规程可应用于既有微损伤RC受弯构件的加固设计．

表4 承载力计算结果

Tab.4 Calculation results of bearing capacity

4 结 论

(1) 对于高跨比为0.1、服役50,年左右的混凝土板梁，其抗弯承载力降低主要由钢筋与混凝土之间黏结力降低和混凝土微观损伤所致．采用CFRP加固能有效提高其抗弯承载力性能，粘贴1、2和3层时，承载力提高幅度分别为21.03%,、41.54%,和69.23%,，其中粘贴两层能使这种混凝土板梁恢复到服役前的受力性能．

(2) 既有混凝土板梁底粘贴CFRP能有效抑制板底开裂，改变既有混凝土板梁的破坏形态．CFRP粘贴层数越多，裂缝间距越小、数量越多，且沿板长分布范围越大、宽度越窄，试件由少筋破坏变为适筋破坏．

(3) CFRP加固能使既有混凝土板梁的抗弯刚度有所提高，也能有效改善已明显开裂钢筋混凝土构件的抗弯刚度．加固前试件受拉区有无裂缝对其CFRP加固后的极限抗弯承载力影响不大．

(4) 在钢筋锈蚀率不大于1.0%,的前提下，现行规范和规程适用于既有微损伤RC受弯构件的加固设计．

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Flexural Behavior of Existing Damaged RC Plate Girders Strengthened with CFRP Sheets

Gong Yongzhi1, 2，Liu Mengting1，Li Huan1, 2，Tan Tao1

(1．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China； 2．National Engineering Laboratory for High Speed Railway CSU，Changsha 410075，China)

Six RC plate girders of the same size and ratio of reinforcement were tested，including four RC plate girders that had been used for 57 years and two new ones．Three existing decks and a new one were reinforced by CFRP with different number of piles，and the other two that were left unreinforced acted as the contrast specimens．Test results show that the decrease in the flexural capacity of existing plate girders is due to the decline of the cohesion between reinforcement and concrete and the micro damage of concrete．The flexural behavior of existing plate girders can be improved effectively by CFRP．With the reinforcement by one，two and three layers，the flexural capacity of damaged decks are increased by 21.03%，41.54%, and 69.23%，respectively．When reinforced，the mechanical performance of existing plate girders can be improved．CFRP can not only effectively restrain the cracking development of the specimen，but also increase its flexural rigidity．The comparison between test results and formula calculations indicates that the current reinforcement code and rules can be applied to the reinforcement design of existing micro damage RC flexural members on the premise that the corrosion rate of the steel bars is no more than 1.0%,.

CFRP reinforcement；existing plate girders；flexural behavior；code

10.11784/tdxbz201801064

TU375.1

A

0493-2137(2018)12-1246-07

2018-01-14；

2018-04-27.

龚永智（1978—  ），男，博士，副教授，gyzh@yahoo.cn.

刘梦婷，mtliuu@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51308550)

the National Natural Science Foundation of China(No.,51308550).

(责任编辑：樊素英)