预应力CTRC板加固持载混凝土梁的抗弯性能研究

杜运兴，邵喜诚，周芬

预应力CTRC板加固持载混凝土梁的抗弯性能研究

杜运兴1, 2，邵喜诚1，周芬1, 2

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 工程结构损伤诊断湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082)

采用四点弯曲试验研究用预应力碳纤维织物增强混凝土板加固持载RC梁的抗弯性能。针对梁的持载水平完成2个加固工况试验及1个参考工况试验。对各工况试验梁的荷载-跨中挠度曲线、荷载-应变曲线、承载力、延性及破坏模式进行分析。研究结果表明：预应力CTRC板能明显提高持载混凝土梁的正常使用极限状态荷载和极限承载力但加固梁的延性降低。与未加固梁相比，加固梁的正常使用极限状态荷载和极限承载力最大分别提高了64.1%和80.6%。本文提出的一种加固梁极限承载力的计算方法，其极限承载力的计算值与试验值吻合良好。

TRC板；预应力；持载；加固；抗弯性能

织物增强混凝土(the Textile Reinforced Concrete，简称TRC)是由高性能纤维编织物与细骨料混凝土结合而成的一种新型复合材料。该材料具有质量轻、强度高及耐腐蚀性能好等优点[1-3]。此外，

由于TRC材料及加固界面的黏结材料均采用无机基质，TRC材料与混凝土基底间有较好的相容协调性及相互渗透性，且这种板材可适用在潮湿基底表面及低温环境中。这些优点使其可以加固结构构件和节点[4-8]。目前，TRC材料加固混凝土构件多为层铺法施工。所谓层铺法施工，即首先在处理好的黏贴表面平铺一层砂浆，然后砂浆上平铺一层纤维织物并轻轻按压，若有多层纤维织物，重复这2个步骤即可，最后再平铺一层砂浆覆盖。这种施工方法优点在于不需模板且易操作，但存在织物不平整的问题。国内外学者对TRC材料加固混凝土梁进行了相关研究。荀勇等[9]通过试验研究发现TRC薄板加固RC梁可以有效地提高梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，但配网率较高时，加固梁承载力由薄板和老混凝土之间的脱黏情况决定。Ombres等[10-11]通过试验发现TRC材料加固后的混凝土梁在端部和跨中裂缝处发生剥离破坏且破坏时织物较完整，表明织物强度并未被充分利用。为了织物强度得到充分利用，可将TRC材料预制成板材，同时板材在预制时对碳纤维网格织物施加预应力，这样使得织物在TRC板中处于平直状态。DU 等[12-13]发现，在TRC板制作时掺一定体积分数的短切钢纤维可以改善织物与基体混凝土之间的界面黏结性能，使TRC薄板的破坏形式由剥离转变为织物拉断。另外，对织物施加预拉力可以明显提高TRC板件的开裂荷载。因此，对预应力CTRC板进行预制，既可减少传统TRC加固中层铺法所需的湿作业工序又能提高碳纤维网格织物的强度利用率。虽然TRC板材可以较好增强混凝土构件的力学性能[14-16]，但多为一次加固。实际工程中的混凝土构件大多处于带裂缝的工作状态，对其进行加固后继续承载，此时构件处于二次受力状态。本文对预应力碳纤维织物增强混凝土(Carbon-Textile reinforced Concrete，简称CTRC)板加固预载梁的弯曲性能进行试验研究。以持载水平为变量建立试验工况。试验中采集记录试验梁的荷载、挠度及应变，并记录了其裂缝的发展情况。对试验梁延性及破坏模式进行分析，最后提出一种加固梁极限承载力的计算方法。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验分成3个工况，所有工况RC梁的截面尺寸和配筋情况一致，具体细节见图1。3个工况包括1个参考工况和2个加固工况，参考工况测试对象是未加固的RC梁，加固工况的测试对象为不同持载水平下加固的梁。具体分组情况见表1。试验工况编号中字母和数字的含义分别为：S表示持载加固，R表示参考，B表示钢筋混凝土梁，数字表示对比工况编号。S-B-0工况加固梁的持载水平为0，即对RC梁直接加固；S-B-1工况加固梁的持载水平为10，即将RC梁加载到其跨中挠度为10 mm时维持荷载，再用预应力CTRC板加固。

单位：mm

表1 试验工况

1.2 材料参数

RC梁的纵筋选用直径为10 mm的热轧带肋钢筋，其平均屈服强度和平均抗拉强度分比为488 MPa和651 MPa。混凝土的平均轴心抗压强度为30.6 MPa。碳纤维织物采用环氧树脂胶进行浸胶处理，处理后的碳纤维织物如图2所示。碳纤维织物网格分为经向纤维束和纬向纤维束，其中经向为碳纤维束的受力方向。碳纤维织物的力学性能参数由厂家提供，见表2。

图2 浸胶后的碳纤维织物

表2 碳纤维织物与钢纤维的性能参数

加固使用的黏结剂与制作预应力CTRC板的高性能水泥基相同。高性能水泥基的28 d抗折强度和抗压强度分别为12.3 MPa和76.7 MPa。预应力CTRC板中掺入体积分数为1%的钢纤维，钢纤维的长度为14~16 mm，直径为0.2 mm，质量密度为7.85 g/cm3，其力学性能见表2。

1.3 预应力CTRC板的制作及力学性能测试

预应力CTRC板的制作通过一个预应力张拉装置完成，该装置内有浇筑板材的模具。

首先裁剪宽度约为140 mm浸胶处理后的碳纤维织物，然后在碳纤维束指定位置上黏贴应变片，并对应变片进行防水保护。将碳纤维织物固定于张拉装置中，并对其进行预张拉，经过多次补张拉后，使碳纤维织物的预拉力水平维持在5.6 kN左右。将钢纤维掺入高性能水泥基一起搅拌，然后进行浇筑，浇筑完用震动器进行对其震动密实。初步硬化后，覆盖湿毛巾，洒水养护，7 d后将预应力CTRC板从张拉装置上取出，并移入标准养护室内，养护至28 d。经测量，预应力CTRC板的平均厚度约为16 mm。

预应力CTRC板单轴拉伸试验在MTS万能试验机(C43.304)上进行。试验由位移控制加载，速率为0.5 mm/min。拉伸试件一共3个，试件的标距和宽度分别为100 mm和40 mm，厚度与用于加固的预应力CTRC板厚度相同。标距内的位移和拉力分别通过引伸计和力传感器来测量。拉力和标距内的位移由试验机同时采集。试验测得试件的平均极限拉力为21 120 N，平均极限位移1.60 mm。则由式(1)和式(2)可分别算得预应力CTRC板的极限拉力和极限拉应变分别为79 200 N和1.6%。

式中：f为预应力CTRC板的极限拉力；1为预应力CTRC板试件的极限拉力；为预应力CTRC板的宽度，与梁的宽度相同；1为预应力CTRC板试件的宽度。

式中：fu为预应力CTRC板的极限拉应变；1为引伸计测得的极限位移；0为试件的标距。

1.4 钢筋混凝土梁的加固与测试元件的布置

预应力CTRC板加固钢筋混凝土梁包含3个步骤：首先对黏贴面进行处理，磨去钢筋混凝土梁黏贴面的浮浆层，凿糙混凝土黏贴面，并在预应力CTRC板的黏帖表面刻出斜痕，最后都用清水冲洗干净；其次，按工况要求将钢筋混凝土梁加载到预定的持载水平，然后采用高性能水泥基将预应力CTRC板黏帖在混凝土梁的受拉面，黏结层厚度约4~5 mm；最后，为了防止预应力CTRC板端部发生剥离破坏，在CTRC板的端部对其进行了锚固。在黏结层的水泥基材料养护3 d后，将锚固区的直角打磨成圆弧角，采用宽为50 mm，长为900 mm的单向碳纤维布，用环氧树脂胶在混凝土梁的剪弯段形成环形箍，如图3所示。

单位：mm

试验采用机械式千斤顶加载，力传感器布置在千斤顶与反力架之间。在支座处梁顶、跨中梁底及加载点梁底位置布置5个位移计，另外在跨中梁顶位置布置一个位移计作为跨中位移测量的备用。在跨中梁底2根纵筋的跨中位置各布置了1个应变片。1个混凝土应变片布置在跨中梁顶面，3个应变片均匀布置在跨中梁侧。预应力CTRC的最外层碳纤维织物的同一根纤维束上均匀布置5个应变片，且均位于梁的纯弯段，跨中位置平行纤维束上增加布置1个应变片。具体位置分布见图3。

2 试验结果与讨论

2.1 荷载-挠度曲线

荷载-跨中挠度曲线汇总在图4，可以反应各工况试验梁的加载历程。对于S-B-1工况，如图5(a)所示，为预加载到指定的持载水平，段表示持载过程，段为加固后的加载过程，可以近似看成2段折线，折线端点荷载分别为F和F。对于S-B-0工况和R-B工况，它们的荷载-挠度曲线均可看成3段折线，如图5(b)所示。折线端点荷载分别为F，F和F。所有试验梁的荷载值及其对应的挠度汇总在表3。

图4 荷载-跨中挠度曲线

对于R-B工况参考梁，荷载达到F时，梁上出现第一条竖向裂缝，荷载-跨中挠度曲线发生明显偏转。裂缝位置如图6(a)所示。由于该条裂缝处的钢筋上并未布置应变片，故并未监测到钢筋的应变变化情况。图6中圆圈为应变片所在位置，框中为突然出现的混凝土裂缝。对于S-B-0工况加固梁，荷载达到F时梁内混凝土突然出现裂缝导致了荷载-跨中挠度曲线发生明显偏转。此时该工况加固梁的荷载-钢筋应变曲线出现了水平段，见图7(a)所示。这是由于混凝土裂缝恰好出现在跨中位置，如图6(b)所示。该水平段末端对应的钢筋应变为1 181 με，该应变值远未达到钢筋的屈服应变2 440 με，说明加固梁此时并未达到屈服。与钢筋应变发展类似，荷载-纤维应变曲线也相应出现了一水平段，见图7(b)所示。这是由于试验梁受拉区混凝土出现裂缝后，原由受拉区混凝土承担的正应力分别被钢筋和纤维承担，使得钢筋、纤维织物在外荷载基本不变的情况下拉应力突然增加，因而这2种材料的应变也相应增大。对于S-B-1工况，当荷载达到F时，在加固前已存在的裂缝位置对应的预应力CTRC板上产生裂缝，这是荷载-跨中挠度曲线发生偏转的原因。由于在加固前钢筋已经达到屈服状态了，加固后梁截面增加的正应力主要由纤维承担。

(a) S-B-1工况；(b) S-B-0工况

(a) R-B工况；(b) S-B-0工况；(c) S-B-1工况

表3 试验结果汇总表

(a) 荷载-钢筋应变曲线；(b) 荷载-纤维应变曲线

对于R-B工况和S-B-0工况，荷载-跨中挠度曲线在点发生偏转是由于试验梁中纵向钢筋达到了屈服，荷载达到F时，钢筋应变分别为2 616 με和2 765 με，表明钢筋已经进入屈服阶段了。

荷载-跨中挠度曲线图中点对应于试验梁发生破坏。参考梁发生典型的适筋破坏，即钢筋屈服后由于混凝土压碎而破坏；加固梁均因预应力CTRC板断裂而破坏。点对应的荷载表示试验梁的极限荷载。与参考梁R-B相比，加固梁的极限承载力明显提高，提高幅度在75%以上。无论加固工况中梁持载水平高低，加固梁的极限荷载提高幅度比较接近。

2.2 平截面假定

图8为沿梁跨中截面高度的应变分布图，主要使用梁顶混凝土压应变、梁侧混凝土应变、钢筋应变及纤维应变进行绘制。从图8可以看出，所有试验梁基本符合平截面假定。

图8 沿梁截面高度应变分布图

2.3 正常使用极限状态荷载及构件的延性

正常使用极限状态荷载是指对应于混凝土梁挠度限制的荷载，它是设计梁构件的一个重要指标。依据《混凝土结构设计规范》[17]，试验梁的挠度限值为跨度的1/200。本文试验梁的跨度均为2 200 mm，即正常使用极限状态荷载对应的挠度为11 mm。根据这一挠度值确定了试验梁的正常使用极限状态荷载见表3。从表3可知，预应力CTRC板的存在可以提高加固梁的正常使用极限荷载。与R-B工况参考梁相比， S-B-0工况和S-B-1工况加固梁的提高比例分别为64.1%和25.3%。

表4给出了试验梁的挠度及试验梁延性系数。试验梁的延性通常用延性系数来衡量，本研究中的延性系数为试验梁的极限荷载­对应的挠度值与试验梁开裂后有钢筋屈服时的挠度值的比值。具体地说，对于R-B工况参考梁和S-B-0工况加固梁，延性系数为荷载-跨中挠度曲线中点对应的挠度值与点对应的挠度值的比值。对于S-B-1工况加固梁，延性系数为荷载-跨中挠度曲线中点对应的挠度值与点对应的挠度值的比值。由表4可知，加固梁的延性均低于参考梁的延性，但加固梁的延性变化不大。

表4 挠度及延性系数

3 加固梁极限承载力计算

3.1 基本假定

1) 加固前后，试验梁在加载过程中沿梁截面高度均符合平截面假定，如图9所示。

2) 受拉区的混凝土开裂后，将不再考虑混凝土的抗拉强度。

3) 预应力CTRC板与混凝土梁之间的黏结是可靠的。

4) 钢筋的应力-应变关系采用理想弹塑性 模型。

5) 混凝土受压的应力-应变关系曲线依照文献[17]选取，如图10所示。其中0=0.002，混凝土的极限压应变cu=0.003 3。

3.2 理论计算推导及计算结果分析

所有加固梁均因预应力CTRC板断裂而破坏，即破坏时预应力CTRC板达到其极限拉应变。此时钢筋已经屈服但混凝土尚未达到其极限压应变。破坏时，由截面内力平衡关系，有

式中：C为受压区混凝土合力；Fs为梁底纵向钢筋的拉力；Ff为预应力CTRC板的拉力。

图10 混凝土应力-应变关系

依据混凝土应力-应变曲线，合力经过积分运算可得：

式中：为试验梁的宽度；cb为受压区边缘的混凝土压应变。

由于持载工况是在混凝土梁持载时用预应力CTRC板对其进行加固，不同持载水平加固梁中的预应力CTRC板存在有不同的滞后应变。需先分情况对滞后应变进行计算。对于S-B-0工况，显然其对应的滞后应变为0。对于S-B-1工况，梁持载时的钢筋应变为s1=4 189 με，已达到屈服。依据平截面假定可得

式中：c1为持载时混凝土受压区边缘应变；u1为持载时梁受压区高度；Lag1为持载时混凝土梁底对应的应变，即为S-B-1工况对应的滞后应变。

通过式(5)可以得到

联立式(3)，(4)及(6)可以求得c1和u1，将它们代入式(7)即可求得滞后应变Lag1。

加固梁破坏时，依据平截面假定有

式中：Lag为加固工况对应的滞后应变，由上式得

联立式(3)，(4)及(9)可以求得加固梁破坏时的受压区高度u。

为计算方便，混凝土受压区的应力图形用一个等效的矩形应力图形代替，矩形应力图的应力取为c，如图9所示。该等效应力图形与原应力图形不但合力大小相等且合力的作用位置完全一致，据此可以求得等效的矩形应力图形的受压区高度与实际受压区高度u的比值即

对受压区混凝土合力作用点取矩，则加固梁的极限弯矩为

故加固梁的极限承载力

通过以上理论推导可以获得加固梁极限承载力的计算结果，见表5。并将之与试验结果对比发现计算结果与试验结果较接近。

表5 计算结果与试验结果

4 结论

1) 用预应力CTRC板加固持载混凝土梁可以明显提升正常使用极限状态荷载和极限承载力。与参考梁相比，加固梁的正常使用极限状态荷载与极限承载力提高幅度最大分别64.1%和80.6%。

2) 所有加固梁均因预应力CTRC板断裂而破坏。加固梁的延性比较接近，但均比参考梁的延 性低。

3) 加固梁的沿梁截面高度应变分布基本符合平截面假定。

4) 提出了一种计算加固梁极限承载力的方法，且计算结果和试验结果较接近。

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Flexural behavior of RC beams repaired with prestressed CTRCplates under sustaining loads

DU Yunxing1, 2, SHAO Xicheng1, ZHOU Fen1, 2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Key Laboratory for Damage Diagnosis of Engineering Structures of Hunan Province, Changsha 410082, China)

In this paper, flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams repaired with prestressed carbon textile reinforced concrete (CTRC) plates under sustaining loads was studied by four-point bending test. Two repaired cases and a reference case were completed according to the sustaining load level. The load-middle span deflection curves, load-strain curves, bearing capacity, ductility and failure modes of all test cases were analyzed. Experimental results indicate that the use of prestressed carbon textile reinforced concrete (CTRC) plate can significantly improve the serviceability limit state load and ultimate load of RC beams under sustaining loads. But the ductility of repaired beams decreased. Compared to the unstrengthed beam, the maximum increase rate of the serviceability limit state load and ultimate load of repaired beam reached 64.1% and 80.6% respectively. The calculation method for the ultimate load of repaired beams is presented. A comparison between the calculated and experimental results revealed a satisfactory agreement.

TRC plates; prestress; sustaining loads; repair; flexural behavior

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190257

TU375.1

A

1672 - 7029(2020)01 - 0189 - 09

2019-04-03

湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ2043)；长沙市科技计划重大专项资助项目(kq1703002，kq1804002)

杜运兴(1971-)，男，河南平顶山人，教授，博士，从事结构加固领域研究；E-mail：duyunxing@hnu.edu.cn

(编辑 蒋学东)