碳纤维布加固钢筋混凝土T型梁抗弯扭性能试验研究

王 仪，王兆晨，赵 晋，尤培波

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443000)

由于环境侵蚀、火灾地震等环境因素和施工失误、碰撞冲击等人为因素，钢筋混凝土结构在使用中可能会出现承载力不足、耐久性降低等现象。常用的加固方法有粘钢法、增大截面法、复合砂浆钢筋网加固法和外贴碳纤维布(CFRP)等[1]。其中，碳纤维布加固具有成本相对低、强度高、质量轻、耐久性能好、施工方便、适用范围广等优点，已在土木工程中得到了广泛应用[2-3]。

目前，国内外学者对采用碳纤维布加固方法进行了大量的研究，主要涉及抗弯加固、抗剪加固和抗压加固研究。其中，Al-Negheimish等[4]进行了碳纤维布加固扁宽梁抗弯试验，结果显示加固梁的抗弯承载力显著提高；仇泽等[5]进行了碳纤维布修复加固带损伤梁试验，试验表明加固效果取决于二者的粘结性能；周朝阳等[6]提出新型抗剪加固方法，试验得出混锚预应力加固显著提高梁的抗剪承载力；赵晋等[7]进行了CFRP板加固梁抗剪试验，得出内嵌碳纤维板条加固可以有效增大梁的承载力；蔡斌等[8]通过MATLAB进行了数值分析，研究了碳纤维加固大偏心受压柱承载力可靠度变化规律；叶列平等[9]进行了FRP布约束混凝土方柱轴心受压性能的有限元分析，得出与试验相近的结果，为今后进行数值试验和影响因素分析奠定了基础。而在碳纤维布对钢筋混凝土梁加固中，研究大多集中在矩形截面梁，对T型截面梁的研究较少，而在建筑结构中，T型梁同样应用广泛；对梁受弯情况下的研究较多，对弯扭复合作用下的研究较少。因此，本文进行了在弯扭复合作用下，碳纤维布对钢筋混凝土T型梁加固效果的试验研究，并与仅受弯矩作用的加固构件进行对比，为今后采用碳纤维布加固在复合受力状态下钢筋混凝土T型梁的应用提供参考。

1 试验方案

1.1 试验试件

试验一共制作9根钢筋混凝土T型梁。梁全长为2 700 mm，尺寸为bf=250 mm，hf=75 mm，b=150 mm，h=300 mm。其中，纵向受力钢筋选用2Φ14，架立钢筋选用4Φ8。箍筋选用Φ6，采取两端加密的布置方式，两端箍筋间距为100 mm，跨中箍筋间距为200 mm。混凝土强度等级为C30，梁左端底部安装固定铰支座，支座中心距离梁左端150 mm；梁右端底部安装活动铰支座，支座中心距离梁右端150 mm。3根梁受弯矩作用，6根梁受弯扭复合作用。为施加扭矩，在T型梁的左端增加一段长为300 mm的矩形段。梁的具体尺寸见图1。采用标准试验测试了混凝土梁中材料参数，见表1。

1.2 加固方案

试验所设置的加固方案如表2所示，具体加固形式见图2。表中试验梁编号解释如下：试验梁的梁编号由三段构成，第一段中的字母NW表示弯扭复合作用下的试验梁，字母WJ表示弯矩作用下的试验梁；第二段的字母D表示底部全长粘贴碳纤维布，字母K表示仅在跨中荷载作用点之间粘贴碳纤维布；第三段的数字1～3表示粘贴碳纤维布的层数。若第二段无字母时，梁底部全长粘贴碳纤维布且每隔105 mm粘贴长度为550 mm的U型箍(参考梁除外)进行锚固；若第二段有字母时，仅在碳纤维布两端粘贴长度为550 mm的U型箍进行锚固。

表2 加固方式

注：粘贴碳纤维布的梁都在碳纤维布的两端粘贴长度为550 mm的U型箍各一个

图2 加固简图

1.3 试验加载方案

试验梁采用两点弯曲试验，使用60 T高精度推力千斤顶进行加载，通过分配梁将跨中荷载分配在梁上，使得梁中部建立纯弯段；为施加扭矩，在梁的左端矩形段上施加扭矩荷载。加载装置如图3所示。

正式加载前先进行预加载。正式加载时，首先施加扭转荷载，方向为顺时针方向，当扭矩增加到2 400 N·m时，保持扭矩不变(仅受弯矩作用的梁不需施加扭转荷载)；然后进行受弯加载，开始加载时跨中荷载每级增加5 kN，持续作用时间为5 min，加载至出现第一条裂缝时，将每级加载增大到10 kN，并维持每级荷载的持续作用时间不变，直至加载到梁腹板出现大部分裂缝且裂缝宽度明显加大，这时将每级加载降低为3 kN，但每级荷载的持续作用时间不变，直至加载梁被破坏。

图3 加载装置

1.4 试验测点布置

在千斤顶的顶部安置力传感器；在梁上共布置5个位移计，分别位于梁两端支座处顶部、梁跨中底部和梁左右各三分之一处底部，进行梁位移和挠度的测量；在梁跨中位置的底部纵筋上布置两个应变片，进行钢筋应变的测量。图4为位移计布置图，以NW-0为例。

图4 位移计布置

2 试验结果及分析

2.1 试验梁数据及破坏模式

试验过程中，采集了各个传感器的数据，描绘了裂缝的分布及发展规律，并记录了最终的破坏形式，在此基础上，确定了构件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载。试验梁的详细数据见表3。

表3 试验结果

注：Pc表示开裂荷载；Py表示屈服荷载；Pu表示极限荷载；Pu/Pu，c表示强度提高率；δy表示屈服挠度；δu表示极限挠度；δu/δy表示延性。

由表3可知：梁的破坏模式以CFRP断裂和U型箍剥离为主；同时对比NW-D-2和WJ-D-2可知，仅在梁端部进行U型箍锚固的梁，容易发生CFRP剥离破坏。其梁破坏模式如图5所示。以NW-3梁为例，其破坏过程如下：先施加扭矩，后施加弯矩荷载；加载到45 kN时，梁底部跨中位置附近出现第一条裂缝；加载到199 kN时，碳纤维布部分开裂，出现断裂响声，此时挠度为17.75 mm；加载到206.6 kN时，梁右端U型箍开始剥离混凝土表面，破坏荷载为209.8 kN。试验梁的破坏模式如图5所示。

图5 梁破坏模式

2.2 结果分析

梁跨中的荷载-挠度关系反映了梁承载能力的变化，本试验中各工况的荷载-挠度曲线都近似由三段直线组成，曲线第一个转折点对应开裂荷载，曲线第二个转折点对应屈服荷载。则每根加固梁的受力过程可分为三个阶段，第一阶段为开始加载到混凝土开裂；第二阶段为混凝土开裂到纵向受拉钢筋屈服；第三阶段为纵向受拉钢筋屈服到梁最终破坏。

2.2.1 碳纤维布层数对加固效果的影响

将NW-1、NW-2、NW-3与NW-0归为第一组梁，用于分析不同碳纤维布粘贴层数对加固效果的影响，其荷载-挠度曲线如图6所示。

图6 第一组梁荷载-挠度曲线

由图6和表3可知：

(1)在混凝土开裂前，碳纤维布对梁的抗弯刚度影响不大，在第一阶段末，开裂荷载随着碳纤维布层数的增加变化不大；

(2)当混凝土开裂后，碳纤维布加固作用的效果明显，其加固T型梁的抗弯刚度随着碳纤维布层数的增加而增大；在第二阶段末，随着碳纤维布层数的增加，屈服荷载也随之增加；

(3)当纵向受力钢筋屈服后，碳纤维布承受大部分的作用力；随着碳纤维布层数的增加，极限荷载随之提高，粘贴一层碳纤维布可使极限荷载增加约8.8%；粘贴两层碳纤维布可使极限荷载增加约42.7%；粘贴三层碳纤维布可使极限荷载增加约53.9%；但不难发现随着碳纤维布粘贴层数的增加极限荷载的增加程度有下降的趋势；

(4)根据延性的定义，随着碳纤维布层数的增加，钢筋混凝土T型梁的延性有降低的趋势，粘贴一层碳纤维布时的延性下降30.0%；粘贴两层碳纤维布时的延性下降43.1%；粘贴三层碳纤维布时的延性下降54.3%；因此在进行碳纤维布加固时所粘贴的碳纤维布的层数不易过多。

2.2.2 碳纤维布粘贴长度和锚固方式对加固效果的影响

将NW-2、NW-D-2、NW-K-2与参考梁归为第二组梁，用于分析碳纤维布粘贴长度和锚固方式对加固效果的影响，其荷载-挠度曲线如图7所示。

由图7和表3可知：

图7 第二组梁荷载-挠度曲线

(1)对比NW-2、NW-D-2与NW-0曲线，发现当在底部全长粘贴两层碳纤维布时，相对比未加固梁，梁屈服荷载分别增加了17.5%和38.4%，极限荷载分别增加42.7%和52.8%，说明底部全长粘贴碳纤维布加固效果显著；对比NW-K-2与NW-0曲线，不难发现此时二者曲线比较接近，说明当仅在底部跨中粘贴碳纤维布时，不能有效提高屈服荷载和极限荷载，其加固效果不明显。由此可见，碳纤维布的粘贴长度对加固梁受力性能的提高起着至关重要的作用。

(2)对比NW-2与NW-D-2曲线，发现二者的加固效果比较接近，NW-2的开裂荷载略大于NW-D-2曲线，说明沿全长均匀进行U型箍锚固的方式抗裂的效果较好；然而在弯扭荷载复合作用下，采用仅在端部用U型箍锚固的方式的梁抗弯性能略好于沿全长均匀进行U型箍锚固的梁，说明采用沿全长均匀进行U箍锚固的方式并不能明显改善梁的抗弯承载能力。

2.2.3 荷载作用方式对加固效果的影响

将NW-0、NW-D-2、NW-K-2与WJ-0、WJ-D-2、WJ-K-2归为第三组梁，用于分析不同荷载作用方式对加固效果的影响，其荷载-挠度曲线如图8所示。

图8 第三组梁荷载-挠度曲线

由图8和表3可知：

(1)对比曲线可知，分别在弯扭复合作用和弯矩单独作用下，各T型梁的开裂荷载比较接近，说明不同荷载作用方式对加固后T型梁的开裂荷载影响不大。

(2)对比NW-0与WJ-0、NW-D-2与WJ-D-2、NW-K-2与WJ-K-2三组曲线可知，对于不同碳纤维布加固方式，在弯扭复合作用下，梁的屈服荷载和极限荷载相较弯矩单独作用时均有所增加，说明此时由于顺时针扭转荷载的存在，对梁的抗弯承载能力有提高的作用；表明荷载作用方式对于梁的加固效果有着不可忽视的影响，对于此种情况应该在工程中引起重视，与仅受弯矩作用的梁的加固方式应区别对待。

(3)对比曲线结合表3可知，仅改变梁的受力状态，对钢筋混凝土T型梁的延性影响不大。

3 结论

通过碳纤维布加固弯扭复合作用下钢筋混凝土T型梁的试验，分析了不同CFRP粘贴层数、粘贴长度和锚固方式对钢筋混凝土梁弯扭复合作用下性能的影响；同时对比了弯扭复合作用和仅受弯矩作用时对梁的加固效果的影响，主要结论如下：

(1)在弯扭复合作用下，采用CFRP加固钢筋混凝土T型梁时，不同的CFRP粘贴层数、粘贴长度和锚固方式对钢筋混凝土梁的开裂荷载影响不大；采用底部全长粘贴CFRP时，随着粘贴层数的增加钢筋混凝土T型梁的抗弯承载能力逐渐增大，但承载能力增加的程度和钢筋混凝土T型梁的延性均有下降的趋势，说明并非粘贴CFRP的层数越多越好，根据实验结果推荐选用粘贴两层比较合理；通过对比不同CFRP粘贴长度和锚固方式的梁的试验，发现沿梁底部全长粘贴的效果明显优于仅在梁底部跨中粘贴，且采用U形箍端部锚固即可达到良好的抗弯加固效果。因此，为了保证加固效果，推荐沿梁底部全长粘贴端部锚固的加固方式即可。

(2)在不同荷载作用下，梁的加固与其受力状态密切相关。在实际工程中，梁经常处于复合受力状态，为达到良好的加固效果，不能仅关注梁在受弯状态的加固，更应该重视梁在弯矩、扭矩等荷载复合作用下的加固方法研究。