附加锚固法对CFRP加固RC梁的力学性能研究

刘金娥 何伟 刘吉敏 付婷婷

摘 要：为评价各附加锚固法的优劣和CFRP加固梁式结构的延性，通过钢筋混凝土梁的抗弯加固试验，研究不同附加锚固法对加固结构综合力学性能的影响及其作用机制，并根据试验观察，提出材料利用率指标，并发展了位移延性系数指标，以解决现有研究的不足。研究结果表明，采用不同附加锚固法可提高加固梁的综合力学性能，其中混杂锚固法的抗弯加固效果最优，提出和发展的指标可较好地评价加固、锚固效果与加固结构的延性。

关键词：钢筋混凝土梁;CFRP加固;锚固方法;材料利用率;延性

中图分类号： TU528  文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2021）01-0049-07

收稿日期：2020-09-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51208005）;安徽理工大学博士基金资助项目（11084）

作者简介：刘金娥（1995-），女 ，安徽滁州人，在读硕士，研究方向：结构工程。

Study of RC Beams Strengthened by Externally Bonded CFRP Sheets with  Additional Anchoring Methods

LIU Jine1，HE Wei1，LIU Jimin1，FU Tingting2

（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui  232001，China;2.Housing Engineering Department of General Station of Construction Project Quality and Safety Administration and Supervision， Jinhua Zhejiang  321000，China）

Abstract：To evaluate different additional anchoring methods and the ductility of beams strengthened by CFRP， the effects and the mechanism of anchoring methods on mechanical performance of strengthened beams are studied by the experiments. The paper proposes a material utilization ratio index and develops a displacement ductility index to solve the deficiency of the existing researches according to the experimental observation. The experimental results show that the mechanical performance of strengthened beams will be improved by additional anchoring methods， among which the strengthening effect provided by the hybrid anchoring method is the best. The proposed and developed indices are capable of evaluating the strengthening and anchoring effects， and the ductility of strengthened structures.

Key words：reinforced concrete beam; CFRP strengthening; anchoring method; material utilization ratio; ductility

纖维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，FRP）复合材料广泛应用于钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）结构的抗弯加固[1-4]。试验研究表明，FRP-混凝土界面的早期剥离破坏不仅会导致无法充分利用FRP的高强材料特性，而且会导致加固失效[5-6]。因此，FRP-混凝土界面的可靠粘贴，是确保有效提高加固结构的综合力学性能与FRP材料利用率的关键[7]。

附加锚固法是实现FRP-混凝土界面可靠粘结的有效途径之一。现有附加锚固法主要有端部机械锚固[8]、U形箍（FRP）锚固[9]、梁侧约束钢板锚固[10-11]和混合锚固[12]等方法。然而，当前研究还有很多不足。首先各附加锚固方式的研究多为独立开展，即便是同种锚固法，在不同研究中得到的锚固效果也不同。例如，文献[13]采用普通端部机械锚固法，延缓了CFRP布的剥离，但是CFRP布一旦发生剥离并迅速向锚固端开展，并从锚固件中滑动拉出;文献[14]采用同样的端部机械锚固法，但是锚固件最终并没有发生滑移;文献[15]研究了不同形式的FRP-U形夹具对剥离破坏的影响，结果发现在低弯矩区域采用斜向FRP-U形夹具比采用垂直FRP-U形夹具的锚固效果要好。因此，如何有效评价各附加锚固法的优劣，是亟待解决的问题。其次已有研究表明外粘FRP加固法降低了梁式结构的延性[16]278，结构易发生脆性破坏。在结构遭受意外动态作用时，足够的延性可保证其有能力吸收一定的能量，不会因过大的能量输入而使结构突然丧失承载能力。然而，以往研究通常致力于提高加固结构的承载力[13]403，而忽略了对其延性与变形能力的研究。

针对以上问题，本文采用试验的方法，研究不同附加锚固法对加固结构综合力学性能的影响，并提出FRP材料强度利用率指标，发展了位移延性系数指标，以分别评估不同附加锚固法的优劣和加固结构的延性。

1 试验概况

1.1 试验梁与材料

试验共制作了5根尺寸、配筋与混凝土（按同一配比制作）强度均相同的RC矩形截面梁[17]27。试验梁的尺寸、配筋及加载方式如图1所示，其中梁底纵向受拉钢筋为HRB335带肋钢筋，梁顶架立钢筋及箍筋均为HPB300光圆钢筋。试验所用各材料的力学性能指标如表1所示。

1.2 加固方案、锚固方法

梁B0作为未加固的对比梁，其它4根梁均采用碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）布进行抗弯加固，加固参数见表2。

为研究不同锚固法对加固梁力学性能的影响，试验采用了如图2所示的三种附加锚固法[17]30。试验梁的设计参数如表2所示。

1.3 加载方案、测量及观测

试验采用500kN液压伺服压力机进行三点弯单调加载。 首先， 对梁预加载; 其次， 以力控制的方式加载至30kN，加载速率为2kN/min;待梁开裂后，再加载至100kN，加载速率为5kN/min;然后，以2kN/min的加载速率持续加载至140kN; 最后， 以位移控制的方式加载至梁破坏， 加载速率为0.2mm/min。

采用沿梁跨中对称分布的15个应变片（电阻值为120SymbolWA@，栅长2mmSymboltB@栅宽1mm）测量CFRP布的应变。并对应变片进行温度补偿，以提高数据的准确性。采用量程为50mm的位移传感器（LVDT）测量梁的跨中挠度。

CFRP加固结构的破坏模式定义为混凝土压溃、CFRP布断裂、梁中受力钢筋拉断等形式。故在测试过程中需观测并记录各梁的破坏模式。

2 试验结果和讨论

2.1 试验梁的破坏模式

由试验观察，梁B0为典型的适筋破坏模式;前期破坏过程中梁B1、B2、B3和B4的受拉区混凝土开裂、弯曲裂缝充分发展，但裂缝发展速度和宽度不相同。其中，因加固材料的不完全粘结，梁B1最终的破坏模式为粘结层内部的宏观界面剥离。梁B2和B3的后期破坏发展过程为：跨中弯曲微裂缝不断扩展导致裂缝贯通，使裂缝附近的CFRP-混凝土界面粘结应力超过了界面粘结强度，引起局部剥离破坏;随着荷载的逐级增加，该剥离发展至梁端的钢板压条或U形箍处，但锚固件限制了CFRP布的进一步剥离和滑移，由于压缩区混凝土承担的应力在逐渐增长，因而最终造成混凝土压溃，结构丧失承载力。梁B4的后期破坏发展过程为：跨中裂缝引起CFRP布剥离，剥离向两边锚固件发展;但由于多个锚固件的约束，延缓了CFRP布的剥离;随着外荷载的增加，CFRP布断裂，结构挠度急剧增加，继而丧失承载力。试验梁的最终破坏模式如表3所示。

由表3的破壞模式可推断出，梁B4的CFRP材料利用率最高，为100%，这是由于CFRP布的应变超过了其极限应变，梁B4发生断裂。

2.2 试验梁的抗弯力学性能

1）承载力

为评价加固与锚固效果，本文提出了在承载能力极限状态下CFRP的材料强度利用率指标Rε（见表4），计算如下

Rε=max（εf）εfu

式中：εf和εfu分别为CFRP布中的应变与极限应变。

由表4可见， 较梁B0， 梁B1、 B2、 B3和B4的开裂荷载无明显提高， 并由图3可知， 初始裂缝出现前（对应荷载为20kN）， 各梁中CFRP布的应变非常小，此时拉应力主要由混凝土和钢筋承担。主要是由于在自重作用下，原结构内部已累积了一定的应力、应变，在加固后，CFRP布并未立即分担荷载，其应力、 应变滞后于原结构的累积应力、应变，当加固梁开裂时，CFRP布的应力与应变水平还很低。

较梁B0，梁B1、B2、B3和B4的屈服荷载分别提高了9%、5%、11%和4%，结合图3可见，混凝土开裂后（对应荷载为90kN），各加固梁的CFRP布的应变增大至1 000με，这是由于受拉区混凝土开裂后逐渐退出工作，荷载主要由钢筋和CFRP布承担;随着荷载增大，结构内部的应力、应变水平发生转移，CFRP布的应力、应变水平逐渐增大。

较梁B0，梁B1、B2、B3和B4的极限荷载分别提高了11.7%、9.8%、17.7%和18.3%，结合图3可见，受拉钢筋屈服之后（对应荷载分别为118kN、128kN和138kN），梁B1、B2、B3和B4中CFRP布的应变值分别增高至2 109με、8 452με、6 700με和7 783με，这是由于受拉钢筋屈服后，CFRP布承担了较大份额的荷载，此时CFRP布的应力、应变水平迅速增长。在此阶段，梁B1的CFRP布最大应变值为2 109με，这是因为CFRP布发生早期剥离，导致梁发生脆性破坏，故CFRP材料强度利用率低;梁B2和B3的CFRP布应变差异不明显，但均远高于梁B1，原因是锚固件有效地抑制了裂缝的萌生与扩展，推迟了CFRP布的早期剥离，促使CFRP布进一步承担荷载，提高了梁的抗弯力学性能。梁B3和梁B4的极限荷载几乎一致，原因是梁B4的分布式裂缝及斜裂缝变多，破坏了结构的相对完整性，导致梁B4的混凝土承载能力降低。

研究中，因未在梁B4的CFRP断裂处布置应变片，故无法测得该处的应变，但由其破坏模式（见表3）可合理推断出，在达到承载能力极限状态时，CFRP的应变达到了其极限应变。

2）挠度与刚度

各梁的荷载-挠度曲线（见图4）表明，在混凝土开裂前的弹性阶段，各加固梁与梁B0表现出相近的力学行为，且跨中挠度及刚度与梁B0基本相同;在混凝土开裂后、钢筋屈服前阶段，各加固梁的开裂刚度和开裂荷载均比梁B0有所提高，这是由于裂缝处的CFRP布开始发挥作用，缓解了结构内部的应力集中现象，抑制了裂缝的进一步发展，保证了梁受力截面的相对完整性，截面刚度未出现大幅下降。基于上述相同机制，梁B2、B3和B4的挠度均比梁B1低;在到达峰值荷载后，较之梁B1，梁B2、B3和B4均维持了较好的变形能力。

3）延性

出于安全考虑，在混凝土构件中使用FRP加固时，有必要对其延性进行定量评估[16]274。本文发展了位移延性系数指标以评价加固梁的延性。

μΔ=δuδy

式中：δu和δy分别为极限状态和屈服状态时的挠度。

梁式结构的延性主要由钢筋的屈服及分布式弯曲裂缝提供。由表4可知，较梁B0，梁B1、B2和B3的延性降低，而梁B4的延性高于梁B0，原因是梁B1、B2和B3加固后，其裂缝分布及其数量发生了改变，分布式裂缝相对梁B0变少，故而延性降低。但较梁B1，梁B2、B3和B4的延性系数分别提高了67%、53%和90%，这是由于锚固件的约束作用，抑制了裂缝的萌生和发展，有效阻止CFRP布的端部滑移和過早的剥离破坏，有助于CFRP布进一步变形。

2.3 附加锚固法的锚固机制分析

根据试验观察，与梁B1相比，不同附加锚固法均能提高加固梁的综合力学性能，根本原因在于以下锚固机制：①化学胶结机制;②机械摩擦机制;③骨料咬合机制。一般情况下，骨料咬合提供的锚固力最强，机械摩擦次之，化学胶结最弱。

钢板锚固的物理机制为化学胶结与机械摩擦提供的锚固力，其中紧固件产生的机械摩擦对锚固力有较大的贡献。U形箍的锚固力依靠化学胶结提供的界面抗剪能力。在文献[18]的基础上，本文发展了混杂锚固法的锚固机制，该机制联合利用了胶结-机械摩擦-骨料咬合机制（见图5），其锚固机制在于化学胶结、机械紧固件施加在CFRP布上所产生的摩擦阻力以及混凝土基质开裂所产生的骨料咬合力提供锚固力，其中骨料咬合力提供的锚固力最强，机械紧固件产生的摩擦阻力次之，化学胶结提供的最弱。由表4可知，梁B1的材料利用率为14.1%，在混杂锚固体系中，扣除梁B1的胶结力，则可合理推断出机械摩擦和骨料咬合的贡献度为85.9%。

从不同附加锚固法加固梁的破坏模式和试验结果来看，混杂锚固梁的裂缝宽度和间距最小，U形箍锚固梁次之，而钢板压条锚固梁相对最大;此外，三种附加锚固方法对受弯梁的承载力和延性都有不同程度的提高，但混杂锚固法对受弯梁的极限承载力和延性提高幅度最大，符合预期，在一定程度上反映了其锚固机制。

3 结论

（1）附加锚固法提高了CFRP加固RC梁的综合力学性能，其中混杂锚固方法加固梁的综合力学性能最好。

（2）研究提出的CFRP材料利用率指标能较好地评价加固和各附加锚固法的锚固效果。混杂锚固法的锚固效果最好，钢板压条锚固法次之，U形箍的锚固效果相对最弱。

（3）基于试验发展的位移延性系数指标能较好评价CFRP加固梁式结构的延性。其中混杂锚固法加固梁的延性最好，钢板压条锚固法次之，U形箍锚固法加固梁的延性相对最低。

（4）锚固机制分析深层次地解释了各附加锚固法具有不同锚固效果的原因，可为今后开发新型附加锚固方法提供锚固作用机制方面的参考。

参考文献：

[1] WU Z S， HE W， YIN J， et al. Strengthening performance of FRP sheets in concrete tunnel linings[J]. Concrete， 2003， 37（6）： 33-34.

[2] HE W， WU Y F， LIEW K M， et al. A 2D total strain based constitutive model for predicting the behaviors of concrete structures[J]. International Journal of Engineering Science， 2006， 44（18-19）： 1 280-1 303.

[3] GE W J， ASHOUR A F， CAO D F， et al. Experimental study on flexural behavior of ECC-concrete composite beams reinforced with FRP bars[J]. Composite Structures， 2019， 208： 454-465.

[4] 张军伟， 王廷彦. CFRP布加固钢筋混凝土短梁受弯性能试验研究[J]. 混凝土， 2020， 9： 31-36.

[5] WU Z S， YIN J. Fracturing behaviors of FRP-strengthened concrete structures[J]. Engineering Fracture Mechanics， 2003， 70（10）： 1 339-1 355.

[6] 滕锦光. FRP加固混凝土结构[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2005.

[7] 吴智深. FRP粘贴结构加固中的几个关键问题和技术[J]. 建筑结构， 2007， 37（S1）： 114-120.

[8] ZHOU Y W， WANG X W， SUI L L， et al. Effect of mechanical fastening pressure on the bond behaviors of hybrid-bonded FRP to concrete interface[J]. Composite Structures， 2018， 204： 731-744.

[9] HASNAT A， ISLAM M M， AMIN A F M S. Enhancing the Debonding Strain Limit for CFRP-Strengthened RC Beams Using U-Clamps： Identification of Design Parameters[J]. Journal of Composites for Construction， 2016， 20（1）： 04015039.

[10] 梁玉国， 赵炎， 宋丽娟. 碳纤维布加固低强度混凝土梁不同附加锚固方式试验研究[J]. 华北地震科学， 2015， 33（S）： 99-106.

[11] ABABNEH A N，AL-ROUSAN R Z，GHAITH I M N.Experimental study on anchoring of FRP-strengthened concrete beams[J].Structures，2020， 23： 26-33.

[12] 胡程鶴，吴智敏，宿莹，等.FRP复合锚固技术试验研究[J]. 防灾减灾工程学报，2010， 30（3）： 309-314.

[13] 董坤， 戟治鹏， 杨松， 等. 端部机械锚固FRP-混凝土黏结界面承载力试验研究[J]. 建筑结构学报， 2020， 41（S1）： 399-405.

[14] AKBARZADEH BENGAR H，SHAHMANSOURI A A.A new anchorage system for CFRP strips in externally strengthened RC continuous beams[J]. J Build Eng， 2020， 30： 101230.

[15] FU B， CHEN G M， TENG J G. Mitigation of intermediate crack debonding in FRP-plated RC beams using FRP U-jackets[J]. Composite Structures， 2017， 176： 883-897.

[16] KIM Y J， SHI C， GREEN M F. Ductility and cracking behavior of prestressed concrete beams strengthened with prestressed CFRP sheets[J]. Journal of Composites for Construction， 2008， 12（3）： 274-283.

[17] 付婷婷. 锚固方法对FRP抗弯加固梁的力学性能影响研究[D]. 淮南： 安徽理工大学， 2017.

[18] WU Y F， HUANG Y. Hybrid Bonding of FRP to Reinforced Concrete Structures[J]. Journal of Composites for Construction， 2008， 12（3）： 266-273.

（责任编辑：丁 寒）