CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯力学性能试验研究

沙丽荣，陈文龙，王秀丽

1吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118 2吉林省结构与抗震科技创新中心，长春 130118

钢筋混凝土是一种传统的建筑材料.目前,我国大部分建筑结构形式依旧是钢筋混凝土结构,但混凝土自身存在一定的缺点,例如抗拉强度低、抗裂性能差、受拉区容易开裂等,这些缺陷不利于结构抗震.近年来,随着设计标准的不断更新,对建筑结构安全性能的要求也越来越高.因此,如何对已完成的建筑构件进行加固已成为重点研究内容[1-3].碳纤维增强复合材料(CFRP)加固技术逐渐成为研究的热点.与传统的钢板加固方式相比,CFRP加固具有质量轻、强度高的优点,而且刚度高、耐腐蚀、耐疲劳、施工便利,所以在土木工程中得到了广泛应用[4-6].CFRP是土木工程中应用广泛的一种纤维增强加固材料,它具有极高的抗拉强度,在达到抗拉强度之前几乎不会产生塑性变形,受拉时应力和应变呈弹性上升.将其用于钢筋混凝土加固能够充分结合两者的优点,并能有效提高钢筋混凝土的抗压和抗拉性能[7-8].本文用碳纤维布加固的钢筋混凝土梁和无加固的普通混凝土梁进行对比试验,研究CFRP加固对钢筋混凝土梁力学性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

本次试验共浇筑6根钢筋混凝土试验梁,其中4根为CFRP加固的试验梁,2根是未加固的普通混凝土梁作为试验对照组.另外浇筑3个素混凝土试块及4根Ф8钢筋进行材料的力学性能试验.通过弯曲试验研究CFRP加固对钢筋混凝土梁抗弯力学性能的影响.

6根试验梁均设计成矩形截面简支梁,试件的混凝土设计强度为C30,跨度长为L=1 000 mm,净跨为L0= 800 mm,截面尺寸为b×h= 75 mm×100 mm.3个素混凝土试块设计成边长为100 mm的立方体.试验梁的尺寸、钢筋配置情况及CFRP加固的位置如图1所示,梁的弯曲试验分组情况见表1.

图1 试件尺寸及配筋图(单位:mm) Fig.1 Specimen size and reinforcement drawing(Unit:mm)

表1 试验梁分组及加固情况Table 1 Grouping and strengthening of test beams

1.2 试件制作及参数

本试验所有试件采用同一批次材料制作而成,将试验材料充分混合后装入试模,进行浇筑和振捣,人工垂直插捣并用抹刀沿四壁插拔数次,当试验材料分布均匀后停止,最后用橡皮锤试模4周.浇水养护7 d,当试件强度达到75 %即可拆模,随后自然养护至28 d,达到强度后方可开始试验.同时制作了3个立方体素混凝土试块,与试验梁相同条件进行养护至28 d,达到强度要求后开始试验.

本试验采用日本三菱公司生产的CFRP碳纤维布,其厚度为hf=0.167 mm,通过试验测得其破坏荷载为F=14.026 kN,抗拉强度为ft=3 339 MPa,弹性模量为E=2.39×105MPa.同时通过试验测得素混凝土立方体试块的抗压强度为37.55 MPa,混凝土的弹性模量和泊松比分别为E= 3×104MPa,μ= 0.2.测得钢筋的屈服强度为537.28 MPa,钢筋的弹性模量和泊松比分别为E= 2×105MPa,μ= 0.3.

1.3 试验方案

本次试验装置如图2所示.

图2 试验装置Fig.2 Test loading

试验使用微机控制电液伺服万能试验机(WAW-600 kN),对CFRP加固后的钢筋混凝土梁和无加固的普通钢筋混凝土梁分别进行三点式弯曲加载试验.首先,将试件放置于机器中间,在试件的跨中施加集中荷载,自动控制加载并自动测量数据,在电脑端采集实验数据.其次,将千分表固定于试验梁的两端和中间,分别测量梁的端部和跨中的挠度.本试验在加载过程中采取分级加载的方式,每级荷载的增幅为2 kN,荷载每增加2 kN时记录对应的跨中位移和端部位移.

2 实验现象及结果对比

2.1 试验现象

试件B1和B2为未加固的普通钢筋混凝土梁.在加载过程中,钢筋混凝土试件的下表面开始出现若干细小裂纹,随后下表面裂缝逐渐扩展,直至出现主裂缝.在试验梁的纯弯区段,可见明显的斜向裂缝,而且裂缝尺寸随着荷载的不断增加而加大,方向为向左倾斜45°.随着荷载的不断增加,主裂缝和小裂缝的宽度开始增大,并露出钢筋,直至钢筋弯曲,并且伴随有混凝土碎块的脱落.卸载后,试验梁仍然呈弯曲的状态,不能恢复原状.试验结果如图3所示.由此可见,未加固的钢筋混凝土梁所产生变形的是不可逆的塑性变形.

图3 未加固梁试验结果Fig.3 Test result of unreinforced beam

试件B3-B6为CFRP加固的钢筋混凝土试验梁,加载过程和未加固的普通钢筋混凝土梁相同.加固的试验梁在加载过程中,出现小裂纹的时间相比未加固梁而言相对滞后.加固的试验梁在加载的过程中,首先下表面开始出现若干条细微裂纹,随着荷载的不断增加,裂缝开始扩展,并出现两条明显的呈“八”字形走向的倾斜主裂缝,在主裂缝扩展的同时,试件底部依然会产生若干新的小裂纹,直到两端的裂缝呈对称分布.其次,当荷载增加到一定程度时,混凝土保护层还会出现许多条沿纵筋分布方向的水平裂纹,当水平裂缝的宽度达到一定程度时,CFRP布开始从裂缝的底部与混凝土保护层截面剥离,这种剥离一直延伸到试件的端部.随着裂缝宽度的增大,试件开始露出钢筋,而且钢筋发生弯曲变形,伴随着碳纤维布的不断拉伸,开始掉落混凝土小碎块,次斜裂缝和主裂缝逐渐扩展,相交并形成一个三角棱柱形的混凝土块体.最后,随着荷载的继续增加,试件下部的碳纤维布继续产生拉伸,直至加固的钢筋混凝土试件达到其屈服荷载,加固碳纤维布仍未破坏,而是与钢筋混凝土的下表面彻底剥离.即使当CFRP布最后与试验梁分离时,所形成的三角棱柱形混凝土块体仍然附着在碳纤维布上,如图4所示.当试件卸载后,CFRP加固的钢筋混凝土梁的裂缝宽度开始明显缩小，同时伴有明显的弹性变形,加固后的钢筋混凝土梁卸载后能基本恢复到加载前的形态,如图5所示.由此可见,CFRP加固的钢筋混凝土梁所产生变形的是弹性变形.

图4 加固梁试验结果Fig.4 Test result of reinforced beam

图5 加固梁卸载后变形Fig.5 Reinforced beam deformation after unloaded

2.2 试验结果对比

2根未加固的普通钢筋混凝土梁(B1,B2)和4根CFRP加固钢筋混凝土梁(B3-B6)的分组力学性能试验结果见表2.

从表2中的试验数据可以得出,CFRP加固后的钢筋混凝土梁与未加固的普通钢筋混凝土梁相比,初始裂纹荷载提高了138 %(平均值),由于初始裂纹荷载值与钢筋混凝土内部组织结构的不均匀性、试验设备的加载速度以及人为观察等因素产生的误差等具有一定的关系,因此实测数值会有所不同;另外,加固钢筋混凝土梁的屈服荷载和极限荷载与未加固试验梁相对比,则分别提高了110 %和103 %,而跨中最大挠度却降低了59.3 %.由此可见，CFRP布对钢筋混凝土梁起到了明显的加固作用根据试验所采集的数据,分别绘出6根试验梁的位移-荷载曲线,如图6和图7所示.将图6,图7进行对比可以得出,利用CFRP布来加固钢筋混凝土梁能够有效增加其承载能力,并且能够有效控制其挠度的发展.

表2 钢筋混凝土梁加固试验结果Table 2 Experimental results of strengthening reinforced concrete beams

图6 试件B1，B2位移-荷载Fig.6 Displacement-load of specimen B1，B2

图7 试件B3-B6位移-荷载Fig.7 Displacement-load of specimens B3-B6

3 有限元模拟分析

3.1 有限元模型的建立

模型采用钢筋混凝土矩形截面简支梁结构,梁的跨度为1 000 mm,净跨为800 mm,梁的横截面尺寸为75 mm×100 mm.混凝土强度等级为C30,混凝土的保护层厚度为10 mm,纵向受拉钢筋为2φ8,受压钢筋为2φ8的不通长钢筋.建立有限元模型如图8所示.

图8 有限元模型Fig.8 Finite element model

3.2 有限元模拟结果分析

图9为极限荷载作用下CFRP加固的钢筋混凝土梁的等效应力分布图.由图9可见,在单点跨中加载的情况下,当加载至极限荷载时,加固混凝土梁的加载点区域的应力达到了混凝土的抗压强度设计值,同时跨中附近的梁的下边缘的混凝土也达到了抗拉强度.

图9 梁的应力云图Fig.9 Stress nephogram of beam

图10为试验梁的应变云图.由图10可以看出,加固后的应力极值为14.3 MPa,应变极值为0.001 053.应力和应变极值均发生在加载点附近区域.通过有限元模拟结果说明碳纤维布能够分担部分承载力,有效提高梁的强度和刚度,与上述试验结果相一致.

图10 梁的应变云图Fig.10 Strain nephogram of beam

4 结论

通过对CFRP加固的钢筋混凝土梁和未加固的钢筋混凝土梁进行加载弯曲试验和有限元模拟分析,得出以下结论:

(1) 采用CFRP加固钢筋混凝土梁后,大大提升了其抗拉、抗压性能和抗弯刚度,所产生的裂缝分布相对比较密集,裂缝沿梁长分布均匀且宽度更小,能够有效抑制裂缝的扩展.

(2) CFRP加固后的钢筋混凝土梁在初裂荷载、屈服荷载和极限荷载方面均有大幅提升,说明加固后的钢筋混凝土梁在承载力方面有较大提升.

(3) 通过有限元软件对CFRP加固后的钢筋混凝土梁的力学性能进行分析,模拟结果与试验结果相一致,可以更直观体现试验的结果.