锚固方法和预应力水平对CFRP板加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

王海涛,朱长玉,熊 浩,许国文,刘赛赛

(1.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098; 2.中国建筑第八工程局有限公司,上海 200122; 3.上海碳纤维复合材料土木工程应用工程技术研究中心,上海 200122)

纤维增强复合材料(FRP)在基础设施领域的创新应用引起了有关学者广泛的关注,特别是碳纤维复合材料(CFRP)已大量应用于钢筋混凝土(RC)结构的加固中[1-5]。最常用的外贴CFRP加固方法虽然能够提高RC梁的抗弯性能,但CFRP端部易发生剥离破坏,导致CFRP强度利用率较低,高强特性不能得到有效的发挥[6-7]。

为解决普通外贴CFRP加固方法的早期剥离问题,通常在CFRP端部施加锚固措施[6-9]。国内外学者开发了多种端部锚固方法,如纤维布U形箍锚固、机械锚固、纤维束锚固、复合锚固、开槽锚固等[6-11],并进行了相关研究。黄丽华等[8]通过数值模拟,发现在碳纤维布加固混凝土梁上施加U形箍锚固能有效提高屈服荷载和极限荷载;董坤等[7]通过碳纤维布-混凝土单剪试验,发现机械锚固虽然可以显著提高界面承载力和纤维布强度利用率,但仍会发生锚固失效;卓静等[10]通过试验发现波形齿夹具锚显著优于碳纤维布U形箍;Wu等[11]和胡程鹤等[6]研究了复合锚固方法,验证了该方法能显著提高混凝土梁的承载力和变形。既有文献大多针对碳纤维布加固RC梁中的U形箍及新型锚固方法开展研究,而关于CFRP板加固工程中常用的机械锚固方法对CFRP板加固RC梁性能影响的研究则很少。

为了提高CFRP对RC梁的抗弯加固效果,Piatek等[12-17]结合体外预应力技术和外贴CFRP技术的优势,开展了预应力CFRP加固RC梁的抗弯性能研究,结果表明,采用预应力CFRP加固能够显著提高RC梁在正常使用阶段以及极限状态的受力性能。预应力水平是影响加固效果的一个重要参数。Yang等[15]通过试验发现,随着CFRP板预应力水平的增加,RC梁的开裂荷载和屈服荷载逐渐增大,但极限荷载基本不变,Piatek等[12]的研究也得到了相似的结论。然而,Deng等[16]通过试验发现,开裂荷载、屈服荷载及极限荷载均随着CFRP板预应力水平的增加而逐渐增大;Wang等[17]通过预应力碳纤维布加固RC梁的研究也发现了相似的现象。以上研究说明,随着预应力水平的提高,RC梁的开裂荷载和屈服荷载逐渐增大,但是不同研究者关于极限荷载变化趋势的结论并不一致,说明预应力水平对加固效果的影响比较复杂。

为进一步理解端部锚固和预应力水平对CFRP板加固效果的影响,本文对CFRP板加固大尺寸RC梁进行了抗弯试验,对比了2种端部机械锚固措施和4个预应力水平,通过分析失效模式、荷载-挠度曲线、特征荷载、CFRP板强度利用率以及延性等指标,评估锚固方法和预应力水平对CFRP板抗弯加固效果的影响,为CFRP板在RC结构抗弯加固中的高效利用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计6根大尺寸混凝土T梁,梁全长为6000mm,高度为500mm,腹板宽度为350mm,翼缘高度和宽度分别为100mm和500mm;梁底配有2根直径为22mm和1根直径为25mm的受拉钢筋,翼缘配有5根直径为10mm的受压钢筋,箍筋直径为8mm,在弯剪段和纯弯段的箍筋间距分别为120mm和150mm。试件的几何尺寸和配筋如图1所示。

图1 试件几何尺寸和配筋示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of beam geometry and steel rebar (unit:mm)

试件的设计参数如表1所示。试件B0为未加固对比梁。试件BS-0-1和BS-0-2为非预应力CFRP板加固梁,其中BS-0-1采用钢板进行端部锚固,钢板尺寸为200mm × 200mm × 12mm,并在梁中部布置两道U形箍,每个U形箍粘贴2层碳纤维布,每层厚度为0.167mm,宽度为200mm;BS-0-2采用与预应力CFRP板加固试件一样的楔形锚具进行锚固。试件BS-0.3、BS-0.4和BS-0.5为预应力CFRP板加固梁,以研究预应力水平对加固效果的影响。设计预应力分别为CFRP板抗拉强度标准值fpk的0.3、0.4和0.5倍,其中fpk根据GB50367—2013《混凝土结构加固设计规范》取为2400MPa。各加固试件的CFRP板宽度为100mm,厚度为1.4mm,粘贴长度为4000mm,以保证具有相同的加固量。

表1 试件设计

1.2 材料性能

试件采用强度等级为C30的商品混凝土浇筑,将边长为150mm的立方体试块放置在与试验梁相同的室外自然环境下养护28d后,实测立方体抗压强度平均值为26.8MPa。钢筋均为HRB400级。CFRP板为单向拉挤板材,采用双组分结构胶将CFRP板粘贴在混凝土表面,实测的受拉钢筋、CFRP板及厂家提供的结构胶力学指标见表2。

表2 材料的主要力学指标

1.3 锚具及预应力张拉

CFRP板锚具为天津卡本公司生产的楔形夹片式锚具,锚具与固定在梁上的张拉端支座和固定端支座连接,如图2所示。使用液压千斤顶施加预应力,张拉应力通过CFRP板表面粘贴的应变片监测。首先进行预张拉,预张拉应力为0.15σcon,以检查仪表及锚具等能否正常工作,其中σcon为CFRP板的设计预应力。预张拉完成后在梁表面涂抹结构胶,然后分5级进行正式张拉,每级张拉0.2σcon,完成后持荷5min。为了弥补可能的预应力损失,最终超张拉至1.05σcon。张拉结束后,清理多余的结构胶并在室内养护一周。

图2 锚具及预应力张拉Fig.2 Anchors and prestress tensioning

1.4 加载及测量方案

利用液压伺服加载系统进行四点弯曲加载,如图3所示,梁净跨为5600mm,两个加载点之间的距离为1000mm。采用分级加载制度和位移控制模式,钢筋屈服前的加载速率为0.015mm/s,其中开裂前和开裂后每级分别加载2kN和10kN;钢筋屈服后的加载速率为0.05mm/s,每级加载10mm直至试件完全失效。在试件的跨中、加载点及支座位置各布置一个位移计,在CFRP板上沿长度方向每隔250mm布置一个电阻应变片,通过应变仪采集位移和应变数据。

图3 加载装置Fig.3 Test device

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及失效模式

未加固试件B0在加载至大约193.3kN时,纵向受拉钢筋屈服,当加载至221.3kN时受压区混凝土压碎,表现出典型的适筋梁破坏特征,具有很好的延性,如图4(a)所示。

图4 典型的失效模式Fig.4 Typical failure modes

对于非预应力CFRP板加固试件BS-0-1和BS-0-2,在受拉钢筋屈服后,很快就发生了由弯曲裂缝引起的CFRP板跨中剥离。随后,试件BS-0-1在246.9kN时发生了端部锚固失效,表现为CFRP板在一端钢锚板处滑出并伴随U形箍撕裂(图4(b));而试件BS-0-2在约305kN时发生混凝土压碎失效。可见锚固方法对CFRP板加固RC梁的失效模式有很大影响。

对于预应力CFRP板加固试件,试件BS-0.3在受拉钢筋屈服后出现跨中剥离,但试件BS-0.4和BS-0.5的跨中剥离均发生在受拉钢筋屈服前。随着剥离的不断扩展,3个试件均未发生端部锚固失效,最终试件BS-0.3发生混凝土压碎失效(图4(c)),而试件BS-0.4和BS-0.5发生CFRP板拉断失效(图4(d)),表明预应力水平影响CFRP板加固RC梁的失效模式。

2.2 荷载-跨中挠度曲线

图5为各试件的荷载-跨中挠度曲线。可以看出,B0的荷载-挠度曲线显示出适筋梁典型的三阶段特征,CFRP板加固试件也主要包含了3个发展阶段。在混凝土开裂前,由于CFRP板刚度相比于梁截面刚度很小,锚固方法和预应力水平对开裂前的刚度影响较小。在混凝土开裂后,由于CFRP板对裂缝开展的限制,加固试件的刚度明显大于未加固试件,锚固方法对这一阶段的刚度基本没有影响,但预应力CFRP板比非预应力CFRP板具有更好的刚度提高效果。在钢筋屈服后,由于CFRP板的线弹性特性,加固试件的荷载-挠度曲线具有明显的屈服后刚度,虽然预应力CFRP板和非预应力CFRP板加固试件屈服后的刚度近似,但各试件屈服后的曲线长度相差很大,说明锚固方法和预应力水平对试件的变形能力影响显著。

图5 荷载-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curves

2.3 特征荷载

试件的主要特征荷载见表3,其中Pcr、Py和Pu分别为开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,ηcr、ηy和ηu分别为加固试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载与未加固试件的比值,即相对特征荷载。由表3可知,CFRP板的锚固方法和预应力水平对特征荷载有明显的影响。

表3 主要特征荷载

2.3.1 锚固方法的影响

由表3可以看出,端部锚固方法对开裂荷载和屈服荷载基本没有影响,两个试件的开裂荷载分别为26kN和28kN,屈服荷载分别为222.6kN和219.6kN。这主要是由于在钢筋屈服前,CFRP板与混凝土梁表面黏结良好,未出现剥离,此时两个试件的CFRP板均能与混凝土梁协同工作。然而,端部锚固方法对极限荷载有重大影响,两个试件的极限荷载分别为246.9kN和305.0kN,试件BS-0-2的极限荷载比BS-0-1提高了23.5%,即两个试件发生了不同的失效模式,相比于混凝土压碎失效,端部锚固失效发生的更早,对应CFRP板的加固作用更小。

2.3.2 预应力水平的影响

图6(a)对比了试件相对特征荷载随预应力水平的变化。可以看出,随着预应力水平从0增加到0.5,开裂荷载和屈服荷载逐渐增大,相比于未加固试件,加固试件的开裂荷载提高幅度从75%增加到237.5%,屈服荷载提高幅度从13.6%增加到55.3%。这是因为随着预应力水平的提高,预应力对受拉区混凝土和钢筋产生的预压应力逐渐增大。然而,试验发现极限荷载并未随着预应力水平的增加而逐渐增大,当预应力水平从0增加到0.3时,试件的失效模式均为混凝土压碎,极限荷载提高幅度从37.8%增加到46%,但当预应力水平从0.4增加到0.5时,极限荷载受预应力水平的影响很小,分别提高了37.6%和37.7%。

图6 预应力水平对特征荷载的影响Fig.6 Effect of prestressing level on characteristic loads

为了进一步说明预应力水平对极限荷载的影响,图6(b)总结了国内外文献中发生混凝土压碎和CFRP板拉断失效模式的试验结果,为了方便比较,纵坐标为相对极限荷载值。可以发现,在混凝土压碎失效模式下,极限荷载随着预应力水平的增加有较为明显的提高[16,18-20],但当失效模式为CFRP板拉断时,预应力水平对极限荷载的影响并不明显[15,21-22],说明预应力水平对极限荷载的影响与试件的失效模式相关。

2.4 CFRP板应变分布

图7为试件BS-0-1和BS-0.3在不同荷载下CFRP板应变沿长度的分布,其中试件BS-0.3的应变未包括初始张拉应变。可以看出,在钢筋屈服前,CFRP板应变在纯弯段最大,在弯剪段呈降低趋势,该阶段CFRP板与混凝土黏结完好,CFRP板应变与梁弯矩的分布趋势基本一致。在钢筋屈服后,由于截面增加的拉力主要由CFRP板承担,在屈服位置处的CFRP板应变显著增加。随着CFRP板剥离现象的出现,在剥离段CFRP板与混凝土之间的黏结应力基本消失,导致CFRP板的应变重分布,造成CFRP板应变在剥离段基本分布均匀。在CFRP板完全剥离后,有黏结加固系统变成了无黏结加固系统,CFRP板应变沿整个长度基本不变,而应变值随着荷载的增加而快速增大。

图7 CFRP板应变分布Fig.7 Strain distributions of CFRP plate

2.5 CFRP板利用率

表4为加固试件的初始张拉应变、在屈服和失效时CFRP板跨中总应变及利用率,其中利用率为相应荷载下CFRP板应变与极限应变(17000×10-6)的比值。由表4可以发现,非预应力CFRP板加固试件在屈服时CFRP板的利用率非常低,两个试件的利用率仅约17%;在失效时,试件BS-0-1 CFRP板的利用率仅为30%,而锚固可靠的试件BS-0-2的CFRP板利用率达到了59%,说明当采用非预应力CFRP板加固时,在正常使用阶段CFRP板的强度远不能发挥,可靠的端部锚固虽然可以提高承载能力极限状态下的利用率,但对正常使用阶段的利用率基本没有影响。相比而言,预应力CFRP板的利用率得到了显著提高,在屈服时3个试件的利用率随着预应力水平的提高而提高,达到了45.9%～55.4%,在失效时的利用率均达到73%以上,CFRP板的高强特性得到了较好的发挥。以上分析表明,仅采用锚固措施不能提高正常使用阶段的CFRP板强度利用率,而施加预应力是提高正常使用阶段和承载能力极限状态下CFRP板强度利用率的有效措施。

表4 CFRP板应变及利用率

2.6 延性

表5为各试件的位移延性系数,其中Δy和Δu分别为受拉钢筋屈服及试件失效时的梁跨中挠度。可以看出,未加固试件具有很好的延性,而加固试件的延性受锚固措施以及预应力水平的影响很大。试件BS-0-1由于发生锚固失效,延性系数显著降低,比未加固试件降低了约65.5%;而试件BS-0-2采用可靠的锚具锚固,具有很好的延性,延性系数与未加固梁相当。这进一步说明,采用外贴CFRP板加固时,CFRP板端部的有效锚固非常重要。整体上,预应力CFRP板加固试件的延性相比于未加固试件明显降低,而且随着预应力水平的提高,延性越来越差,3个预应力CFRP板加固试件的延性系数分别降低至未加固试件的65.7%、48.2%和41.9%。以上分析表明,在采用CFRP板加固时,要采用可靠的端部锚固以及合理的预应力水平来保证加固后的结构仍有足够的延性以满足变形要求。

表5 延性系数

3 结 论

a.端部锚固和预应力水平影响RC梁的失效模式。采用钢板和楔形锚具锚固的试件分别发生了CFRP板锚固失效和混凝土压碎失效;随着预应力水平的提高,失效模式从混凝土压碎转变为CFRP板拉断。

b.端部锚固和预应力水平对加固效果有很大影响。相比于钢板锚固,楔形锚具虽然对开裂荷载和屈服荷载基本没有影响,但可以将极限承载力提高23.5%。开裂荷载和屈服荷载随着预应力水平的增大而提高,预应力加固比非预应力加固的开裂荷载提高57.1%～92.9%,屈服荷载提高22.9%～32.8%;而极限荷载在混凝土压碎模式下随着预应力水平的提高而提高,在CFRP板拉断模式下受预应力水平的影响并不明显。

c.端部锚固和预应力水平影响CFRP板的强度利用率。可靠的端部锚固虽然可以提高失效时CFRP板的利用率,但对正常使用下的利用率基本没有影响;而对CFRP板施加预应力可以显著提高整个受力阶段的强度利用率。

d.端部锚固和预应力水平对延性影响很大。可靠的端部锚固是确保CFRP板加固RC梁延性的必要条件,而延性随着预应力水平的提高不断降低。