嵌貼CFRP布加固RC箱梁的試驗研究

殷 國 飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710000)

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嵌貼CFRP布加固RC箱梁的試驗研究

殷 國 飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710000)

通過抗彎試驗，從破壞形態(tài)、極限承載力、極限撓度三方面，對未加固梁、外貼碳纖維布加固梁、嵌貼碳纖維布加固梁三種結構作了對比，指出嵌貼碳纖維布加固能更好地發(fā)揮碳纖維的材料性能，從而提高結構的強度和剛度。

碳纖維布，箱梁，荷載，抗彎性能

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，很多橋梁已進入老化階段。歐洲有超過60%的公路和鐵路橋服役期已超過50年。我國大部分橋梁也運營了四五十年，當中部分橋梁的承載能力存在著安全隱患，迫切需要加固。工程中常用的鋼筋混凝土橋梁的加固方法主要有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、體外預應力加固法、外包鋼加固法、碳纖維加固法。碳纖維加固法憑借其高強、輕質(zhì)、耐腐蝕、施工便利、對原結構影響小等優(yōu)點，廣泛應用于土木工程結構的加固中。傳統(tǒng)的碳纖維加固法是在混凝土結構表面粘貼一層碳纖維布，對原結構的強度和剛度都有相當程度的改善，但是容易發(fā)生剝離破壞，使得碳纖維的高強性能不能得到充分的發(fā)揮。嵌入式粘貼碳纖維布加固法是在混凝土結構表面開槽，然后用環(huán)氧樹脂將碳纖維布或碳纖維板粘入其中。該方法的優(yōu)點是能夠避免剝離破壞，較外貼碳纖維加固法有更好的加固效果，但是加固工序相對繁瑣。

1 試驗方案設計

1.1 試件設計

本試驗一共進行了3根簡支矩形箱梁的抗彎性能試驗，選用工程中常用的單箱單室矩形箱梁，梁體全長3.0 m，凈跨2.8 m。試件采用同一尺寸，梁寬600 mm，梁高300 mm，頂板、底板和肋板厚度各為70 mm，內(nèi)側倒角尺寸30 mm×40 mm。試件采用相同配筋，底部配8根φ16受拉縱筋，頂板5根φ10受壓縱筋，兩側腹板各設2根φ10分布鋼筋，箍筋為φ10@100 mm，所有鋼筋均采用HPB235，混凝土設計強度為C35，具體箱梁模型尺寸如圖1所示。

本次試驗在未加固箱梁、外貼CFRP布加固RC箱梁靜載試驗的基礎上，對嵌貼CFRP布加固的RC箱梁進行了靜載試驗，并且將試驗數(shù)據(jù)進行對比，分析兩種加固方式對箱梁承載力的影響。

表1 梁編號及加固特點

3根試件中，第一根試驗梁未作任何加固作為標準梁，用以對比分析不同加固方式對承載力的影響，編號為L0；第二根試驗梁采用外貼CFRP布加固，沿梁的縱向粘貼兩條CFRP布，并在兩端設置U型箍，編號為L1；第三根試驗梁采用嵌貼CFRP布加固，首先在梁的底部沿縱向打磨出兩條與CFRP布尺寸相當?shù)牟?，然后粘貼CFRP布，兩端設置U型箍，編號為L2。所有試驗梁的編號、加固方式、加固面積、端部U型箍設置情況如表1所示。

1.2 量測方案設計

本次試驗旨在研究表層嵌貼CFRP布加固RC矩形箱梁的性能，主要是靜載作用下的力學性能，故需要對構件應變、撓度和裂縫進行量測。

在特征截面的混凝土、CFRP上分別布置電阻應變片以測量各個部位的應變；在特征截面的梁底布置百分表以測量各個部位的撓度；用裂縫寬度測試儀對裂縫進行觀測，從而確定裂縫寬度和裂縫的開展情況。

1.3 加載方案設計

所有試件均采用對稱加載，在簡支梁跨中施加集中荷載。位于試驗梁和反力架之間的千斤頂通過發(fā)生位移，頂推錨固于地面的反力架，反力通過分配梁作用于兩腹板處，從而對梁頂兩個對稱的作用點施加對稱荷載，實現(xiàn)對梁的對稱受彎加載。

1.4 試件施工工藝

通過梁底開槽、表面處理、涂刷底膠、涂刷面膠、粘貼CFRP布、養(yǎng)護，加固后的梁如圖2所示。

2 試驗結果及現(xiàn)象

對3根簡支矩形箱梁進行了靜載試驗，試驗過程中記錄了各個梁在逐級荷載作用下的撓度、應變、裂縫、破壞形式等變化情況，現(xiàn)將各個梁的實驗結果及現(xiàn)象匯總如下。

2.1 對比梁L0

梁L0為未加固的基準梁，用作對比，按適筋破壞設計，破壞時受拉鋼筋屈服，梁底混凝土裂縫貫穿破壞。當加載到30 kN左右時，跨中受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條微裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸向梁頂擴展并且基本上呈對稱分布，當加載到190 kN時，受拉主筋屈服，試件剛度明顯下降，荷載增加緩慢，跨中撓度急劇增長，最后當跨中撓度達到35.1 mm時，梁底混凝土裂縫貫穿破壞，其極限荷載為260 kN。

2.2 加固梁L1

L1是在梁底外貼兩條碳纖維布，并且在兩端加設U型箍。當荷載加至40 kN左右時，梁底開始出現(xiàn)第一條裂縫，隨后鋼筋主要發(fā)揮作用，荷載—應變曲線也相應地出現(xiàn)轉折。隨著荷載增加，舊裂縫緩慢向上發(fā)展，新裂縫不斷出現(xiàn)，向上發(fā)展，并且基本上呈對稱分布，當荷載加至230 kN左右時，鋼筋達到屈服，CFRP布開始承受主要拉力，荷載—應變曲線同樣出現(xiàn)了相應的轉折。鋼筋屈服后，荷載增加緩慢，當荷載加至320 kN左右時，幾條主裂縫迅速變寬，最大裂縫寬度出現(xiàn)在集中荷載處，跨中撓度急劇增長，最大撓度達到28.1 mm，此時，梁底碳纖維處發(fā)出噼里啪啦的爆裂聲，梁一端的U型箍出現(xiàn)了明顯的滑移破壞，已經(jīng)被拉壞，其錨固作用失效，兩個U型箍之間的碳纖維布凸起，碳纖維布與梁底混凝土出現(xiàn)明顯的剝離破壞，極限承載力為320 kN，與對比梁L0相比，提高了23%。

2.3 加固梁L2

L2采用嵌貼CFRP布加固，首先在梁的底部沿縱向打磨出兩條與CFRP布尺寸相當?shù)牟?，然后粘貼CFRP布，兩端設置U型箍。加固方式及應變片布置如圖3所示。

當荷載加至50 kN左右時，梁底開始出現(xiàn)第一條裂縫，隨著荷載的增大，裂縫逐漸增多，并且基本上呈對稱分布。當荷載加至260 kN左右時，鋼筋達到屈服，碳纖維布開始承受主要拉力，荷載—跨中撓度曲線出現(xiàn)了相應的轉折。鋼筋屈服后，荷載增加緩慢，當荷載加至360 kN左右時，幾條主裂縫迅速變寬，最大裂縫寬度出現(xiàn)在集中荷載處，達到2.1 mm，同時跨中撓度急劇增長，最大撓度達到33.04 mm，此時，梁底碳纖維處發(fā)出噼里啪啦的爆裂聲，直至跨中梁底碳纖維布被拉斷，極限承載力為360 kN，與對比梁L0相比，提高了38%，與加固梁L1相比，提高了12.5%，裂縫形態(tài)以及破壞形態(tài)如圖4，圖5所示。加固梁有明顯的剪力滯效應，并且隨著彎矩的增大，剪力滯后效應更加明顯。

3 試驗結果分析

3.1 承載力

各試驗梁的試件編號、加固方式、屈服荷載、極限荷載、極限荷載的提高幅度以及試件的破壞形式匯總于表2。

從表2中可以看出，碳纖維加固梁L1，L2的極限承載力都有了很大程度的提高，相比未加固梁，分別提高了23.1%和38.4%，而嵌貼碳纖維布加固梁相比外貼碳纖維布加固梁，承載力提高了12.5%，表明后者的加固效果要優(yōu)于前者，并且破壞形式是碳纖維被拉斷，充分發(fā)揮了碳纖維的抗拉性能，避免了外貼加固梁的剝離破壞。

表2 試件承載力匯總表

3.2 變形分析

三種試件在不同荷載作用下的跨中撓度曲線對比圖如圖6所示。

從三片梁的荷載—跨中撓度曲線對比圖可以看出，在混凝土開裂前，加固梁的撓度和未加固梁的撓度幾乎沒有區(qū)別，加固效果不明顯，但是當梁底混凝土開裂后，未加固梁撓度增幅較之前有所增大，經(jīng)碳纖維加固過的梁變化不大，在同一荷載作用下，加固梁的變形量均小于未加固梁，而且隨著荷載的增加這種差異變得更加明顯，尤其是在鋼筋屈服之后，在同一荷載作用下，加固梁的變形量小于未加固梁。從荷載—跨中撓度曲線也可以看出，嵌貼碳纖維布的加固效果要優(yōu)于外貼碳纖維布，兩者的極限撓度分別是28.7 mm和30.3 mm。

4 結語

1)試驗結果表明，CFRP布加固RC箱梁可以有效地提高試驗梁的抗彎極限承載力，相比未加固的試件，外貼CFRP布加固RC箱梁的抗彎極限承載力提高了23.1%，嵌貼CFRP布加固RC箱梁的抗彎極限承載力提高了38.4%，后者的加固效果優(yōu)于前者。2)試驗結果表明，外貼CFRP布加固RC箱梁的U型箍出現(xiàn)了明顯的滑移破壞，其錨固作用失效，兩個U型箍之間的碳纖維布凸起，碳纖維布與梁底混凝土出現(xiàn)明顯的剝離破壞。而嵌貼CFRP布加固RC箱梁的破壞形式是梁底CFRP布被拉斷，充分發(fā)揮了碳纖維的抗拉性能，表明碳纖維的利用率要優(yōu)于前者。3)試驗結果表明，經(jīng)CFRP布加固過的RC箱梁其剛度較未加固梁有明顯的提高，在同一荷載作用下，加固梁的變形量小于未加固梁，而且嵌貼CFRP布加固的效果要優(yōu)于外貼CFRP布加固。4)試驗結果表明，與普通箱梁一樣，碳纖維加固過的箱梁同樣存在剪力滯效應，并且隨著彎矩的增大，剪力滯效應就更加明顯。

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On experiments of embedded CFRP cloth strengthening RC box girder

Yin Guofei

(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstitute,Xi’an710000,China)

According to the anti-bending test, the paper compares the three structures, including the unreinforced beam, bonded CFRP reinforced beam, and embedded carbon fiber cloth reinforced beam from the damage forms, ultimate bearing capacity, and limited deflection, and points out the embedded carbon fiber cloth reinforced beam can exert the material performance of the carbon fiber best, so as to improve the structural stiffness and rigidity.

carbon fiber cloth, box girder, loading capacity, anti-bending performance

1009-6825(2016)11-0198-03

2016-01-25

殷國飛(1988- )，男，助理工程師

TU317

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