CFRP加固既有損傷RC板梁抗彎試驗(yàn)研究

龔永智，劉夢(mèng)婷，李?歡，譚?濤

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CFRP加固既有損傷RC板梁抗彎試驗(yàn)研究

龔永智1, 2，劉夢(mèng)婷1，李?歡1, 2，譚?濤1

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075)

論文主要對(duì)4塊已使用57年的混凝土板梁和2塊與既有板梁同尺寸、同配筋率的新澆板梁進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)研究．試驗(yàn)中對(duì)3塊既有板梁和1塊新板梁進(jìn)行不同層數(shù)的CFRP加固，另外兩塊板梁不加固．試驗(yàn)結(jié)果表明：既有RC板梁承載力降低主要由鋼筋與混凝土黏結(jié)力下降和混凝土微損傷所致；CFRP加固能有效提高既有板梁的抗彎承載力性能，粘貼1、2和3層時(shí)其承載力提高幅度分別為21.03%,、41.54%,和69.23%,；CFRP加固能有效抑制試驗(yàn)板梁裂縫的發(fā)展，改善其破壞形態(tài)．試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比分析表明：在鋼筋銹蝕率不大于1.0%,的前提下，現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程可應(yīng)用于既有微損傷RC受彎構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)．

CFRP加固；既有板梁；抗彎性能；規(guī)范

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鋼筋混凝土橋梁在自然環(huán)境及其他因素作用下大多處于受損的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，為達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，對(duì)其加固是一種較為經(jīng)濟(jì)的處理方式. CFRP加固因施工便捷、防腐耐久、高強(qiáng)高效而被廣泛使用．

國(guó)內(nèi)外鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的CFRP加固研究成果十分豐富[1-10]，其中損傷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的CFRP加固研究可大致分為人為受損加固研究、自然老化加固研究以及偶然荷載加固研究等3個(gè)方面．Haddad[4]對(duì)人為加速銹蝕的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了CFRP加固試驗(yàn)研究，分析了不同錨固措施對(duì)試件的承載力、剛度、延性等力學(xué)性能的影響．吳元周等[11]對(duì)人為劣化的混凝土梁進(jìn)行CFRP加固正截面受彎試驗(yàn)，試驗(yàn)主要從構(gòu)件的破壞模式、極限承載力及其剛度變化等角度研究了加固后混凝土梁的力學(xué)性能．但以上研究的試驗(yàn)構(gòu)件是在模擬環(huán)境中進(jìn)行加速劣化的，屬于人為受損加固研究．莊寧等[12]針對(duì)6根已老化鋼筋混凝土梁進(jìn)行CFRP加固的力學(xué)性能研究，分析對(duì)比了不同CFRP加固方案下梁的極限承載力增長(zhǎng)規(guī)律、撓度變化特征以及破壞方式，并指出自然老化與人為損傷鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能差異較大；其研究對(duì)象為房屋建筑中的自然老化鋼筋混凝土梁，與本文的既有混凝土板梁受力性能有所區(qū)別．褚云朋等[13]對(duì)汶川地震中損傷后的混凝土空心板進(jìn)行了不同層數(shù)的CFRP加固試驗(yàn)研究，結(jié)果表明粘貼2層、3層和4層CFRP能使損傷程度分別為輕微、中度和嚴(yán)重的板達(dá)到震損前的承載能力要求；但其試件的損傷屬于偶然荷載所致．綜上所述，目前CFRP加固試驗(yàn)研究對(duì)象多集中于非自然老化構(gòu)件，因此本文對(duì)已使用57年的既有混凝土板梁進(jìn)行CFRP加固試驗(yàn)研究具有重要的工程指導(dǎo)意義．

本試驗(yàn)構(gòu)件來自某舊橋更換下來的混凝土板梁，該橋建于1958年，是一座集水閘和通車兩用的簡(jiǎn)支梁橋，上部結(jié)構(gòu)為11跨預(yù)制混凝土板梁，下部結(jié)構(gòu)為帶懸臂的混凝土排架結(jié)構(gòu)．該橋的混凝土板梁在使用57年后存在一定的損傷，如開裂、鋼筋銹蝕、混凝土碳化等．本文首先對(duì)6塊試驗(yàn)板梁的破壞特征進(jìn)行了分類，總結(jié)典型的破壞形態(tài)；然后對(duì)比分析了既有板梁與新澆板梁的力學(xué)性能，并結(jié)合已有文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)既有混凝土板梁的受損機(jī)理、試驗(yàn)板梁的承載力、抗彎剛度和CFRP應(yīng)變等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析；最后通過加固后既有混凝土板梁承載力的試驗(yàn)值與相關(guān)規(guī)范計(jì)算值的對(duì)比分析，檢驗(yàn)了現(xiàn)有加固規(guī)范和規(guī)程的適用性．

1?CFRP加固試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1?試驗(yàn)構(gòu)件

本文共進(jìn)行了6塊混凝土板梁的試驗(yàn)，其中4塊為既有混凝土板梁、2塊為新澆筑混凝土板梁．經(jīng)鉆芯取樣測(cè)得既有混凝土板梁的混凝土抗壓強(qiáng)度為29.07,MPa，測(cè)得平均碳化深度為29,mm．將混凝土芯樣放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在微觀的損傷和裂縫，混凝土碳化和微觀裂縫如圖1所示，截取板內(nèi)不同部位的15根鋼筋，測(cè)得其平均銹蝕率為0.77%,；預(yù)留混凝土立方體塊，測(cè)得新澆筑板梁的混凝土抗壓強(qiáng)度為30.7,MPa．兩種試驗(yàn)板梁的配筋均相同，即板底設(shè)置9根16的縱向鋼筋，帶勾與不帶勾交替布置，中心間距120,mm，具體配筋如圖2所示．截取既有板梁內(nèi)鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得16鋼筋抗拉強(qiáng)度為410,MPa，8鋼筋抗拉強(qiáng)度為433,MPa；考慮到既有板梁鋼筋的損傷，為了使得新澆板梁與既有板梁的承載力接近，新澆試驗(yàn)板梁鋼筋采用HRB335鋼，混凝土采用C30等級(jí)．試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)及其編號(hào)如表1所示．已有CFRP加固試驗(yàn)研究結(jié)果表明，U型和X型箍的錨固效果比較理想[14-16]，但實(shí)際工程中橋面由各板梁拼接而成，只能在板梁底進(jìn)行錨固．因此，本試驗(yàn)采用板梁底兩端分別粘貼兩條垂直箍和兩個(gè)X型箍的錨固方式，板梁底加固設(shè)計(jì)如圖3所示．加固材料為日本東麗公司生產(chǎn)的UT70-30型碳纖維布，黏結(jié)劑為樂清市中固建筑科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的DA-T碳纖維浸漬膠，CFRP和黏結(jié)劑的基本性能指標(biāo)見表2．

圖1?試驗(yàn)板梁的碳化和微觀裂縫

1.2?測(cè)量?jī)x器布置

為了研究試驗(yàn)板梁受力過程中的變形情況，在試驗(yàn)板梁跨中、1/4跨和支座處布置兩列指針式百分表(共6個(gè))，測(cè)點(diǎn)距板梁邊緣50,mm；試驗(yàn)板梁的荷載-撓度曲線為兩列百分表讀數(shù)的平均值．為了研究試驗(yàn)板梁在加載過程中加固材料的變形情況，在碳纖維布跨中布置應(yīng)變片，如圖3所示，應(yīng)變采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．

1.3?加載制度

試驗(yàn)板梁一端為固定鉸支座、另一端為滑動(dòng)鉸支座，采用歐維姆100,t液壓千斤頂沿板跨中寬度方向均勻加載．加載前先對(duì)試件預(yù)加載至10,kN，以確保試驗(yàn)儀器和應(yīng)變片處于正常工作狀態(tài)．試驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載，荷載梯度為5,kN，每級(jí)加載持續(xù)120,s，直至試件破壞．試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括位移(跨中、1/4跨和支座處)、CFRP應(yīng)變和裂縫開展情況．

圖2?試驗(yàn)板梁的配筋詳圖

表1?試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)

Tab.1?Parameters of components in the test

圖3?試驗(yàn)板梁底加固和錨固方法

表2?CFRP及黏結(jié)劑基本性能指標(biāo)

Tab.2?Details of CFRP and binder used in the test

2?結(jié)果與分析

2.1?試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

圖4為各試件的破壞形態(tài)，圖5為試件典型破壞特征的照片，表3為各試件的主要試驗(yàn)結(jié)果．根據(jù)以上結(jié)果可以簡(jiǎn)單地將本次試驗(yàn)構(gòu)件的破壞形態(tài)分成3類，分別是少筋破壞、適筋破壞且CFRP未剝離以及適筋破壞且CFRP剝離．

B0和B1在加載過程中，板梁底先出現(xiàn)橫向裂縫，隨后發(fā)展成板梁底通長(zhǎng)裂縫，并延伸至板梁側(cè)面；接著裂縫數(shù)量增多；受拉縱筋屈服后，裂縫數(shù)量不變，跨中主裂縫寬度迅速增加；接近極限荷載時(shí)，跨中撓度迅速增加．B0和B1破壞時(shí)未見受壓區(qū)混凝土被壓碎，裂縫主要集中在跨中及其附近，B0因受拉鋼筋屈服而破壞，B1因受拉鋼筋屈服和跨中CFRP被拉斷而破壞，二者呈現(xiàn)出少筋破壞特征．由B0和B1的破壞特征可知，該板梁的原始配筋率為0.68%,，本屬于適筋構(gòu)件，但服役57年后卻表現(xiàn)出十分明顯的少筋破壞特征，對(duì)其板梁底粘貼1層CFRP加固后仍表現(xiàn)出少筋破壞特征．

B2和XB1各加載階段的試驗(yàn)現(xiàn)象與前述B0和B1大致相同，但裂縫發(fā)展緩慢，分布范圍沿板梁長(zhǎng)度方向擴(kuò)大，數(shù)量增多，裂縫寬度增長(zhǎng)緩慢．破壞前出現(xiàn)少量受壓區(qū)混凝土被壓碎的現(xiàn)象．B2因CFRP被拉斷而破壞，XB1因受拉鋼筋屈服而破壞．以上分析表明，B2和XB1具有明顯的適筋破壞特征．XB1試驗(yàn)結(jié)果表明新澆板能夠充分反映既有混凝土板梁服役前的受力性能，對(duì)照組設(shè)置合理．與B0和B1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，粘貼兩層CFRP能使試件的破壞形態(tài)從少筋轉(zhuǎn)為適筋．B2與XB1的受力性能接近，說明粘貼兩層CFRP能使已受損的既有混凝土板梁基本恢復(fù)到服役前的受力性能．

B3和XB2在整個(gè)加載過程中的試驗(yàn)現(xiàn)象與B2和XB1相似，只是裂縫發(fā)展更加緩慢，裂縫細(xì)且密，沿板長(zhǎng)的分布范圍更廣．破壞前較多受壓區(qū)混凝土被壓碎，臨近極限荷載時(shí)，出現(xiàn)CFRP剝離現(xiàn)象．B3和XB2表現(xiàn)出適筋破壞的同時(shí)出現(xiàn)CFRP剝離的現(xiàn)象，此時(shí)受壓區(qū)部分混凝土已被壓碎．說明剝離破壞時(shí)混凝土和黏結(jié)劑均已達(dá)到材料極限承載能力，同時(shí)CFRP的抗拉能力也得到了較充分發(fā)揮．由此可知，當(dāng)繼續(xù)增加CFRP粘貼層數(shù)時(shí)，加固板梁將發(fā)生CFRP剝離破壞，混凝土板梁的承載能力將不再增加，而且這種破壞形式是脆性破壞，在實(shí)際工程中應(yīng)防止發(fā)生．

圖4?各試件破壞形態(tài)

圖5?典型破壞特征

表3?主要試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3?Main test results

注：c為開裂荷載，y為屈服荷載，u為極限荷載，u為跨中最大撓度．

2.2?應(yīng)變分析

圖6為4塊加固試驗(yàn)板梁的跨中CFRP應(yīng)變曲線．由圖可知各曲線有明顯的3個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)板梁的彈性階段、開裂階段和屈服階段．在彈性階段，CFRP應(yīng)變很小且呈線性緩慢增長(zhǎng)；開裂后CFRP應(yīng)變快速增長(zhǎng)；鋼筋屈服后，CFRP因單獨(dú)抗拉，應(yīng)變急劇增大，試件迅速破壞．

B1因發(fā)生少筋破壞，鋼筋較早屈服，隨后CFRP迅速被拉斷，極限應(yīng)變只有3,910,με；B2發(fā)生了適筋破壞，CFRP被拉斷前應(yīng)變達(dá)6,300,με；B3和XB2也發(fā)生了適筋破壞，但在鋼筋屈服后出現(xiàn)CFRP剝離現(xiàn)象，CFRP極限應(yīng)變分別為4,930,με和5,700,με．可見CFRP抗拉強(qiáng)度的利用程度與試驗(yàn)板的破壞模式密切相關(guān)．

圖6?試驗(yàn)板梁跨中CFRP應(yīng)變

2.3?剛度分析

圖7為6塊試件的荷載-跨中撓度曲線．由圖可知各曲線均有兩個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)試件的開裂荷載和屈服荷載．各曲線大致分為3個(gè)階段，即彈性受力階段、裂縫發(fā)展階段和破壞階段．以B2為例，在達(dá)到開裂荷載160,kN之前，處于彈性受力階段，剛度較大，跨中撓度呈線性緩慢增長(zhǎng)；超過開裂荷載160,kN后，曲線斜率降低，剛度減小，跨中撓度大致呈線性增長(zhǎng)，處于裂縫發(fā)展階段．當(dāng)達(dá)到屈服荷載270,kN后，曲線趨于平緩，剛度急劇降低，試件破壞.

圖7?試件的荷載-跨中撓度曲線

對(duì)比各試件的荷載-跨中撓度曲線可以看出，CFRP粘貼層數(shù)越多，既有板梁的剛度越大，B1～B3的剛度均高于未加固試件B0，XB2的剛度也高于XB1，可見CFRP加固能使試驗(yàn)板梁的剛度有所提高．這是由于板梁底粘貼CFRP后，裂縫開裂緩慢，受壓區(qū)高度相對(duì)增大所致．本文試驗(yàn)結(jié)果與已有研究成果[5, 13, 14]中的試驗(yàn)結(jié)果類似．

B2試驗(yàn)前的損傷狀態(tài)如圖8所示，可見B2跨中有一條明顯的裂縫．B2破壞前，其剛度未因明顯開裂而顯著降低，但最后破壞時(shí)其極限撓度大于B1和B3．文獻(xiàn)[8]中選擇3個(gè)損傷程度分別為無損傷、預(yù)加載70%,和預(yù)加載50%,試件進(jìn)行CFRP加固試驗(yàn)研究，3個(gè)試件均粘貼一層CFRP，研究結(jié)果表明3個(gè)試件極限承載力幾乎相等；開裂程度越大，CFRP加固對(duì)剛度的改善效果越明顯，其極限撓度反而越大．文獻(xiàn)[9]中有兩個(gè)試件分別為無損傷加固和預(yù)裂加固試件，試驗(yàn)研究結(jié)果表明：預(yù)裂使得承載力降低了7.54%,；預(yù)裂使得跨中極限撓度增加了2.26%,．基于B2的試驗(yàn)結(jié)果和已有的試驗(yàn)研究結(jié)論，可知CFRP加固受拉區(qū)已明顯開裂的既有混凝土受彎構(gòu)件，其跨中既有裂縫對(duì)其極限承載力影響不大，采用CFRP加固后能有效改善其抗彎剛度．

圖8?B2跨中裂縫

2.4?承載力分析

既有板梁的損傷主要包括鋼筋銹蝕、混凝土微觀損傷和鋼筋混凝土之間黏結(jié)力的降低等．雖然新澆板梁采用與既有板梁相近的混凝土、鋼筋強(qiáng)度和相同的配筋率，但B0承載力比XB1低35.81%,．因此，對(duì)既有板梁承載力下降的探究，主要考慮鋼筋銹蝕和鋼筋混凝土黏結(jié)力下降這兩個(gè)因素．既有板梁鋼筋平均銹蝕率為0.77%,，銹蝕程度很低，根據(jù)文獻(xiàn)[17]計(jì)算可得既有板梁的配筋指標(biāo)為0.063，小于界限配筋指標(biāo)0.246，故銹蝕鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù)為1.0，鋼筋銹蝕造成極限承載力降低了約1.41%,．然而既有板梁的極限承載力相對(duì)于現(xiàn)澆筑構(gòu)件降低了35.81%,，故其承載力降低主要由鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力降低和混凝土微觀損傷造成的．B2承載力比XB1相差3.5%,，可知粘貼兩層CFRP基本可以彌補(bǔ)既有板梁因長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的損傷而導(dǎo)致其極限承載力的降低．

3?承載力計(jì)算

對(duì)既有混凝土板梁分別按照相關(guān)規(guī)范[18-21]計(jì)算其正截面抗彎承載力，計(jì)算結(jié)果如表4所示．由表4可知，B1和B3按照GB50367—2013[19]、JTGTJ22—2008[20]和CECS146—2003[21]計(jì)算的結(jié)果相近，3種方法計(jì)算的結(jié)果均比屈服荷載試驗(yàn)值小5.46%～8.35%，這表明現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程適用于無明顯裂縫的既有混凝土板梁受彎承載力計(jì)算．

B2承載力計(jì)算值比試驗(yàn)值偏大，這與B2試驗(yàn)之前跨中已有一條明顯的斷裂裂縫有關(guān)，但偏差范圍在5%,以內(nèi)．因此，在鋼筋銹蝕率不大于1.0%,的前提下，現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程可應(yīng)用于既有微損傷RC受彎構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)．

表4?承載力計(jì)算結(jié)果

Tab.4?Calculation results of bearing capacity

4?結(jié)?論

(1) 對(duì)于高跨比為0.1、服役50,年左右的混凝土板梁，其抗彎承載力降低主要由鋼筋與混凝土之間黏結(jié)力降低和混凝土微觀損傷所致．采用CFRP加固能有效提高其抗彎承載力性能，粘貼1、2和3層時(shí)，承載力提高幅度分別為21.03%,、41.54%,和69.23%,，其中粘貼兩層能使這種混凝土板梁恢復(fù)到服役前的受力性能．

(2) 既有混凝土板梁底粘貼CFRP能有效抑制板底開裂，改變既有混凝土板梁的破壞形態(tài)．CFRP粘貼層數(shù)越多，裂縫間距越小、數(shù)量越多，且沿板長(zhǎng)分布范圍越大、寬度越窄，試件由少筋破壞變?yōu)檫m筋破壞．

(3) CFRP加固能使既有混凝土板梁的抗彎剛度有所提高，也能有效改善已明顯開裂鋼筋混凝土構(gòu)件的抗彎剛度．加固前試件受拉區(qū)有無裂縫對(duì)其CFRP加固后的極限抗彎承載力影響不大．

(4) 在鋼筋銹蝕率不大于1.0%,的前提下，現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程適用于既有微損傷RC受彎構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)．

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Flexural Behavior of Existing Damaged RC Plate Girders Strengthened with CFRP Sheets

Gong Yongzhi1, 2，Liu Mengting1，Li Huan1, 2，Tan Tao1

(1．School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China； 2．National Engineering Laboratory for High Speed Railway CSU，Changsha 410075，China)

Six RC plate girders of the same size and ratio of reinforcement were tested，including four RC plate girders that had been used for 57 years and two new ones．Three existing decks and a new one were reinforced by CFRP with different number of piles，and the other two that were left unreinforced acted as the contrast specimens．Test results show that the decrease in the flexural capacity of existing plate girders is due to the decline of the cohesion between reinforcement and concrete and the micro damage of concrete．The flexural behavior of existing plate girders can be improved effectively by CFRP．With the reinforcement by one，two and three layers，the flexural capacity of damaged decks are increased by 21.03%，41.54%, and 69.23%，respectively．When reinforced，the mechanical performance of existing plate girders can be improved．CFRP can not only effectively restrain the cracking development of the specimen，but also increase its flexural rigidity．The comparison between test results and formula calculations indicates that the current reinforcement code and rules can be applied to the reinforcement design of existing micro damage RC flexural members on the premise that the corrosion rate of the steel bars is no more than 1.0%,.

CFRP reinforcement；existing plate girders；flexural behavior；code

10.11784/tdxbz201801064

TU375.1

A

0493-2137(2018)12-1246-07

2018-01-14；

2018-04-27.

龔永智（1978—??），男，博士，副教授，gyzh@yahoo.cn.

劉夢(mèng)婷，mtliuu@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308550)

the National Natural Science Foundation of China(No.,51308550).

(責(zé)任編輯：樊素英)