DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.024
TRC板增强钢筋混凝土梁的抗弯性能
周芬1, 2，徐文1, 2，杜运兴1, 2
(1. 湖南大学 工程结构损伤诊断湖南省重点实验室，湖南 长沙，410082；
2. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082)
摘要：基于短切钢纤维增强TRC板具有较强的抗拉性能，可用于提高钢筋混凝土梁的抗弯性能，通过四点弯曲试验研究TRC板增强混凝土梁的工作机理。将TRC板中碳纤维网格层数作为研究参数设计2种增强工况，并建立对比工况，每种工况有2根相同的构件。对各工况构件的荷载-应变关系、荷载-挠度关系、承载力、梁的延性、裂缝开展及破坏模式进行分析。采用平截面假定提出相应的抗弯承载力计算公式。研究结果表明：TRC板能有效提高梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，梁的极限承载力可最大提高33%；TRC板增强钢筋混凝土梁的延性有一定下降；采用抗弯承载力计算公式所得承载力计算值与试验值较吻合。
关键词：钢纤维；TRC板；钢筋混凝土梁；碳纤维网格；抗弯承载力；平截面假定
中图分类号：TU362 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)01-0183-09
Flexural behavior of RC beams strengthened with TRC plates
ZHOU Fen1, 2, XU Wen1, 2, DU Yunxing1, 2
(1. Hunan Provincial Key Laboratory on Damage Diagnosis for Engineering Structures, Hunan University, Changsha 410082, China;
2. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: Textile reinforced concrete(TRC) plates enhanced with steel fiber have excellent tensile performance which can be used to strengthen the flexural performance of reinforced concrete(RC) beams. The working mechanism of RC beams strengthened with TRC plates was investigated through four-point bending tests. Two strengthening cases and one contrast case were designed according to the number of carbon fabric layers in TRC plates. Each test case contained two beams. The load-strain relationship, load-deflection relationship, flexural capacity, structural ductility, crack development and failure modes of all the beams were analyzed. The formulas to calculate the flexural capacity of strengthened beams were put forward based on the plane section assumption. The results show that TRC plates can increase the cracking, yielding and ultimate loads of strengthened beams effectively compared with the contrast beams. The largest increase of ultimate load is 33%.The ductility of beams strengthened with TRC plates has a certain decrease. The loads obtained by the proposed formula agrees with that obtained by experiments.
Key words: steel fibre; TRC plates; RC beams; carbon fabric; flexural capacity; plane section assumption
纤维增强混凝土(TRC )[1-3]是一种采用纤维网格或织物来增强细骨料混凝土的高性能复合材料。TRC材料性能优异，表现在2个方面：1) TRC本身具有密度低、强度高、耐久性好的特点[4-5]，TRC板中采用的高性能细骨料混凝土使整个TRC厚度减小；2) TRC增强混凝土构件中采用水泥基材料作为黏结剂，与FRP加固中使用的有机黏结剂相比，既能保持纤维织物与基材间的相容性、互相渗透性、协调性，又能方便于潮湿和低温环境下施工[6-7]。国内外学者对这类加固方法进行了大量研究，如：徐世烺等[8-9]对纤维增强混凝土(TRC)增强钢筋混凝土(RC)梁抗弯性能进行了试验研究，考虑了网格布层数、抗剪销钉、聚丙烯纤维等，发现在水泥基材料中添加聚丙烯纤维掺和料有助于提高构件的开裂荷载，植入抗剪销钉加强TRC层的锚固可以提高钢筋混凝土梁的整体受力性能。在钢筋混凝土梁配筋率一定时，提高TRC中的配网率可以有效地延缓混凝土梁主裂缝的发展，减小裂缝的宽度和间距，明显提高梁的屈服荷载和极限承载力。PAPANICOLAOU等[10]采用纤维织物增强砂浆(TRM)对RC构件进行了抗弯加固研究，并与FRP抗弯加固技术进行对比，发现TRM加固构件承载力虽比FRP加固构件承载力低，但TRM加固构件延性性能较好。PAKRAVAN等[11]通过三点弯曲试验探讨了在基体中外掺PVA纤维对TRC薄板力学性能的影响，发现外掺PVA纤维提高了薄板的抗弯强度和断裂耗能，增大了裂缝条数，薄板由原来的单一裂缝破坏转变为多缝开裂破坏。本文作者在TRC复合板力学性能[12]和新老混凝土界面性能[13]的研究基础上，提出并试验研究一种采用预制TRC复合板材增强钢筋混凝土梁的方法，即对碳纤维网格单向铺平，浇筑细骨料混凝土形成TRC复合板材，采用无机砂浆黏结TRC板材到混凝土梁的受拉区表面完成加固[14]。采用双向均质的碳纤维网格制作TRC复合板材，能充分发挥多向织物的力学性能[15]。掺入短切钢纤维来增强复合板材，能有效防止纤维网格与水泥基体剥离，改善板材拉伸性能。
1 试验
1.1 试验设计与制作
研究6根钢筋混凝土梁，分为3种工况，每种工况包含2根梁。梁截面的尺寸及配筋见图1，梁试件编号及工况设置见表1。其中，试验梁编号由2部分构成：第1部分中B0，B1和B3分别表示对比试件梁、含1层碳纤维网格的TRC复合板增强梁、含3层碳纤维网格的TRC复合板增强梁；第2部分中数字1和2分别表示相同工况下的第1根和第2根试验梁。TRC复合板采用无机砂浆HPG-A黏贴在梁的受拉区。为了增强TRC板在端部锚固[16-17]，在板材加固端400 mm范围内的梁上缠绕黏贴宽度为50 mm的CFRP布材，间隔50 mm。增强梁试件见图2。
图1 试件尺寸及配筋图
Fig. 1 Section details and reinforcement arrangement
图2 增强梁试件图
Fig. 2 Specimens of strengthening beams
表1 试验工况
Table 1 Test cases
梁试件中钢筋力学性能见表2，混凝土平均抗压强度为29 MPa。图3所示为TRC复合板中采用的砂浆掺和料、短切钢纤维、碳纤维网格，其中，碳纤维网格的力学参数见表3。无机砂浆的28 d抗压强度均值为76.7 MPa，端部CFRP单向布抗拉强度为3.100 GPa。
表2 钢筋力学性能
Table 2 Mechanical characteristics of steel bars
表3 纤维网格性能
Table 3 Properties of fabric net
图3 复合板材中各材料示意图
Fig. 3 Materials of composite plate
1.2 TRC复合板材性能
TRC复合板材单向拉伸性能直接影响增强梁的力学性能。采用轴向拉伸试验绘制TRC复合板材的应力-应变曲线，如图4所示，其中，该曲线纵轴为板材纤维的名义应力，通过板材所受拉力除以板材截面内纤维面积得到。板材的拉伸应力-应变曲线分为3段，分别对应板材的线弹性阶段、裂缝发展段、强化段。当板材出现第1条裂缝时，曲线达到A1点；当板材出现通缝时，曲线达到A2点；之后复合板材裂缝数目基本不增大，裂缝宽度将不断扩大；当板材达到极限荷载时，曲线达到末点A3。在第3段中，板材承受的拉力主要由纤维网格承担，板材拉伸应力-应变曲线的斜率与同等横截面面积的纤维网格拉伸应力-应变曲线的斜率接近。
图4 TRC复合板材应力-应变曲线
Fig. 4 Stress-strain curveS of TRC plate
1.3 测点布置、加载方案及观测记录
1.3.1 测点布置
试验中主要测量参数有位移、荷载、钢筋应变、混凝土应变、纤维网格应变以及裂缝开展情况。
钢筋混凝土梁浇筑前在跨中纵向钢筋上布置钢筋应变片。在试验开始前，在跨中梁顶面布置一组混凝土应变片测量混凝土压应变，在梁跨中底面、加载点底面及支座处顶面布置位移计以测量钢筋混凝土梁挠度变化，同时，在板材内部碳纤维网格上等距离布置应变片以测量纤维应变。试件应变片布置见图5。
图5 试件应变片布置图
Fig. 5 Arrangement of strain gauges
1.3.2 加载方案及观测记录
采用四点弯曲试验研究试验梁的抗弯性能，试验装置见图6。
图6 试验装置
Fig. 6 Test setup
采用机械式千斤顶加载。在试验过程中，按照荷载分级采集相应位置的位移、荷载、应变等。试验开始以每级5 kN分级进行加载，在达到开裂荷载计算值前适当分级加密，钢筋屈服后按照跨中挠度每级1 mm分级加载，同步绘制每级加载下钢筋混凝土梁裂缝走势。
2 试验结果及分析
2.1 破坏形态
试验梁有2种破坏形态。
1) 第1类破坏形态。表现为纵向钢筋屈服之后，在外部荷载作用下，随着变形的发展，最终梁顶混凝土压碎破坏，工况1、工况3试验梁均属于这种破坏形态，见图7(a)，(b)和(c)。
2) 第2类破坏形态。表现为纵向钢筋屈服之后，在外部荷载的作用下TRC板突然断裂，外荷载降低。该工况试验梁表现的力学性能与未增强梁的力学性能相近。工况2中增强梁属于这类破坏形态，见图7(d)和(e)。
图7 试验梁破坏形态图
Fig. 7 Failure patterns of all test beams
2.2 跨中应变沿梁截面高度分布
图8所示为跨中沿梁截面高度上的应变分布，其中负值代表跨中混凝土压应变，正值代表跨中钢筋和跨中TRC板内部碳纤维网格应变。混凝土开裂前，应变沿梁截面高度呈线性分布，符合平截面假定；随着荷载增大，受拉区混凝土开裂，相应区域的混凝土退出工作，钢筋及纤维网格应变明显增大，工况2中的纤维网格应变增大更快，而工况3中的纤维网格应变增大速度较小，这主要是这2种工况中TRC板中纤维网格的配网率不同所致。工况2的TRC复合板材承载力低于工况3相应的板材的承载力，2种工况采用的端部锚固措施相同。工况2的锚固充足，而工况3锚固相对较弱。工况3中复合板材与梁底界面存在一定的滑移，因而这2种工况在截面高度上的应变分布规律并不相同。
图8 各增强梁跨中梁截面高度上应变分布
Fig. 8 Strain distribution along height of mid-span beam sections for all strengthening beams
2.3 承载力
试验梁的承载力及挠度试验结果见表4。从表4可知：采用TRC复合板材加固钢筋混凝土梁后，梁的开裂荷载Pc、纵筋屈服荷载Py及极限荷载Pu都有提高。采用含1层纤维网格的TRC板加固时，与对比梁相比，增强梁开裂荷载、屈服荷载及极限荷载的最大提高幅度分别为22%，13%和13%。试件的开裂荷载提高幅度明显高于屈服荷载和极限荷载的提高幅度，这主要是由于掺入短切钢纤维之后，TRC板的抗裂能力增强，加固层与原结构协同受力，分担了部分截面弯矩，开裂荷载提高较大。由于板材中纤维网格配网率较低，板材对增强梁的屈服荷载、极限荷载提高作起的作用远小于梁钢筋本身的作用，因此，增强梁的屈服荷载、极限荷载提高不大。采用含3层纤维网格的TRC板加固时，与对比梁相比，增强梁开裂荷载、屈服荷载及极限荷载的最大提高幅度分别为31%，22%和33%。梁试件的极限荷载提高幅度明显加大，增大纤维网格配网率能有效提高增强梁的极限荷载。
2.4 梁的延性
梁的延性通常采用延性系数m衡量：
μ=δu /δy (1)
式中：δy为纵向钢筋屈服时梁跨中的挠度；δu为最大外荷载对应梁跨中的挠度。
延性系数越大，说明结构耗散能量的能力越强，具有较强的抵抗变形能力。从表4可知：与对比梁相比，当TRC板的纤维网格配网率较大时，梁截面的抗弯能力增强，钢筋屈服对应的荷载增大，钢筋屈服前梁表现出较好的弹性性能，由于梁上屈服荷载增大，梁上相应的挠度也增大；此外，TRC板内的纤维束存在应力不均匀的现象，板内的纤维束越多，不均匀现象越明显，增强梁随着外荷载增大，TRC板中的个别纤维束首先达到极限承载力，发生断裂，此时，外荷载达到最大值。虽然此时梁并没有失效，对应于这个荷载的挠度就是δu，但挠度小于极限挠度，从而导致该梁的延性系数降低，如梁B3-2延性系数为2.12，为对比梁的52%。当TRC板的纤维网格配网率较小时，增强梁在TRC板断裂前达到最大外荷载，此时，梁跨中挠度较小，梁延性较差，如梁B1-1延性系数仅为对比梁的32%。
2.5 挠度、钢筋应变、纤维网格应变、混凝土应变与荷载的关系
根据试验结果绘制梁的荷载-跨中挠度曲线(见图9)、荷载-混凝土应变曲线和荷载-纤维网格应变曲线(见图10)以及荷载-钢筋应变曲线(见图11)。
从图9~11可知：试件均经历开裂和纵筋屈服阶段；开裂前，荷载-跨中挠度曲线、荷载-混凝土应变曲线、荷载-纤维网格应变曲线、荷载-钢筋应变曲线都接近于直线；开裂后至钢筋屈服前，荷载由钢筋和TRC板一起承担，增强梁的刚度略有增大；所有梁试件的混凝土应变变化差别不大，此阶段中和轴上升不明显；纵向钢筋屈服后，对比梁纵向钢筋应变、跨中挠度急剧增大，中和轴迅速上移，混凝土压应变急剧增大；增强梁在纵向钢筋发生屈服之后仍能承担一定荷载，后续增大荷载产生的弯矩由TRC板和受压区混凝土承担，中和轴上移缓慢。与工况2相比，在TRC板断裂之后，梁试件跨中挠度及压区混凝土应变快速增长，所能承受的荷载基本降低至对比梁的承载力。对于工况3，纵向钢筋屈服后，梁试件的跨中挠度及受压区混凝土应变缓慢增大，增强梁极限承载力由受压区的混凝土和加固层的界面承载力控制。
表4 试验结果
Table 4 Experimental results
图9 试验梁荷载-跨中挠度曲线
Fig. 9 Relationship between load and deflection at midspan of beams
图10 试验梁荷载-应变曲线
Fig. 10 Relationship between load and strain of beams
图11 试验梁荷载-钢筋应变曲线
Fig. 11 Relationship between load and steel strain of beams
在增强梁构件中，复合板材中的纤维网格应变直接反映了复合板材对梁承载力的加固作用。沿着复合板材纵向在纤维束上等间距对称布置一组应变片。图12所示为不同外荷载下板材内部碳纤维网格在不同位置上的应变分布情况。
分析图12可知：对于工况2和3中的增强梁B1-2和B3-2，当外荷载低于对应钢筋屈服荷载0.92Pu和0.87Pu时(Pu为极限荷载值)，复合板内部纤维网格应变随荷载平稳增大；屈服荷载之后，纤维网格应变显著增大。
图12 板材内部碳纤维网格在不同位置上的应变
Fig. 12 Strain of carbon fabric at different locations in plates
2.6 裂缝发展
试验中，对比梁首先在纯弯段下侧出现第1条裂缝；随着荷载增大，纯弯段相继出现多条裂缝。在钢筋屈服荷载后，跨中裂缝宽度不断增大形成几条主裂缝，随后，跨中主裂缝宽度突然增大，并向上发展，压区混凝土压碎破坏，见图13(a)。
试验中增强梁试件首先在纯弯段混凝土梁底开裂，随后板材出现裂缝，TRC板与黏结层砂浆黏结良好，一旦开裂迅速出现若干条裂缝，裂缝分布密集并且均匀。随着荷载增大，裂缝向上发展并不断延伸，但发展速度较对比梁缓慢，尤其是在钢筋屈服之后。这主要是由于板材承担了相当一部分荷载，使得受拉区混凝土受拉变形发展缓慢。进一步增大荷载，工况2中增强梁由于纤维网格配网率低，TRC板内部碳纤维拉断破坏；继续加载，梁顶混凝土压碎，见图13(b)和图13(c)。工况3中增强梁TRC板与黏结层砂浆间虽会出现水平裂缝，并向两边发展，但板材端部锚固充足，水平裂缝得到控制，跨中裂缝一直向上发展直到受压区混凝土压碎，见图13(d)和图13(e)。
图13 增强梁裂缝分布图
Fig. 13 Crack distribution for strengthened beams
3 正截面受弯承载力分析
3.1 基本假定
1) 根据试验结果，增强梁沿梁截面高度上应变分布符合平截面假定，如图14所示。
2) 混凝土开裂后不考虑受拉区混凝土的作用。
3) TRC板与黏结层砂浆、黏结层砂浆与增强梁底部黏结良好。
4) 受压区混凝土应力应变关系采用如图15所示理想化的应力应变曲线。当εc≤0.002时，关系曲线为抛物线
；当εc＞0.002时，关系曲线为水平线。在计算时，混凝土的极限压应变εcu=0.003 3。
5) 根据文献[5]中TRC板单轴拉伸应力应变曲线，将TRC板拉伸应力应变曲线简化为2段，即线弹性段和强化段，如图16所示。
图14 截面计算简图
Fig. 14 Calculating diagram of cross-section
图15 混凝土应力-应变曲线
Fig. 15 Stress and strain curve of concrete for compression
图16 TRC板应力-应变曲线
Fig. 16 Stress and strain curve of TRC plate
3.2 理论分析
由混凝土受压应力-应变曲线，混凝土的受压合力C为
(2)
式中：ε0为混凝土刚到应力峰值时对应的压应变，取0.002；fc为混凝土轴心抗压强度；
(3)
由图14可知应变沿梁截面高度方向符合平截面假定，即
(4)
由结构力学知
(5)
式中：la为梁一端剪弯区长度。截面内力平衡关系为
(6)
当破坏模式为TRC板断裂时，对混凝土压应力合力作用点取矩：
(7)
式中：fy为受拉纵筋屈服强度；As为受拉纵筋截面积；ffu为TRC板的极限抗拉强度；Af为板材内部纤维网格截面积。对工况1中的对比梁，由于没有TRC板增强，对钢筋作用点取矩，求得其受弯承载力：
(8)
对工况3中加固梁，对板材合力作用点取矩：
(9)
式中：x=β1xu为混凝土等效受压区高度。此时，板材应变为
(10)
式中：
为纤维网格极限应变值。
3.3 对比分析
增强梁的正截面承载力计算值
与试验值Pu对比见表5。正截面承载力计算值与试验值较接近，由承载力试验值与计算值的比值可知，相对误差在10%之内。
表5 极限承载力计算值与试验值比较
Table 5 Comparison of ultimate loads between theoretical and experimental values
4 结论
1) TRC板增强钢筋混凝土梁能有效地提高梁的开裂、屈服和极限荷载。随着TRC板中纤维网格层数的增大，增强梁的抗弯承载力与对比梁的极限承载力相比提高11%~33%。
2) 增强梁的破坏模式与TRC板中纤维网格配网率有关。当配网率较低时，TRC板发生断裂破坏；当配网率较大时，纵筋屈服后，顶部混凝土压碎破坏。
3) 相对于对比梁，增强梁的刚度有所提高，但延性有不同程度下降。
4) 给出了增强梁正截面受弯承载力计算方法，采用该方法所得承载力计算值与试验值较吻合。
参考文献：
[1] BRUCKNER A, ORTLEPP R, CURBACH M. Textile reinforced concrete for strengthening in bending and shear[J]. Materials and Structures, 2006, 39(8): 741-748.
[2] 荀勇, 支正东, 张勤. 织物增强混凝土薄板加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(3): 70-76.
XUN Yong, ZHI Zhengdong, ZHANG Qin. Experimental research on flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with textile reinforced concrete sheets[J]. Journal of Building Structures, 2010, 31(3): 70-76.
[3] ISABELLA G C, ANNA M, GIULIO Z, et al. Textile Reinforced Concrete: experimental investigation on design parameters[J]. Materials and Structures, 2013, 46: 1933-1951.
[4] 周朝阳, 王兴国, 肖菲菲. 先张后黏FRP的钢筋混凝土构件抗弯能力分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2006, 37(1): 183-187.
ZHOU Chaoyang, WANG Xingguo, XIAO Feifei. Analysis of flexural capacities for RC members bonded with pre-tensioned FRP[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2006, 37(1): 183-187.
[5] BABAEIDARABAD S, LORETO G, NANNI A. Flexural strengthening of RC beams with an externally bonded fabric–reinforced cementitious matrix[J]. Journal of Composites for Construction, 2014, 18(5): 3049-3060.
[6] OMBRES L. Structural performances of reinforced concrete beams strengthened in shear with a cement based fiber composite material[J]. Composite Structures, 2015, 122: 316–329.
[7] 徐业辉, 李彬, 荀勇. 织物增强混凝土薄板加固钢筋混凝土梁的二次受弯性能试验研究[J]. 工业建筑, 2015, 45(1): 173-178.
XU Yehui, LI Bin, XUN Yong. Experimental research on secondary bending behavior of reinforced concrete beams strengthened with textile reinforced concrete sheets[J]. Industrial Construction, 2015, 45(1): 173-178.
[8] 徐世烺, 尹世平, 蔡新华. 纤维编织网增强混凝土加固钢筋混凝土梁受弯性能研究[J]. 土木工程学报, 2011, 44(4): 23-34.
XU Shilang, YIN Shiping, CAI Xinhua. Investigation on the flexural behavior of reinforced concrete beam strengthened with textile-reinforced concrete[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(4): 23-34.
[9] 尹世平, 徐世烺, 王菲. 纤维编织网在细粒混凝土中黏结和搭接性能[J]. 建筑材料学报, 2012, 15(1): 34-41.
YIN Shiping, XU Shilang, WANG Fei. Investigation on bonding and overlapping performance of textile in fine grained concrete[J]. Journal of Building Materials, 2012, 15(1): 34-41.
[10] PAPANICOLAOU C G, TRIANTAFILLOU T C, BOURNAS D A, et al. TRM as strengthening and seismic retrofitting material of concrete structures[C]// HEGGER J, BRAMESHUBER W, WILL N. Proc of 1st International Conference on Textile Reinforced Concrete (ICTRC). Germany: Nordrhein Westfalen, 2006: 331-340.
[11] PAKRAVAN H R, JAMSHIDI M, REZAEI H. Effect of textile surface treatment on the flexural properties of textile-reinforced cementitious composites[J]. Journal of Industrial Textiles, 2015, 46(1): 116-129.
[12] DU Y X, ZHANG M M, ZHOU F, et al. Experimental study on basalt textile reinforced concrete under uniaxial tensile loading[J]. Construction and Building Materials, 2017, 138(Supplement C): 88-100.
[13] OMBRES L. Analysis of the bond between fabric reinforced cementitious mortar (FRCM) strengthening systems and concrete[J]. Composites Part B: Engineering, 2015, 69(1): 418-426.
[14] OMBRES L. Flexural analysis of reinforced concrete beams strengthened with a cement based high strength composite material[J]. Composite Structures, 2011, 94(1): 143-155.
[15] BRUCKNER A, ORTLEPP R, CURBACH M. Anchoring of shear strengthening for T-beams made of textile reinforced concrete(TRC)[J]. Materials and Structures, 2008, 41(2): 407-418.
[16] D’AMBRISI A, FOCACCI F. Flexural strengthening of RC beams with cement-based composites[J]. Journal of Composites for Construction, 2011, 15(5): 707-720.
[17] TOUTANJI H, ZHAO L, ZHANG Y. Flexural behavior of reinforced concrete beams externally strengthened with CFRP sheets bonded with an inorganic matrix[J]. Engineering Structures, 2006, 28(4): 557–566.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2017-03-20；修回日期：2017-05-15
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51108174，51378199) (Projects(51108174, 51378199) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：周芬，副教授，从事加筋土、结构加固研究；E-mail: zhoufen@hnu.edu.cn
