负载对CFRP及CFRP与钢板复合加固R.C梁
抗弯性能的影响
熊学玉1, 2，范新海1
(1. 同济大学 建筑工程系，上海，200092；
2. 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海，200092)
摘 要：对不同负载下7根外贴CFRP或CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁进行抗弯试验，研究负载时CFRP或CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能及负载水平的影响。试验结果表明：粘贴CFRP加固梁极限承载力显著提高，但屈服荷载和屈服阶段前梁的刚度提高较小，且负载对承载力提高限值有较大的影响，负载越大，承载力提高限值越小；而粘贴CFRP与钢板复合加固梁承载力和刚度都显著提高，且破坏时具有较好的延性，复合加固梁承载力提高限值远远比单一材料加固的大，承载力限值可提高113.13%~147.23%；负载对加固梁承载力影响较小，可以忽略，但对加固梁结构的使用性能影响较大，所以，在实际加固工程中尽量要卸载。
关键词：
负载水平；碳纤维复合材料；钢板；钢筋混凝土梁；复合加固；抗弯性能；
中图分类号：TU375.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)06-2393-07
Effect of different preloaded states on flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with CFRP or CFRP-steel combined plates
XIONG Xue-yu1, 2, FAN Xin-hai1
(1. Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education,
Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Seven R.C beams including three CFRP strengthened beams, three CFRP-steel plate composite strengthened beams, and one control beam were tested at different preloaded levels. The flexural behavior of the strengthened R.C beams and the effects of the different preloaded levels on flexural behavior were investigated. Both the experimental and analytical results indicate that ultimate load-carrying capacity of the CFRP-strengthened beams are enhanced evidently, but yield load and stiffness before main reinforcements yield are hardly enhanced, and the preloaded levels have an obvious effect on limit value of load-carrying capacity, the higher the preload level is, the smaller limit value of load- carrying capacity is; However the load carrying capacity and stiffness of all the composite strengthened beams are enhanced evidently and the damage has preferably ductility. The limit value of load-carrying capacity is more than that of beams with single material and reaches 113.13%-147.23%. The preload levels have a scarcely effect on load-carrying capacity of the all strengthened beams, but the preload levels have an obvious effect on the serviceability performance of the all strengthened beams. So before being strengthened, the preloaded should be unloaded in actual strengthening projects.
Key words: preloaded levels; carbon fiber reinforced polymer (CFRP); steel plate; reinforced concrete beam; composite strengthening; flexural behavior
采用碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，CFRP)片材对梁板等抗弯构件进行加固是最常见的加固形式。迄今为止，国内外对CFRP加固构件的抗弯性能进行了深入研究，但大部分是在构件无负载下进行试验，而在实际加固工程中，构件一般都有一定负载。针对这一事实，Arduini等[1-6]研究表明：负载对加固后构件的结构性能有一定的影响。周婷[7]结合外贴CFRP和钢板在改善结构受力性能上的长处,将CFRP与钢板复合加固受弯构件，研究表明复合加固后构件承载力和抗弯刚度显著提高。但对于现有这种复合加固方式的试验研究主要在无负载下进行[8-15]。因此，有必要对负载下CFRP及CFRP与钢板复合加固受弯构件进行深入的试验研究。本文作者对7根不同负载下CFRP及CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁进行抗弯试验，研究不同负载对CFRP及CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能及负载水平的影响，并对承载力提高限值进行探讨。
1 试验设计
试验共设计7根试件，分为3组：Ⅰ组有3根钢筋混凝土梁采用CFRP与钢板复合加固；Ⅱ组有3根钢筋混凝土梁采用CFRP加固；Ⅲ组为1根对比试件。梁截面面积为150 mm×250 mm，长度为2 600 mm，净跨l0=2 400 mm。试件示意图见图1。
混凝土的设计强度为C40，实测混凝土立方体抗压强度平均值为47.6 MPa；CFRP实测抗拉强度为fcf,u=4 240 MPa,弹性模量Ecf=2.25×105 MPa，宽度bcf=150 mm，厚度tcf=0.111 mm；钢板为Q235，实测屈服强度fpy=290 MPa，宽度bp=150 mm，厚度tp=3 mm。加固方式及锚固形式如表1和图2所示。
试验测试内容包括位移(跨中、分配梁两支座位置)、纤维应变、梁纵筋应变、混凝土应变、裂缝开展情况。加载方式采用液压千斤顶三分点两集中力加载，梁受拉侧表面打磨后，按照表1所示的负载分级加载到预先确定的荷载等级，然后保持该荷载不变，粘贴CFRP及CFRP与钢板复合加固，黏结胶达到黏结强度后再分级连续加载至构件破坏。
2 试验结果及分析
2.1 承载力分析
CFRP加固梁复合加固梁的受弯承载力如表2和表3所示。从表2可以看出：采用单层CFRP加固混凝土梁屈服荷载仅提高13.64%~22.73%，极限荷载提高37%~46%；2层CFRP屈服荷载提高18.19%，极限荷载提高66.24%。随着负载的增大承载力有降低趋势且加固量对屈服荷载的提高并不显著，而对极限荷载提高比较显著。可见：采用CFRP加固对梁的极限荷载提高显著，对其屈服荷载提高较小，这主要是因为CFRP比较薄，在钢筋屈服前CFRP应变也比较小，CFRP所发挥的作用很小。从表3可以看出：采用CFRP与钢板复合加固梁屈服荷载及极限荷载都显著地提高，提高幅度达180%左右。可见：采用复合加固不仅显著提高加固梁的极限荷载，而且显著地提高加固梁的屈服荷载。
图1 试验梁的截面尺寸及配筋情况
Fig.1 Details of specimens
表1 试验梁的加固及锚固方案
Table1 Retrofit and anchorage mode of test beams
图2 试验梁加固方式及锚固形式(单位：mm)
Fig.2 Retrofit and anchorage mode of composite strengthened beams
表2 CFRP加固梁受弯承载力
Table 2 Load-carrying capacities of CFRP strengthened beams
表3 复合加固梁受弯承载力
Table 3 Load-carrying capacities of composite strengthened beams
对比不同负载下加固梁承载力可知：负载对加固梁的屈服荷载及极限荷载影响比较小，一般在10%以内，因此，建议在承载力计算时，可忽略负载的影响。
2.2 刚度变化分析
CFRP加固梁和复合加固梁的荷载-挠度关系曲线如图3和4所示。从图3和图4可知：粘贴CFRP能显著地提高加固梁抗弯刚度，但在钢筋屈服前梁的刚度提高并不显著，而在钢筋屈服后对加固梁的抗弯刚度提高非常显著。这主要是因为在钢筋屈服后，CFRP才充分发挥作用，有效抑制裂缝开展，且CFRP加固后梁的破坏具有一定的突然性。而采用CFRP与钢板复合加固梁无论在钢筋屈服前后梁的抗弯刚度都显著提高，复合加固梁的破坏具有较好的延性。这主要是因为在钢板自身具有一定的刚度且钢板对裂缝的抑制作用好于CFRP的原因。
图3 CFRP加固梁的荷载-挠度关系曲线
Fig.3 Load-deflection curves of CFRP strengthened beams
图4 复合加固梁的荷载-挠度关系曲线
Fig.4 Load-deflection curves of composite strengthened beams
CFRP加固梁在正常使用阶段，在相同的荷载作用下负载水平越大，梁的跨中挠度反而越小，例如在40 kN荷载作用下，LC-1和LC-2梁的跨中挠度分别为7.00 mm和6.61 mm，负载大的梁挠度反而大于负载小的梁挠度。文献[5]试验中也出现了类似的现象，其原因是粘贴CFRP的时间差引起纯弯段CFRP粘贴面范围的混凝土出现水平裂缝的时间差。而这种裂缝是影响CFRP与混凝土共同工作的重要因素之一，因此，出现了负载下加固梁在纵筋屈服后的平均切线刚度高于完好状态下加固梁的现象。而复合加固梁负载水平越大，加固后梁在相同的荷载作用下，梁的跨中挠度越大，复合加固梁在60 kN荷载作用下，LCG-1，LCG-2和LCG-3梁的跨中挠度分别为4.17，4.87和6.48 mm。可见，在正常使用阶段下负载对加固后梁的刚度有一定的影响。
2.3 裂缝的分析
2.3.1 裂缝宽度
不同负载下试验梁的裂缝宽度如表4所示。从表4可知：采用CFRP或CFRP与钢板复合加固后，在相同的荷载下，梁的裂缝宽度明显变小，说明采用CFRP或CFRP与钢板复合加固能抑制裂缝的开展，CFRP与钢板复合加固抑制作用明显好于CFRP的抑制作用。负载下梁的裂缝宽度大于无负载下加固梁的裂缝宽度，说明负载对加固后梁的裂缝宽度也有明显的影响；随着负载的增加，在相同的荷载下加固梁的裂缝宽度增宽。
表4 不同负载下试验梁的裂缝宽度
Table 4 Crack width under different preloads mm
2.3.2 裂缝开展情况
试验梁的受力过程和裂缝开展如图5和图6所 示。从图5和图6可见：负载下加固梁一般总是先出现几条主裂缝，随着荷载的增加，在主裂缝两侧出现斜裂缝，这些斜裂缝斜向上开展，最后与中间的主裂缝交汇。无负载下比负载下加固梁裂缝数量多，裂缝平均间距小，裂缝长度短。这主要是因为无负载下，CFRP或CFRP与钢板复合加固对梁裂缝的抑制作用发挥比较早。负载对加固梁的裂缝的开展和发展有一定影响。在相同荷载作用下，负载越大，加固后梁的裂缝数量少，裂缝平均间距越大，裂缝长度越长。
图5 极限破坏时CFRP加固梁裂缝分布
Fig.5 Crack distribution of CFRP-strengthened beams
图6 极限破坏时复合加固梁裂缝分布图
Fig.6 Crack distribution of CFRP-steel plate strengthened beams
试验加固梁在破坏前都伴有“噼啪”的响声。复合加固梁未发生CFRP剥离破坏，最终破坏时CFRP的极限拉应变都达到10 000
以上。可见：采用有效的附加锚固能有效地延缓剥离破坏的发生。
2.4 平截面假定验证
图7所示为加固梁沿跨中截面应变的变化图。由图7可知：随着荷载的增加，梁的应变发展速率加快，中和轴高度逐渐上升，裂缝间距逐渐加大，梁的刚度进一步下降；应变沿梁截面高度基本呈线性分布，所以对于CFRP或CFRP与钢板复合加固梁在有无负载条件下，在考虑计算模型时仍然可以按照平截面假定进行分析。
图7 试验梁截面应变沿高度方向变化图
Fig.7 Average strain distribution of beams strengthened
3 承载力提高限值
《混凝土结构加固设计规范》[10]规定：为了控制加固后构件的裂缝宽度和变形及强调“强剪弱弯”设计原则的重要性，采用粘贴纤维复合材料加固时，钢筋混凝土结构构件正截面承载力的提高幅度不应超过40%。表5所示为试验梁在钢筋或钢筋及钢板都屈服时，加固梁跨中挠度和最大裂缝宽度。
表5 加固梁跨中挠度与最大裂缝宽度
Table 5 Mid-span deflection and crack max-width of beams strengthened
加固后构件除应满足承载力要求外，还应满足正常使用性能要求。《混凝土结构设计规范》[11]规定：一般受弯构件跨中最大挠度为l0/200、最大裂缝宽度为0.3 mm。从表5可以看出：在钢筋屈服时无负载下CFRP加固梁LC-1满足了正常结构使用性能要求，而负载下加固梁LC-2与LC-3在钢筋屈服时已不满足正常使用性能要求。无负载下加固梁在满足使用性能条件下承载力提高了46%，50% Mu负载下加固梁在满足使用性能条件下承载力仅提高了10%左右。可见：负载对加固后梁承载力提高限值有很大的影响，负载越大，承载力提高限值越小。因此，为了更好地满足加固后结构使用性能的要求，在实际加固工程中要尽量做到卸载。
在钢筋及钢板都屈服时，复合加固梁承载力虽然显著提高，但同样已不满足结构正常使用性能要求。因此，有必要对CFRP与钢板复合加固梁承载力提高限值做出探讨。在满足结构正常使用性能条件下，复合加固梁LCG-1，LCG-2和LCG-3承载力分别为116，112和100 kN，分别提高了147.23%，138.70%和113.13%。
可见：在满足“强剪弱弯”的前提下，采用CFRP与钢板复合加固受弯构件承载力提高限值远远大于单一粘贴钢板或CFRP加固梁承载力提高限值要求。复合加固梁承载力提高限值还与锚固方式有关[7]。在满足正常使用性能前提下，有附加锚固方式加固梁承载力提高限值大于无附加锚固加固梁方式承载力的提高幅度。
4 结论
(1) 采用CFRP加固钢筋混凝土受弯构件能有效地提高其承载力及截面抗弯刚度，但对屈服荷载及屈服阶段的抗弯刚度提高并不非常显著。
(2) 采用CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土受弯构件能有效地提高其承载力及截面抗弯刚度，减小构件变形，且构件的破坏具有一定的延性。
(3) 负载对加固后构件承载力影响较小，可忽略负载对其影响。
(4) 负载对加固后构件截面刚度、裂缝开展及宽度影响较大，为了更好地满足结构使用性能要求，在实际加固工程中要尽量卸载。
(5) 负载对加固后构件承载力提高限值有较大的影响，负载越大，承载力提高限值越低，且复合加固梁承载力提高限值可超过40%。
参考文献：
[1] Arduini M, Nanni A. Behavior of pre-cracked RC beams strengthened with carbon FRP sheets[J]. Journal of Composites for Construction, 1997, 1(2): 63-70.
[2] Norris T, Saadatmanesh H, Ehsani M R. Shear and flexural strengthening of RC beams with carbon fiber sheets[J]. Journal of Structural Engineering, 1992, 123(7): 903-911.
[3] Ochola R O, Marcus K, Nurick G N, et al. Mechanical behavior of glass and carbon fiber reinforced composites at varying strain rates[J]. Composite Structures, 2004, 63(3/4): 455-467.
[4] Shin Y S, Lee C. Flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with Carbon fiber reinforced polymer laminates at different levels of sustaining load[J]. ACI Structural Journal, 2003, 100(2): 231-239.
[5] 李贵炳, 张爱晖, 金伟良. 钢筋混凝土梁加固时的既有荷载对其抗弯性能的影响[J]. 土木工程学报, 2006, 39(1): 13-20.
LI Gui-bin, ZHANG Ai-hui, JIN Wei-liang. Effect of sustaining load level on flexural behavior of RC beams retrofitted with CFRP sheets[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(1): 13-20.
[6] 贺拴海, 赵小星, 宋一凡, 等. 具有初荷载的钢筋混凝土梁桥粘贴碳纤维布加固试验研究[J]. 土木工程学报, 2005, 38(3): 70-76.
HE Shuan-hai, ZHAO Xiao-xing, SONG Yi-fan, et al. An experimental study on research of reinforce concrete beam bridges rehabilitated with CFRP laminates under loading and unloading conditions[J]. China Civil Engineering Journal, 2005, 38(3): 70-76.
[7] 周婷. 碳纤维布与钢板复合加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[D]. 武汉: 武汉大学土木工程学院, 2004: 15-35.
ZHOU Ting. Experimental research on flexural performance of reinforced concrete beams composite rehabilitation with bonded carbon fiber reinforced polymer and steel plate[D]. Wuhan: Wuhan University. Civil Engineering Institute, 2004: 15-35.
[8] 欧新新, 张文华, 王纪峰. 钢筋混凝土梁粘钢加固受弯性能强度研究[J]. 浙江工业大学学报, 1999, 27(1): 23-27.
OU Xin-xin, ZHANG Wen-hua, WANG Ji-feng. Research of bending behavior and bearing power of the concrete reinforcement beams with steel bonded reinforcement[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 1999, 27(1): 23-27.
[9] CECS 146: 2003. 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].
CECS 146: 2003. Technical specification for strengthening concrete structures with carbon fiber reinforce polymer laminate[S].
[10] GB50367. 混凝土结构加固设计规范[S].
GB50367. Design code for strengthening concrete structure[S].
[11] GB50010. 混凝土结构设计规范[S].
GB50010. Code for design of concrete structures[S].
[12] 王天稳, 王晓光, 刘利珍. 粘钢加固混凝土梁裂缝宽度验算[J]. 武汉水利电力大学学报, 1997, 30(2): 102-104.
WANG Tian-wen, WANG Xiao-guang, LIU Li-zhen. Crack width calculation of R.C beam with steel-bonded reinforcement[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 1997, 30(2): 102-104.
[13] Abdalla H A. Evaluation of deflection in concrete members reinforced with fiber reinforced polymer (FRP) bars[J]. Composite Structures, 2002, 56(1): 63-71.
[14] 周朝阳, 胡志海, 贺学军, 等. 内嵌式碳纤维板条与混凝土粘结性能的拉拔实验[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2007, 38(2): 357-361.
ZHOU Chao-yang, HU Zhi-hai, HE Xue-jun, et al. Bond behavior of NSM CFRP plate-concrete interface in pull-out experiment[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2007, 38(2): 357-361.
[15] ACI 440. 2R-2002. Design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures[S].
(编辑 赵俊)
收稿日期：2009-11-15；修回日期：2010-03-01
基金项目：上海市建设技术发展基金资助项目(B05043)；上海现代建筑设计(集团)有限公司资助项目(20061B006)
通信作者：熊学玉(1962-)，男，安徽合肥人，教授，博士生导师，从事预应力结构及建筑物的加固与改造研究；电话：13701918688；E-mail: xiong_xueyu@tjpec.com
