DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.037
粘贴胶合竹板加固钢筋混凝土梁试验
朱雷，许清风，张富文
(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海，200032)
摘 要：
土梁(RC梁)粘贴胶合竹板加固的对比试验进行研究，其中2根为对比试件，1根为弯剪区粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)布抗剪加固试件，4根为梁底粘贴5~20 mm厚胶合竹板抗弯加固和弯剪区粘贴CFRP布抗剪加固试件。研究结果表明：梁底粘贴胶合竹板加固RC梁的极限受弯承载力提高16%~118%，平均为62%；极限位移降低59%~80%，平均为69%。粘贴胶合竹板加固试件跨中截面应变仍基本符合平截面假定，弯曲刚度随粘贴胶合竹板厚度的增加而增加。粘贴胶合竹板加固混凝土梁的理论计算和有限元分析(FEA)结果均与试验值吻合较好。
关键词：
中图分类号：TU375.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)09-3437-09
Experiment of reinforced concrete beams strengthened with glubam plates
ZHU Lei, XU Qingfeng, ZHANG Fuwen
(Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences,
Shanghai 200032, China)
Abstract: An experimental research of seven reinforced concrete beams (RC beams) was conducted, including two contrast RC beams, one RC beam shear strengthened with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strips, and four RC beams flexural strengthened with 5-20 mm thick glubam plate and shear strengthened with CFRP strips. The results show that the ultimate strength of the RC beams strengthened with glubam plates is increased by 16%-118% (with an average of 62%), while the ultimate displacement is decreased by 59%-80% (with an average of 69%). The strain distributions along the height of the strengthened RC beams at middle-span are nearly in accordance with the plane section assumption. The flexural stiffness of strengthened RC beams is increased with the increase of the thickness of the glubam plates. The bearing capacities based on the normal section analysis and finite element analysis (FEA) are all in good agreement with the test results.
Key words: reinforced concrete beams; strengthening; glubam plate; bearing capacity
混凝土梁常因过载或耐久性损伤导致受弯承载力不能满足要求，需进行加固。混凝土梁抗弯加固方法包括增大截面加固法、置换混凝土加固法、外加预应力加固法、外粘型钢加固法、粘贴FRP加固法、粘贴钢板加固法、增设支点加固法等[1]，其中增设支点加固法将影响建筑的使用功能，而其他加固方法均需采用高耗能加固材料，制约既有建筑改造业的可持续发展。竹材是一种可再生的生物质材料，再生能力强且成熟期较短，具有抗拉强度高、材质均匀、高强重比、稳定性好、耐磨等突出优点，且竹材使用寿命终止后可自然降解，不会对环境造成污染，是一种低碳材料，在国内外建筑领域一直有所应用。Chung等[2-3]进行竹脚手架中竹材基本力学性能的系列试验研究，表明随着含水率增加竹材基本力学性能显著劣化，竹柱屈曲常是竹脚手架倒塌的重要原因。Ghavami[4-5]进行竹筋混凝土构件的试验研究，表明竹筋混凝土梁的极限承载力较素混凝土梁提高4倍，并建议竹筋配筋率为3%较为合理。Amada等[6]对竹材的断裂性能进行研究，表明竹材断裂性能与竹纤维的密度密切相关。此外，Chand等[7]研究竹材的高应力磨损性能，Lo等[8-9]研究竹材密度和微观结构对其力学性能的影响。近年来，随着我国对节能减排和环境保护的日趋重视，竹材应用的研究也得到重视。龙激波等[10]进行竹筋混凝土在热湿变化作用下的热湿应力变化与破坏研究。吕清芳等[11]进行胶合竹柱和胶合竹梁的试验研究，提出相应的设计方法。肖岩等[12]研究胶合竹材的基本物理力学性能、轻型胶合竹结构的构造处理和抗震设计方法。魏洋等[13]介绍胶合竹梁的破坏形态，并得出其符合平截面假定。此外，竹材还在土质边坡、生土墙体、脚手架和模板中得到日益广泛的应用。本文作者针对混凝土梁受弯承载力不足的工程常见问题，进行粘贴竹板加固混凝土梁的试验，研究其加固效果及作用机理。
1 试件设计
钢筋混凝土梁(RC梁)试件长×宽×高均为150 mm×250 mm×2 000 mm。受拉区纵筋为3
12(即纵筋数量为3根，下部钢筋直径为12 mm)，受压区纵筋为212；跨中箍筋为
6@200(即直径为6 mm一级钢筋，间距为200 mm)，端部箍筋加密为6@100，试件配筋见图1所示。试件共7根，对比试件编号为DB1~DB2，加固试件编号为B4~B8。根据文献[14]所得的结果，为防止加固混凝土梁在弯剪区发生剪切破坏，在B4~B8的两侧弯剪区均粘贴3层竖向300 g的(名义厚度为0.167 mm)碳纤维增强复合材料(CFRP)布。其中B4仅在弯剪区粘贴3层竖向CFRP布；B5~B8分别先在梁底跨内粘贴1层5 mm厚横压、1层5 mm厚侧压、1层5 mm厚横压加1层5 mm厚侧压及1层20 mm厚侧压胶合竹板，再在弯剪区粘贴3层竖向CFRP布。试件加固前对混凝土梁底面和弯剪区进行表面打磨和清洁处理，并对竹板表面进行清洁处理。试件特征如图2所示。
图1 钢筋混凝土梁配筋图
Fig. 1 Reinforcement of RC beams
图2 试件示意图
Fig. 2 Schematic diagrams of test specimens
2 试验概况
2.1 试验材料
本次试验用混凝土实测强度为28 MPa；12钢筋的屈服强度为393 MPa，极限强度为528 MPa；6钢筋屈服强度为346 MPa，极限强度为509 MPa。选用DL-JGN型建筑结构粘结胶，其钢-钢抗拉强度大于33 MPa，钢-钢抗剪强度大于18 MPa。
选用工厂化生产的竹板，当成型方式为横压时厚度为5 mm，成型方式为侧压时厚度为20 mm。实测为5 mm厚的横压竹板抗拉强度平均值为101 MPa，弹性模量为9 236 MPa；5 mm厚侧压竹板抗拉强度平均值为100 MPa，弹性模量为9 530 MPa。
粘贴胶合竹板(包括横压和侧压)的加固步骤与粘钢加固方法类似：先将混凝土梁底面打磨并清洁处理；胶合竹板表面清洁处理；将粘钢胶涂抹在胶合竹板表面；将胶合竹板粘贴到混凝土梁底面；用U型箍或夹具进行固定；最后进行适当养护。
2.2 位移计和应变片布置
为了解受力过程中混凝土梁的变形情况，在试件跨中和支座布置位移计；为了解钢筋、混凝土和加固竹板等的变形情况，在相应位置布置应变片。位移计和应变片读数采用DH3817动态应变测量系统进行数据采集。试件应变片和位移计布置位置如图3所示。
2.3 加载制度
试件采用液压千斤顶三分点加载，荷载通过分配梁传递，试验加载装置如图4所示。为消除系统误差，正式试验前先对试件进行预加载。正式加载采用单调加载，每根梁的试验时间为20~30 min。
3 试验结果与分析
3.1 试验现象
当荷载增加至11.0 kN时，对比试件DB1在跨中出现裂缝，随着荷载增加，裂缝数量和裂缝宽度均增加；当荷载增加至60.0 kN时，在弯剪区出现斜裂缝；当荷载增加至110.0 kN时，跨中挠度迅速增加；当荷载增加至125.6 kN时，跨中受弯裂缝最大裂缝宽度超过2 mm，受压区混凝土被压碎，试件发生延性破坏。当荷载增加至16.0 kN时，对比试件DB2在跨中出现裂缝；随着荷载增加，裂缝数量和裂缝宽度均增加；当荷载增加至65.0 kN时，在弯剪区出现斜裂缝；当荷载增加至107.0 kN时，跨中挠度迅速增加；当荷载增加至121.7 kN时，跨中受弯裂缝最大裂缝宽度超过2 mm，受压区混凝土被压碎，试件发生延性破坏。
在加固试件B4弯剪区粘贴3层CFRP布，当荷载增加至16.0 kN时，B4的跨中出现裂缝；随着荷载增加，中间区域裂缝增多，并向上展开；当荷载增加至120.3 kN时，受压区混凝土被压碎，试件被破坏。
在加固试件B5板底粘贴1层5 mm厚横压胶合竹板，当荷载增加至24.0 kN时，B5的跨中区域出现裂缝；随着荷载增加，纯弯区出现多条裂缝，并向上展开；当荷载增加至135.0 kN时，试件发出明显声响。当荷载增加至157.6 kN时，伴随明显的断裂声响，跨中位置竹板断裂，试件被破坏，受压区混凝土未被压碎。
在加固试件B6板底粘贴1层5 mm厚侧压胶合竹板，当荷载增加至23.0 kN时，B6的跨中出现裂缝，随着荷载增加，裂缝增多、增宽；当荷载增加至129.0 kN时，试件发出明显声响；当荷载增加至144.1 kN时，伴随竹板断裂声，跨中位置竹板拉断，试件被破坏。
图3 应变片和位移计布置图
Fig. 3 Layout of strain gauges and displacement meter
图4 试验装置图
Fig. 4 Experimental apparatus
在加固试件B7板底粘贴1层5 mm厚横压胶合竹板和1层5 mm厚侧压胶合竹板，当荷载增加至27.0 kN时，在B7跨中出现裂缝，随着荷载增加，裂缝增多、增宽；当荷载增加至153.0 kN时，试件开始发出声响。当荷载增加至230.9 kN时，伴随巨大声响，试件跨中区域两层竹板同时断裂，试件被破坏。
在加固试件B8板底粘贴1层20 mm厚侧压胶合竹板，当荷载增加至27.0 kN时，在B8跨中出现裂缝，随荷载增加，裂缝增多、增宽；当荷载增加至180.0 kN时，试件开始发出轻微声响；当荷载增加至269.4 kN时，南侧弯剪区内竹板断裂，试件发生剪切破坏。去除试件B8弯剪区粘贴的CFRP布后发现，B8的两侧弯剪区均出现明显的剪切裂缝。同时去除试件B4~B7弯剪区粘贴的CFRP布，未在弯剪区发现裂缝。
对比试件DB1和DB2、试件B4和试件B5~B7均发生弯曲破坏，而试件B8发生剪切破坏。
裂缝发展如图5所示，试件破坏特征如图6所示。
3.2 荷载-位移曲线
试件的荷载-位移曲线对比如图7所示，主要试验结果如表1所示。
由图7和表1可知：1) 仅在弯剪区粘贴3层竖向CFRP布的试件B4极限荷载与对比未加固试件DB1和DB2相近，开裂荷载有所提高，极限位移有所降低。2) 粘贴竹板加固试件的开裂荷载显著提高，提高幅度为70%~100%，平均为87%。3) 粘贴竹板加固试件极限荷载提高16%~118%，平均为62%；极限位移显著降低59%~80%，平均为69%。
根据实测的P-△曲线，用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移△y[15]，再用荷载下降至0.85Pu的极限位移Du来计算各试件的延性系数mD，计算结果见表1和图8。
由图8可知：1) 仅在弯剪区粘贴竖向CFRP布进行抗剪加固的试件B4的延性系数与未加固对比试件DB1和DB2相当；2) 而在梁底粘贴竹板加固的试件B5~B8延性系数明显增加，但增加幅度随着竹板厚度增加而降低。
图5 加固RC梁裂缝展开图
Fig. 5 Crack patterns of strengthened RC beams
3.3 应变分析
3.3.1 跨中截面沿截面高度应变变化
典型加固试件跨中截面沿截面高度的应变变化如图9所示。
由图9可知：梁底粘贴竹板加固试件跨中截面应变在开裂前符合平截面假定；开裂后随着受拉区混凝土开裂，试件中和轴上升，跨中截面仍基本符合平截面假定。
3.3.2 跨中边缘应变变化
粘贴竹板加固试件跨中受拉边缘和受压边缘的应变对比见图10所示。其中1号应变片位于跨中受压边缘中心，9号应变片于跨中竹板受拉边缘中心。
图6 试件破坏特征图
Fig. 6 Failure modes of specimens
由图10可知：加固试件的弯曲刚度随着竹板厚度的增加而增加；在相同荷载作用下，竹板厚度较厚的加固试件受拉边缘拉应变和受压边缘压应变均明显小于竹板厚度较薄的加固试件。
图7 试件P-D曲线对比图
Fig. 7 Comparison diagram of P-D curves of specimens
表1 主要试验结果
Table 1 Main test results
图8 试件延性系数对比图
Fig. 8 Comparison diagram of ductility factor of specimens
图9 试件跨中截面应变变化图
Fig. 9 Strain profiles of mid-span cross-section of specimens
图10 试件跨中边缘应变对比图
Fig. 10 Strain profiles of mid-span edge of specimens
4 理论计算与数值分析
以DB1，DB2和B4~B6为例，分别采用理论计算及有限元分析(FEA)对粘贴竹板加固钢筋混凝土梁的受力性能进行分析。考虑到横压和侧压竹板材性试验中获取的抗拉强度及弹性模量无明显差异，因此，统一取各参数平均值，即竹板抗拉强度fbu=100.5 MPa，弹性模量Eb=9 383 MPa。
4.1 理论计算
4.1.1 各试件受弯承载力计算
为便于各试件的受弯承载力计算，首先做出如下假定：外贴竹板与梁底混凝土没有相对滑移，且跨中截面平均应变符合平截面假定；竹板的受拉应力应变关系可以按理想化的线弹性关系来分析；受拉区混凝土的工作忽略不计，同时不考虑胶层的抗弯贡献。
对于对比试件DB1，DB2及加固试件B4，受弯承载力可按GB 50010—2010“混凝土结构设计规范”[16]进行计算，其中等效受压区高度
13.92 mm＜
50 mm，按照文献[16]规定取
，
可得截面名义极限弯矩
26.67 kN·m，其中各参数含义如下：fc为混凝土轴心抗压强度；b为混凝土梁宽度；fy和As分别为混凝土梁受拉区钢筋的抗拉屈服强度和截面面积；
和
分别为混凝土梁受压区钢筋的的抗拉屈服强度和截面面积；h0为截面有效高度；
为受压区纵筋合力点至截面受压边缘的距离。实际上，此时求得的M为混凝土梁的屈服弯矩，随着裂缝的展开，梁底钢筋应变不断增大，应力也由屈服应力fy=393 MPa向极限应力fu=528 MPa增加，不考虑内力臂的伸长和局部混凝土的压碎，对于双筋矩形截面梁理论上可达到的极限弯矩接近为
35.83 kN·m。因此，由受弯承载力可求得的最大竖向荷载
119.4 kN，其中Lc为梁净跨。
对于加固试件B5和B6，其弯曲破坏可能存在3种模式，第1种为竹板拉断引起的弯曲破坏，第2种为混凝土压碎引起的弯曲破坏，第3种为钢筋拉断引起的弯曲破坏。由于钢筋的极限拉应变远大于本文选用竹板的极限拉应变，因此，试验中第3种破坏模式不会发生。为了判别加固弯曲破坏属于第1种还是第2种破坏模式，首先需要确定混凝土截面的临界受压区高度，如图11所示。由图11可知：若混凝土达到极限压应变的同时，竹板也刚好达到极限拉应变，则此时的混凝土受压区高度即为临界受压区高度xcb，对应的临界等效受压区高度xb=0.8xcb。当混凝土等效受压区高度x小于xb，试件将发生第1种破坏，反之，试件将发生第2种破坏。
基于第1和2种破坏模式，得竹板加固混凝土梁受弯承载力的计算方法：
a) 由下式求得临界等效受压区高度xb为
图11 临界状态下的加固试件正截面受弯承载力计算简图
Fig. 11 Calculating diagram of normal section flexural bearing capacity at critical state for strengthened RC beams
(1)
式中：
和
分别为混凝土的极限压应变和竹板的极限拉应变；hb为竹板中心到混凝土受压边缘的距离。
b) 假定试件发生竹板拉断的破坏模式，根据下式求得等效受压区高度x为
(2)
式中：fbu和Ab分别表示竹板的抗拉强度和截面面积。
c) 当x＜xb时，试件发生竹板拉断的破坏模式，可根据下式求得截面的极限弯矩Mu为
(3)
当x＞xb时，试件发生混凝土压碎的破坏模式，此时可根据式(4)和式(5)联立求解极限状态下的等效受压区高度x和竹板拉应变
：
(4)
(5)
式中：Eb为竹板的抗拉弹性模量。
然后可由下式求得此时的截面极限弯矩Mu为
(6)
根据上述计算方法，可求得各试件的极限荷载，如表2所示。
4.1.2 各试件抗剪承载力计算
对比试件DB1和DB2的抗剪承载力Vbu可按下式[16]计算：
(7)
式中：λ为试件的剪跨比；ft为混凝土抗拉强度；fyv为箍筋抗拉屈服强度；Asv为同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为沿构件长度方向的箍筋间距。
从而可得试件竖向承载力
159.6 kN。
不考虑竹板和胶层的抗剪，试件B4~B6具有相同的抗剪承载力，可按照GB 50608—2010“纤维增强复合材料建设工程应用技术规范”[17]中给定的公式，将混凝土梁的抗剪承载力Vbu与碳纤维布提供的抗剪承载力Vbf进行叠加，即
(8)
式中：Ψv为二次受力影响系数；wf为FRP片材条带宽度；tf为单侧FRP片材的总厚度；sf为FRP片材条带净间距；σf,vd为FRP片材的有效拉应力设计值；hf为FRP片材的粘贴高度；α为FRP纤维方向与梁轴线的夹角。各参数的计算方法详见文献[17]。
由式(8)可得上述试件竖向承载力为
557.2 kN。
4.1.3 各试件的极限承载力
试件的极限承载力由按照抗弯破坏计算得到的竖向承载力
和按照抗剪破坏计算得到的竖向承载力
的较小值决定，具体结果如表2所示。
表2 理论计算结果与试验结果的对比
Table 2 Comparison between theoretical and test results
从表2可知：对比试件和加固试件极限荷载的理论计算值与试验值吻合较好。
4.2 有限元分析
采用有限元软件ANSYS对粘贴竹板加固混凝土梁的受力性能进行数值分析。有限元模型采用分离式建模方式，混凝土和竹板选用SOLID65单元，钢筋选用LINK8单元，碳纤维布采用Shell41单元，不考虑其抗压能力，加载垫块采用SOLID45单元。对于材料模型，采用文献[16]定义的混凝土单轴受压应力-应变曲线，竹板单轴受拉应力-应变曲线则定义为线弹性，同时，对混凝土和竹板定义了W-W 5参数破坏准则，并设置了其开裂强度。钢筋单轴受拉应力-应变曲线方程采用用双线性等向强化模型(BISO)，屈服后刚度取初始刚度的1/100，碳纤维布则设置为线弹性材料。此外，模型不考虑钢筋与混凝土以及混凝土与竹板之间的粘结滑移，同时忽略胶层厚度。根据结构和受荷的对称性，取整个梁的1/2对称部分进行建模，对称面施加对称约束。
有限元模型采用位移加载方式，典型试件计算结果如表3所示，各试件荷载-位移曲线计算值与试验值的对比如图12所示。
表3 有限元计算结果与试验值对比
Table 3 Comparison between FEA prediction and test results
图12 典型试件荷载-位移计算曲线与试验曲线对比图
Fig. 12 Comparisons diagrams between load-displacement curves of calculation and experimental
由表3和图12可知：极限承载力有限元分析结果与试验值接近，而峰值位移具有一定偏差。
5 结论
1) DB1，DB2和B4~B7均发生弯曲破坏，而底面粘贴20 mm厚胶合竹板并在弯剪区粘贴竖向CFRP布加固的试件B8发生剪切破坏。
2) 在梁底粘贴胶合竹板加固后，加固梁开裂荷载提高70%~100%，平均为87%；极限承载力提高16%~ 118%，平均为62%；极限位移降低59%~80%，平均为69%。
3) 加固试件跨中截面应变在开裂前符合平截面假定；开裂后随着受拉区混凝土开裂试件中和轴上升，跨中截面应变仍基本符合平截面假定。加固试件弯曲刚度随胶合竹板厚度增加而增加；在相同荷载作用下，胶合竹板厚度较厚加固试件B7和B8受拉边缘拉应变和受压边缘压应变均明显小于胶合竹板厚度较薄的加固试件B5和B6。
4) 粘贴胶合竹板加固混凝土梁受弯承载力的理论计算和有限元分析结果均与试验值吻合较好，满足工程精度要求。粘贴胶合竹板加固钢筋混凝土梁可根据本文方法进行设计。
5) 采用竹板代替其他加固材料符合产业发展方向，值得深入研究。在后续研究中可针对不同截面形式、混凝土强度和钢筋配筋率，选择合适厚度的竹板进行加固，并通过对竹板采取必要的防腐和防火处理，提高粘贴竹板加固混凝土梁的适用范围。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2014-11-24；修回日期：2015-01-07
基金项目(Foundation item)：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ07B04) (Project(2012BAJ07B04) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-year Plan Period)
通信作者：许清风，博士，教授级高级工程师，从事工程结构抗火与既有建筑加固改造研究；E-mail: xuqingfeng73@163.com
摘要：对7根钢筋混凝土梁(RC梁)粘贴胶合竹板加固的对比试验进行研究，其中2根为对比试件，1根为弯剪区粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)布抗剪加固试件，4根为梁底粘贴5~20 mm厚胶合竹板抗弯加固和弯剪区粘贴CFRP布抗剪加固试件。研究结果表明：梁底粘贴胶合竹板加固RC梁的极限受弯承载力提高16%~118%，平均为62%；极限位移降低59%~80%，平均为69%。粘贴胶合竹板加固试件跨中截面应变仍基本符合平截面假定，弯曲刚度随粘贴胶合竹板厚度的增加而增加。粘贴胶合竹板加固混凝土梁的理论计算和有限元分析(FEA)结果均与试验值吻合较好。
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