近几年来建筑加固技术在中国发展迅速,而碳纤维作为一种新型纤维增强复合材料,和钢材相比,具有轻质高强的特点,应用于结构加固时基本不增加结构尺寸、结构自重以及不影响结构外观,在结构的修补和加固中得到越来越广泛的应用 ^[1,2]。

　　 直接粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验研究已经有很多,赵彤、谢剑、戴自强 ^[3]研究了碳纤维布用量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响和作用,试验研究表明,使用碳纤维布来提高钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的方法是有效的。王滋军、刘伟庆、姚秋来等 ^[4]重点研究了碳纤维U形箍的位置、数量及间距等方面对纵向碳纤维布锚固性能的影响。高华国、宇翔、徐凌等 ^[5]研究了不同碳纤维布粘贴层数对梁极限承载力恢复程度的影响及对加固前后钢筋混凝土梁的承载力、刚度、延性等性能指标。王文炜、赵国藩、黄承逵等 ^[6]分析了碳纤维布加固已承受荷载的钢筋混凝土梁的破坏机理,研究了荷载对加固梁极限荷载的影响。曹双寅、蔺新艳、敬登虎等 ^[7]通过外贴碳纤维(CFRP)布加固钢筋混凝土梁受弯试验,研究了加固后钢筋混凝土梁在不同碳纤维用量、不同碳纤维混凝土粘结宽度和不同预裂裂缝情况下的弯曲裂缝性能。

　　 但普通的加固方法存在一些不足,即对混凝土梁开裂荷载和屈服荷载提高均不大,且在加固构件正常使用阶段,碳纤维布的应力远远滞后于钢筋的应力,不能有效发挥碳纤维材料的高强性能。针对以上不足,可采用预应力碳纤维布加固技术:在碳纤维布粘贴于混凝土结构表面前,先通过某种设备施加一定的预应力,在碳纤维布保持稳定预应力的状态下,在碳纤维布表面涂刷纤维浸渍胶将纤维布黏贴于混凝土结构表面,使碳纤维布能够和混凝土结构共同承受荷载。这样大幅度提高了结构构件的抗弯刚度,减小了结构变形,并且抑制了裂缝的开展。预应力碳纤维布加固技术既克服了预应力加固法中应力滞后的弱点,又利用了碳纤维材料的优点。因此,预应力碳纤维布加固技术被国内外学者和工程人员广泛研究和应用 ^[8,9,10]。宁宝宽、李硕、刘伟等 ^[11]研究了加固梁中预应力碳纤维布和混凝土的各自力学性能以及预应力碳纤维布加固混凝土梁的整体力学性能。高国华、赵畅、徐凌等 ^[12]为了使预应力碳纤维布的高强性能得以充分发挥,通过与现有碳纤维布预应力施加方式和张拉设备进行对比,提出了一套新型的适用于实验室用的碳纤维布预应力施加设备,并利用该设备进行了预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验研究。刘扬、彭晖、尚守平 ^[13]分析了影响预应力CFRP板加固钢筋混凝土受弯构件承载力的主要变量的概率特征,采用Weibull分布推导了CFRP板的极限强度概率分布函数,建立了在不同失效模式(破坏形态)下的受弯构件抗力概率模型,并开展了参数敏感性分析,获得各个失效模式下抗力概率模型的主要影响因素。

　　 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁结构,预应力的大小、预应力的损失和端部锚固方式很大程度上影响了加固的效果。被加固钢筋混凝土梁的加固效果主要考虑两个方面的性能即抗弯性能和抗剪性能。为进行不同预应力和不同端部锚固方式的试验研究对比,分析不同预应力值、不同端部锚固方式对预应力损失、钢筋混凝土加固效果和破坏形态的影响,本文设计了6根外贴预应力碳纤维布钢筋混凝土适筋梁,进行对比试验。

　　 试验共设计6根钢筋混凝土试件梁,其中一根L1试件为对比梁,其余五根L2,L3,L4,L5,L6试件分别是预应力为0,250,500,750,1 000MPa的预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁。试件梁采用矩形截面,截面尺寸150mm×200mm,总长1 500mm。混凝土抗压强度等级为C25,按照适筋梁破坏,配筋选择2■14钢筋作为受拉主筋,2■10钢筋作为架立筋,箍筋采用ϕ10@200,试件尺寸和配筋见图1。

　　 试验中采用自主研发设计的张拉机具(图2)进行碳纤维布的张拉,保证张拉后的碳纤维布能够紧贴钢筋混凝土梁底部。采用与碳纤维布配套的碳纤维浸渍胶将碳纤维布和钢筋混凝土梁牢固地粘接在一起。该张拉机具采用螺栓固定角钢和钢板的方式,通过钢板缠绕碳纤维布固定于角钢上。角钢和反力角钢采用螺杆连接,通过扭力扳手对角钢连接的螺杆上螺母施加扭力,通过扭力扳手上扭力的值计算出螺杆的紧固力,进而可求得碳纤维布的预应力值。该张拉装置同样可在施工条件允许的情况下安装拉压传感器来更好地控制施加预应力的值。

　　 试验设计时考虑到不同端部锚固方式对预应力碳纤维布的影响,创新性地采用了在同一根混凝土梁两端采用不同的端部锚固方式,即斜U形箍锚固(图3梁左端碳纤维布斜U形锚固)及U形箍锚固(图3梁右端碳纤维布U形锚固),侧面抗剪锚固纤维布面积相同。试件锚固方式和尺寸见图3。

　　 试验中共设计了7个测点以进行预应力损失测试,测点分布于混凝土梁底部碳纤维布上。加载试验采用四点加载方式,跨中400mm距离为纯弯段,试验梁跨中及梁端支撑处共安装3个位移计,以测量跨中挠度。在每根梁的纯弯段中心侧表面位置沿其截面高度每隔50mm均匀粘贴混凝土应变片,共计5组,并在纯弯段中心位置的受力纵筋上粘贴了两组钢筋应变片,以测量梁跨中位置不同高度的混凝土应变、下部受拉钢筋应变; 在每根梁的剪切段加载点和支撑点连线上,自上而下平均均匀粘贴三组混凝土应变片(斜U形箍锚固端,自上而下分别为应变片JQ-3,JQ-2,JQ-1; U形箍锚固端,自上而下分别为应变片JQ-4,JQ-5,JQ-6),以测量梁剪切部位不同端部锚固方式下混凝土的应变。所有测点测得的数据采用DH3820静态数据采集系统进行高速连续采集。

　　 预应力损失试验是在图2所示预应力加载平台上进行的,采用拉压传感器和电阻应变片分别测试了张拉阶段、锚固阶段、放张阶段的预应力损失。加载试验是在50t微机电液伺服控制结构试验机上进行的,采用试验荷载闭环控制加载模式,试验荷载分级加载,每5kN一级,每级加载结束后,持载5min。试验开始时预加初始荷载,使试验梁和设备各部分接触良好,进入正常工作状态; 在加载过程中采用裂缝测宽仪观察裂缝开展和宽度变化,当试验梁加载到荷载开始下降时停止加载。

　　 纤维布张拉过程中的预应力损失是指当采用所设计的预应力张拉机具张拉纤维布到预应力最大值以后的预应力损失。通过分析,得出如图4所示的张拉预应力损失曲线和表1所示的预应力损失量。

　　 当纤维布张拉至最大的预应力时,梁内钢筋的应变如表2所示。

　　 在粘贴锚固纤维布时会对已经张拉好的纤维布产生挤压力,也会间接影响到张拉好的纤维布中预应力的大小。因此在纤维布的粘结锚固过程中会产生一定的预应力损失,这种预应力损失受施工工艺的影响比较大。通过 DH3818应力、应变数据采集分析系统,对纤维布粘贴和端部锚固过程中的数据进行了采集,开始粘贴至锚固完成以后的试验数据如表3所示。

　　 不同预应力碳纤维布在进行预应力放张时,跨中碳纤维的预应力损失量不同,但损失比例比较接近,而端部预应力损失相对较大,如图5所示。尤其是当对碳纤维布施加的预应力比较大时,碳纤维布放张时端部预应力损失会非常大。端部采取锚固方式时,能有效阻止碳纤维布放张过程中的预应力损失。对比两种不同锚固方式对放张过程中碳纤维布的预应力损失的效果,两种端部锚固方式都能有效地减小放张时的预应力损失,斜U形箍锚固效果较好,但斜U形箍用料相对比U形箍用料多一些,施工工艺也比U形箍复杂。

　　 当纤维布加固钢筋混凝土时,钢筋混凝土梁的抗弯承载力得到明显提升,最大提高幅值为750MPa预应力碳纤维布加固下的试件,其抗弯承载力最大提高幅度为41.07%(表4)。从图6可以看出,抗弯承载力并不是随着预应力的增大而逐渐增大的,当预应力达到一定的值后,随着预应力的提高,抗弯承载力反而下降了。

　　 随着碳纤维布预应力的增加,被试件的开裂荷载得到明显提高,最大提高幅度达到81.8%,并且随着预应力的增大,开裂荷载也随之增大,从图7中可以看出,开裂荷载和碳纤维布预应力成线性关系。

　　 如图8所示,跨中挠度随着预应力的增大逐渐减小,说明采用预应力碳纤维布加固试件,试件刚度随着预应力的增大而逐渐增大。

　　 虽然现行结构设计规范中规定梁结构的破坏类型为适筋梁弯曲破坏,以防止剪切破坏。但对于加固以后的钢筋混凝土梁结构,由于碳纤维布对其抗弯能力进行了增强,其抗剪能力如果不进行增强,则加固后的钢筋混凝土梁结构很容易发生剪切破坏。故对本文试件进行抗剪性能试验研究。具体试验数据和分析如图9所示。

　　 图9(a),(b),(d),(e)均表现为U形箍锚固抗剪加固下,剪切区的应变在同等荷载作用下,小于斜U形箍锚固抗剪加固。从图9(c)中能够看出,当荷载在100kN以下时,U形箍锚固下的剪切区应变小于斜U形箍锚固下的剪切区应变,当大于100kN时,应变片JQ-4,JQ-5数值突然变大,说明在这两个应变片附近出现了裂缝。从图中同样能够看出,当试件所受到的荷载较小时,剪切区的应变相对较小,剪应变前期发展缓慢,剪应变主要发生在荷载较大时。从布置于试件两端的混凝土应变片的应变发展趋势来看,每端三个应变片中,上部和下部的应变片很容易在荷载较小的时候就发生突然断裂,这从图9(a),(b),(d)中能够明显看出,表明在试件两端上下部的混凝土应变片位置很容易突然开裂,且裂缝发展迅速,从而导致此处的应变片被拉断。

　　 (1)在整个加固过程中碳纤维布的预应力损失主要为碳纤维布张拉过程中的预应力损失。因此对纤维布加固混凝土梁,在张拉过程中应超张拉10%的损失量,才能使张拉损失完成后的纤维布中预应力的剩余量达到预应力目标值。纤维布放张时端部损失比较大,需对其进行端部锚固,端部锚固能够有效减小放张时预应力损失。

　　 (2)预应力碳纤维布加固混凝土梁后,混凝土梁的抗弯承载力得到明显提升,开裂荷载随着预应力的增大而提高。极限荷载在预应力一定范围内会随着预应力的增大而提高,但超过一定预应力范围后,反而会随着预应力的增大而减小。加固后的钢筋混凝土梁的挠度会随着预应力的增大而减小,说明碳纤维布中预应力越大,加固后的梁刚度越大。

　　 (3)为防止混凝土梁发生剪切破坏,可用碳纤维布在混凝土梁的端部进行锚固,使碳纤维布与混凝土梁共同工作,承担部分荷载。在使用同样面积的碳纤维布进行端部锚固的情况下,U形箍锚固的方式优于斜U形箍锚固的方式,且施工简单方便,因此在施工成本相同的情况下,应优选U形锚固。