预应力CFRP片材梁侧加固T形梁二次受力抗弯性能试验研究

作者：朱浪涛陈小英卓静万虹宇李唐宁

单位：重庆科技学院建筑工程学院能源工程力学与防灾减灾重庆市重点实验室重庆大学土木工程学院

摘要：采用波形齿夹锚能可靠实现梁侧多点锚固并张拉CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer, 碳纤维增强复合材料) 片材进行混凝土梁体外预应力加固技术。结合该项加固技术, 对3根计算跨度6.6m的相同截面混凝土T形截面梁进行了对比试验研究。采用该项加固技术加固其中2根梁 (1根梁加固时无初始荷载, 另1根梁有初始荷载) , 用普通粘贴CFRP片材加固技术加固另外1根梁。试验结果表明应用该项加固技术能够较充分发挥CFRP片材的高强性能, 对提高混凝土梁的开裂荷载、截面刚度、屈服荷载、承载力效果显著, 并能有效限制混凝土裂缝宽度的发展;同时, 加固时有无初始荷载 (即是否二次受力) 对加固后梁的承载力及变形能力均无明显影响。

关键词：波形齿夹锚预应力混凝土T形截面梁 CFRP片材二次受力

作者简介：朱浪涛, 硕士, 讲师, Email:657398218@qq.com。
基金：国家自然科学基金面上资助项目 (51078370); 重庆市教委科学技术研究项目 (KJ1713325); 长安大学桥梁结构安全技术国家工程实验室“中央高校基本科研业务费专项资金”资助 (310821161101)。 -页码-：80-84

0 前言

　　纤维布补强加固技术在混凝土结构加固中有着广泛的应用前景^[1]。在传统粘贴FRP (Fiber Reinforced Polymer, 纤维增强复合材料) 布的非预应力加固方法中, FRP布材料强度得不到较好的发挥^[2,3], 近年来采用预应力技术进行结构加固的探索和工程运用不断发展^[4,5,6,7,8]。利用锚固性能良好的波形齿夹锚^[4,5]能实现对多层带状片材进行横向张拉与锚固, 对底部因钢筋布置密集无法打孔放置螺栓及波形齿夹锚的较大尺寸梁进行梁侧体外预应力CFRP片材加固。而工程实际中, 需补强加固的受弯构件往往已经历加载 (承受恒荷载和部分活荷载) 。而结构在持荷状态下加固时, 存在纤维布应变滞后的问题, 若试验研究在无加载历程下进行 (即未考虑构件二次受力问题) , 构件的抗弯承载力可能会被高估^[9,10,11]。因此, 本文针对考虑二次受力影响的、采用梁侧多点锚固CFRP片材体外预应力加固后的梁进行试验研究。对梁侧CFRP片材体外预应力加固并考虑二次受力影响的研究鲜有报道, 故该项研究具有重要价值。

1 试验概况

1.1 试件设计

　　本次试验共设计了3根纵向长度、截面几何形状及尺寸、配筋数量和布筋方式等完全相同的试验梁, 其中1根为非预应力CFRP片材梁底粘贴加固的T形梁 (试件TLl, 对比梁) ;另外2根梁为采用笔者团队研发的波形齿夹锚锚固CFRP片材进行梁侧无粘结体外预应力加固的T形梁, 其中1根为一次受力 (试件TL2, 对比梁) , 另外1根则考虑二次受力 (试件TL3) 。试验梁的几何尺寸及配筋见图1, 混凝土强度等级取C30, 配筋率为0.85%。

　　图1 试验梁几何尺寸及配筋

　　图2 试验梁的加固方案

　　 试验方案及参数表1

试件编号	加固位置	CFRP布展开宽b及折叠层数n						加固量/mm²			初始预拉应变/με			预应力损失/με					损失测试天数 /d	f_cu /MPa	f_c /MPa	备注
		左		中		右		左	中	右	左	中	右	左	中		右
		b/cm	n/层	b/cm	n/层	b/cm	n/层
TL1	梁底	60	4	60	4	60	4	100.2	100.2	100.2	0	0	0	0	0		0		39.84	30.28	对比梁
TL2	内侧	30	8	45	12	30	8	50.1	75.15	50.1	4 328	3 063	4 443	171		128		176	2	39.77	30.23	梁两侧对称加固 (一次受力) , 中段加固量根据前期研究确定
	外侧	30	8	45	12	30	8	50.1	75.15	50.1	4 143	3 140	4 392	98		172		153
TL3	内侧	30	8	45	12	30	8	50.1	75.15	50.1	4 273	2 905	4 397	191		101		33.5	7	39.52	30.03	梁两侧对称加固 (二次受力) , 中段加固量根据前期研究确定
	外侧	30	8	45	12	30	8	50.1	75.15	50.1	4 287	2 949	4 230	158		139		25

　　注: f_cu为混凝土立方体抗压强度; f_c为混凝土轴心抗压强度;加固量为CFRP片材总截面面积。

1.2 加固方式及加载方式

　　各试验梁的加固方案见图2, 试验参数见表1。试件TL2, TL3采用三段不同加固量加固, 两端区段加固量同试件TL1, 中间区段较两端区段进行了加强。这是基于以下考虑:一方面采用波形齿夹锚锚固CFRP片材进行梁侧加固, 锚具穿孔锚入梁体内时必须避开梁底钢筋, 且锚具本身具有一定的宽度, CFRP片材中心到受压区合力点的距离 (内力臂) 较底部粘贴加固方式有较大程度的减小;另一方面, 梁中部区段为挠曲变形集中发展区, 极限状态下梁体产生弯曲变形, 但无粘结的CFRP片材仍保持直线, 这样CFRP片材距梁受压区合力点的距离进一步减小。对于两端区段, 梁的弯矩往两端支座逐渐减小, 变形曲率相对梁中部区段小很多, 因此仍采用同试件TL1相同的加固量。波形齿夹锚能轻松实现各段不同加固量的加固, 显示出该种加固方式的优势。

　　 CFRP片材采用图3所示的波形齿夹锚配合千斤顶进行张拉。CFRP布采用HT300-30型, 其名义厚度为0.167mm, 采用厂商提供的力学性能参数, 抗拉强度取2 755MPa, 弹性模量取236GPa。混凝土和钢筋的材料性能参数采用实测值, 见表1和表2。

　　图3 CFRP片材锚固张拉机具示意图

　　 3根试验梁均采用两点对称集中加载, 单调逐级加载直至构件破坏, 两加载点间距为1 500mm, 见图4。在试验加载过程中, 实时记录试验全过程测试的数据。试验主要测量试件纯弯段混凝土、受拉钢筋的应变、沿长度方向碳纤维布纵向应变以及试件跨中、支座和加载点下挠度变形, 并测量了各试件在正常使用阶段的裂缝宽度。

　　 钢筋性能参数表2

钢筋规格	截面面积 /mm²	屈服强度 f_y/MPa	极限强度 f_u/MPa	弹性模量 E_s/GPa	屈服应变 ε_y/με
■22	380.1	365.33	561.16	192	2 100
■12	113.1	374.19	591.22	191	2 200
ϕ8	50.3	365.81	504.92	256	2 100

　　对于考虑二次受力的试验梁TL3, 在加载过程中采用钢梁堆积在分配梁上作为初始荷载, 见图5。由于初始荷载的存在, 在实际加固工程中, 被加固构件往往已经出现裂缝, 按《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[12]规定, 一般建筑结构构件在正常使用阶段最大裂缝宽度不超过0.2mm, 本次试验按构件的最大裂缝宽度控制在0.1mm确定堆载量。本次试验中, 当最大裂缝宽度达到0.1mm时, 堆载荷载值为61kN。

　　图4 试验加载示意图

　　图5 二次受力梁的初始加载示意图

2 试验结果及分析

　　试验破坏特征如图6所示, 试验各阶段梁的荷载特征值如表3所示。表3中, P_cr为混凝土梁的开裂荷载;P_y为混凝土梁纵筋开始屈服时的荷载值;P_u为混凝土梁的最大承载力值;α_cr, α_y, α_u分别为试件TL2, TL3的P_cr, P_y, P_u与对比梁TL1对应值的比值。试验梁各挠度值对应的荷载及特征挠度值如表4所示。表中, P_l_/400, P_l_/300, P_l_/200分别为梁跨中挠度为l/400, l/300, l/200时对应的荷载值, l为梁支座中心线之间的距离;α_l_/400, α_l_/300, α_l_/200分别为试件TL2, TL3梁跨中挠度为l/400, l/300, l/200时的荷载值与对比梁TL1对应值的比值;Δ_y, Δ_u分别为各试验梁对应钢筋屈服和极限荷载时的跨中挠度值。

　　图6 各梁破坏特征

2.1 各梁的破坏特征

　　试件TL1在受拉钢筋屈服后, 梁底及U型箍CFRP片材发生剥离破坏, 破坏时梁底CFRP片材的应变为4 401με。试件TL2在受拉钢筋屈服后, 梁外侧左端CFRP片材被拉断 (该处CFRP片材因梁端部锚具预压过紧导致局部有初始微损伤) , 破坏时CFRP片材的应变为8 330με。试件TL3在受拉钢筋屈服后, 内侧跨中CFRP片材被拉断, 破坏时CFRP片材的应变为11 528με。试件TL2和试件TL3破坏时CFRP片材的应变较试件TL1分别提高89.3%, 162%, 可见采用波形齿夹锚能有效地锚固CFRP片材, 能更有效发挥CFRP片材强度。各试验梁均未出现梁顶混凝土压碎现象。

　　 试验梁荷载特征值表3

试件编号	P_cr/kN	α_cr	P_y/kN	α_y	P_u/kN	α_u
TL1	20		110		135
TL2	27	1.35	140	1.27	177.5	1.31
TL3	16	0.80	135.3	1.23	213.8	1.58

　　注:荷载值为千斤顶的输出力经分配梁分配后的数值, 均未包含试验梁及加载装置 (如分配梁) 自重, 余同;试件TL3的开裂荷载为一次加载的开裂荷载, 此时尚未加固。

　　 试验梁各挠度值对应的荷载及特征挠度表4

试件编号	P_l_/400 /kN	α_l_/400	P_l_/300 /kN	α_l_/300	P_l_/200 /kN	α_l_/200	Δ_y /mm	Δ_u /mm	Δ_u/Δ_y
TL1	110		122.5		135		16.4	37.7	2.30
TL2	132.5	1.20	245	1.18	160	1.19	18.81	62.97	3.35
TL3	139.3	1.27	147.8	1.21	162.8	1.21	14.16	105.02	7.42

2.2 荷载-挠度曲线

　　 3个试件的荷载-跨中挠度曲线见图7。从表3及图7中可以看出, 试件TL2, TL3的荷载-挠度曲线的斜率、屈服荷载、极限承载力及极限变形能力均较试件TL1的对应值明显提高。这说明采用波形齿夹锚锚固CFRP片材并对CFRP片材施加预应力, 更能充分发挥CFRP片材的高强度性能, 从而更好地提高被加固试件的抗弯承载能力、刚度及变形能力。

　　被加固梁TL2, TL3的加固量、加固方式完全相同, 唯有试验加载历程不同。从图7可以看出, 在加载过程前期以及钢筋屈服后, 试件TL3, TL2的荷载-挠度曲线几乎是重合的, 相对试件TL3, 试件TL2的屈服荷载仅提高3.5%。但是在本次试验中, 试件TL3的CFRP片材施工质量较试件TL2好, 试件TL2的CFRP片材较早就断裂了, 故试件TL3 (二次受力梁) 的变形能力和极限承载能力均大于试件TL2 (一次受力梁) 。由试验结果分析可见, 对于采用梁侧CFRP片材体外预应力加固的梁, 从改善梁刚度方面来看, 二次加载与一次加载没有明显区别, 二次受力梁的承载力和变形能力也不低于一次受力梁。

　　图7 试验梁荷载-跨中挠度曲线

2.3 裂缝观测结果

　　图9 试验梁CFRP片材、跨中钢筋荷载-应变曲线

　　图8为各试验梁受到的荷载与裂缝宽度发展对比图, 图中的裂缝宽度值均指试件实测的最大裂缝宽度值。由图8可见, 采用体外预应力CFRP片材梁侧加固对裂缝宽度的控制效果比较显著, 但考虑二次受力的梁比一次受力梁的控制效果要差一些。这是由于二次受力梁加固时, 裂缝已经存在, 混凝土抗拉能力已经丧失, 故二次受力梁的抗裂性能不如一次受力梁。但在张拉CFRP片材建立预应力的过程中, 二次加固梁的裂缝逐渐闭合并最终在梁中建立了预压应力, 只要预压应力超过混凝土的抗拉强度, 二次受力加固梁的抗裂性能就能比普通加固梁有一定程度的提高。

　　图8 试验梁荷载-裂缝宽度曲线

　　从荷载-裂缝宽度曲线走势来看, 随着CFRP片材作用发挥趋于稳定, 试件TL2, TL3曲线斜率基本趋于一致, 这表明在相同加固量及预应力的情况下, 一次加载与二次加载对开裂后裂缝宽度发展速率的控制效果基本一致。试件TL2开裂荷载较试件TL1提高35%, 试件TL1开裂较早, 在开裂后持续加载直至钢筋屈服的过程中, 试件TL1的荷载-裂缝宽度曲线的斜率在加载初期低于试件TL2, TL3, 而随着加载的持续, 出现试件TL1的荷载-裂缝宽度曲线的斜率高于试件TL2, TL3的情况。这是由于加载初期, 试件TL2, TL3中施加预应力对裂缝控制更为有效;而随着加载的持续, 梁跨中弯曲变形增加, 但试件TL2, TL3中CFRP带仍保持直线, 其CFRP带应变增加速度小于试件TL1中和梁底变形保持一致的CFRP布的应变增加速度。随着CFRP片材较早剥离破坏, 试件TL1的荷载-裂缝宽度曲线斜率急剧降低。而试件TL2, TL3能保持相同的裂缝控制能力直至CFRP片材丧失承载力。故从整个受力过程来看, 预应力CFRP片材加固的对梁裂缝的控制效果优于一般粘贴加固方式。

2.4 应变增量

　　图9是加载期间试验梁各位置的CFRP片材及跨中钢筋的荷载-应变关系曲线。从试件TL1, TL2, TL3的实测数据可以看出:试件TL1, TL2跨中钢筋和CFRP片材的荷载-应变曲线均由3段组成, 以混凝土开裂及钢筋屈服为两个转折点;试件TL3跨中钢筋及两侧CFRP片材的荷载-应变曲线也由3段组成, 但跨中CFRP片材的荷载-应变曲线由2段组成, 仅以钢筋屈服为转折点, 这是由于试件TL3 (二次受力梁) 跨中混凝土在加固前已经开裂, 故不存在第一个转折点。

　　从图9可以看出, 各试验梁跨中钢筋屈服时, CFRP片材的荷载-应变曲线也对应出现明显的转折点。这是由于钢筋屈服后, 其应力不再增加, 增加的外荷载由原来钢筋和CFRP片材共同承担转由CFRP片材单独承担, 故CFRP片材应变增长加快。

　　从试件TL2, TL3的荷载-应变曲线可以看出, 中间区段CFRP片材应变的增长快于两边区段。这是由于在两点集中加载的情况下, 中间区段梁曲率增加最快, 故中间区段CFRP片材的应变增长要快于左右两区段片材, 中间区段CFRP片材的强度发挥更加充分, 故采用分段加固、增加中段的加固量更为合理。

　　从试验结果看, 二次受力梁和一次受力梁相比, 各段CFRP片材和跨中钢筋的应变发展趋势基本一致, 这也说明采用CFRP片材多点加固的梁在一次受力和二次受力时, 在相同弯矩作用下材料强度发挥程度相当, 其抗弯性能基本一致。

3 结论

　　通过无初始荷载 (一次受力) 梁底CFRP片材加固梁和梁侧CFRP片材体外预应力加固梁, 以及有初始荷载 (二次受力) 梁侧CFRP片材体外预应力加固梁的对比试验研究, 可以得出如下结论:

　　 (1) 对于采用梁侧CFRP片材体外预应力加固的梁, 从改善梁刚度方面来看, 二次加载与一次加载没有明显区别, 二次受力梁的承载力和变形能力也不低于一次受力梁。在加固质量可靠的前提下, 梁侧CFRP片材体外预应力加固的二次受力构件抗弯性能不低于相同条件下的一次受力构件, 可以不考虑二次受力的影响。

　　 (2) 二次受力梁的抗裂性能不如一次受力梁, 但开裂后裂缝发展趋势与一次受力梁基本一致。

　　 (3) 用波形齿夹锚对CFRP片材进行横向张拉并锚固实现梁侧体外预应力加固, 可以充分发挥CFRP片材的强度, 相对于普通粘贴的非预应力CFRP片材的加固方式而言, 不仅可以显著提高构件开裂荷载、屈服荷载、极限荷载, 也可以提高构件抗弯刚度和极限变形能力。该加固方法较好解决了预应力CFRP片材的锚固问题, 可以加大力度进行推广应用。

　　 (4) 波形齿夹锚能实现多点锚固, 并可以分段进行不同加固量的加固。可实现根据内力变化调整梁各段加固量, 更有利于CFRP片材强度的发挥, 起到节约CFRP材料的作用。

参考文献[1] QUANRILL R J, HOLLAWAY L C.The flexural rehabilitation of reinforced concrete beams by the use of prestressed advanced composite plates [J].Composites Science and Technology, 1998, 4 (3) :30-34.
[2] KIM YAIL J, SHI CHEN, GREEN MARK F.Ductility and cracking behavior of prestressed concrete beams strengthened with prestressed CFRP sheets[J].Journal of Composites for Construction, 2008, 12 (3) :274-283.
[3] SAIEDI REZA, GREEN MARK F, FAM AMIR.Behavior of CFRP-prestressed concrete beams under sustained load at low temperature [J].Journal of Cold Regions Engineering, 2013, 27 (1) :1-15.
[4] 卓静, 李唐宁, 邢世建, 等.一种锚固FRP片材的体外预应力新方法[J].土木工程学报, 2007, 40 (1) :15-19.
[5] 陈小英, 李唐宁, 黄音, 等.波形齿夹具张拉CFRP带的力学性能试验研究及夹具体系设计[J].工程力学, 2012, 29 (1) :187-194, 213.
[6] 曹国辉, 方志, 吴继峰.FRP片材加固钢筋混凝土梁二次受力试验研究[J].建筑结构, 2005, 35 (3) :30-32, 27.
[7] 彭晖, 尚守平, 金勇俊, 等.预应力碳纤维板加固受弯构件的试验研究[J].工程力学, 2008, 25 (5) :142-151.
[8] 高仲学, 王文炜, 黄辉.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2013, 43 (1) :195-202.
[9] 胡孔国, 陈小兵, 岳清瑞, 等.考虑二次受力碳纤维布加固混凝土构件正截面承载力计算[J].建筑结构, 2001, 31 (7) :63-65.
[10] 徐福泉, 李东彬, 赵基达, 等.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的试验研究[J].建筑结构, 2010, 40 (S2) :372-375.
[11] 张坦贤, 吕西林, 肖丹, 等.预应力碳纤维布加固一次、二次受力梁抗弯试验全过程理论分析[J].结构工程师, 2005, 21 (2) :43-49.
[12] 混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].2015年版.北京:中国建筑工业出版社, 2015.

Experimental study on the flexural behavior of T-beams strengthened with prestressed CFRP sheets anchored at two sides of beam under secondary load

Zhu Langtao Chen Xiaoying Zhuo Jing Wan Hongyu Li Tangning

(School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing University of Science and Technology Chongqing Key Laboratory of Energy Engineering Mechanics & Disaster Prevention and Mitigation College of Civil Engineering, Chongqing University)

Abstract: The external prestress strengthening technology of concrete beams, which is adopted for realizing multi-point anchorage and stretching CFRP sheets at beam sides, can be reliably realized by using wave-shaped-teeth-grip anchor. The comparative experimental study, which combined this strengthening technology, was carried out for three concrete T-beams with the same section and a span of 6.6 m. The above strengthening technology was used to strengthen two of the beams (when they were strengthened, one of the beams had no initial load and another one had the initial load) . The remaining beam was strengthened by using strengthening technology of common bonded CFRP sheets. Test results indicate that the high strength properties of CFRP sheets can be given full play by the application of this strengthening technology, and this strengthening technology could significantly improve the cracking load, stiffness, yield load, bearing capacity of concrete beams, and the development of flexural crack width in concrete beams is effectively controlled. At the same time, there is no obvious effect on the bearing capacity and deformation capacity of the strengthened beam with or without the initial load (that is, whether subjected to secondary load or not) .

Keywords: wave-shaped-teeth-grip anchor; prestress; concrete T-beam; CFRP sheet; secondary load

1591 1 1