随着我国公路交通运输事业迅猛发展，运输车辆轴载重量大幅提高，重车超载情况也日益严重。另外，由于我国桥梁设计规范的设计荷载经历了几次修改，导致依据旧规范设计的桥梁承担着新规范规定的设计荷载，造成普遍的超载现象^[1,2]。超载运输对公路桥梁造成严重的损害，影响桥梁的安全和耐久性^[3,4,5,6]。重视超载问题，并进行必要的加固，可以提高桥梁的承载能力和刚度，并延长桥梁的使用寿命。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)作为加固材料，以其优越的力学性能被广泛应用于桥梁加固修复工程^[7,8,9]。采用FRP进行加固最常见的方法是表面粘贴法(Externally Bonded，简称EB)和内嵌法(Near Surface Mounted，简称NSM)。EB-FRP法是将FRP片材粘贴在需加固构件的表面以提高其强度、刚度等性能;NSM-FRP法是将FRP筋或板条放入混凝土表面预先开好的槽内，并向槽内注入粘结材料以改善加固构件的力学性能。EB-FRP法具有施工简便快捷的优点，但容易发生剥离破坏，FRP片材的高强特性得不到充分发挥。NSM-FRP法与EB-FRP法相比有许多优点，但是承载力提高有限^[10]。

　　 近年来，国内外进行了关于外贴碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)布或钢板加固超载损伤钢筋混凝土梁的力学性能方面的研究，结果表明^{[11,12,13,14]}，加固效果主要受超载幅值、超载次数、加固方式以及配筋率的影响，超载幅值和超载次数对梁的寿命有较大影响。但采用CFRP板加固超载损伤混凝土梁的研究很少。另外，桥梁结构在多次超载作用后，会产生一定的损伤，这种损伤对CFRP板加固桥梁承载力和刚度影响尚无完善的理论，针对这些问题，本文提出采用嵌入CFRP板、外贴CFRP板以及嵌贴CFRP板布联合加固的方式，研究分析加固梁的抗弯性能和加固效果。

　　 本试验共设计了5根钢筋混凝土T形梁，梁长2 900mm，净跨2 700mm，混凝土设计强度为C40，保护层厚度为20mm，腹板内纵向受拉钢筋采用直径为12mm的HRB335钢筋，配置箍筋6@75。试件截面尺寸及配筋见图1。

　　 混凝土立方体抗压强度的实测平均值为42.31MPa。12钢筋实测屈服强度f_y=375.1MPa，极限强度f_u=534.8MPa，弹性模量E_s=210GPa。

　　 CFRP板由上海某复合材料有限公司提供，CFRP布为德国某公司生产。CFRP材料的主要力学性能见表1。

　　 CFRP板用的粘结胶为上海某复合材料有限公司提供的E380粘结剂，CFRP布的粘结胶为辽宁省某研究院生产。粘结胶的主要力学性能见表2,3。

　　 试验设计的5根钢筋混凝土梁分别为对比梁(CB0)、嵌入CFRP板条直接加固梁(FCB1)、嵌入CFRP板条加固损伤梁(FCB2)、外贴CFRP板加固损伤梁(FCB3)、嵌贴CFRP板布联合加固损伤梁(FCB4)。试验梁的设计参数见表4。

　　 (1)首先进行试件CB0的静载试验，单次分级加载至梁破坏，得到试件CB0的极限荷载P_u0。

　　 (2)在试件FCB1底面中心位置开槽，开槽长度2 000mm，宽度10mm，深度20mm;在槽内注入粘结剂，嵌入2条10mm×1.2mm CFRP板条;养护7d后对试件再进行静载试验，单次分级加载至试件破坏，得到试件FCB1的极限荷载。

　　 (3)对试件FCB2～FCB4进行超载预裂。根据美国公路运输部(AASHO)规定^[15]，正常使用极限状态下桥梁构件内部钢筋应力不超过钢筋屈服应力的0.6，当超过这一限值则视为超载运营，所以本文以对比梁极限荷载的0.7作为超载幅值上限，对试验梁重复加载，通常高超载幅值工况出现频率低，所以超载重复次数取为50次;完全卸载后，进行CFRP加固，其中试件FCB2进行CFRP板条嵌入加固，方法同试件FCB1;试件FCB3进行外贴CFRP板加固，CFRP板尺寸为2 000mm×20mm×1.2mm，外贴CFRP板用量与嵌入CFRP板用量相同;试件FCB4进行CFRP板条嵌入和外贴CFRP布联合加固，即先嵌入2条CFRP板条，再外贴1层CFRP布，嵌入CFRP板条尺寸与试件FCB1,FCB2相同，外贴CFRP布尺寸为2 000mm×90mm×0.167mm。养护7d后，对加固梁再进行静载试验，单次加载至试验梁破坏，得到加固梁的极限荷载。试件加固过程见图2。

　　 试验梁为简支梁，加载方式为三分点的两点对称加载，由分配梁形成长为900mm的纯弯曲段，试验加固前超载预裂加载装置采用电液伺服控制系统，加固后试验梁加载装置采用压力机。静力加载装置见图3。

　　 在试验梁的跨中、四分之一处分别布置位移计，在跨中截面和加载点附近混凝土上表面粘贴应变片，在跨中和加载点钢筋对应位置粘贴应变片，跨中CFRP片材上粘贴电阻应变片，用于测量各部位的材料应变，应变通过DH3816静态应变测试系统记录。具体应变片的布置及测点位置，见图4。

　　 试件CB0:在加载初期，试件变形较小，梁处于弹性受力阶段，当加载至0.26P_u(P_u为各试验梁实测极限荷载)时，跨中截面附近出现第一条微小裂缝，随着荷载增加，裂缝不断出现，裂缝高度不断向上延伸。当荷载达到0.7P_u时，主裂缝加宽，变形也不断加大。当荷载达到极限荷载38.8kN时，试件破坏。

　　 试件FCB1:在荷载作用初期，当加载至0.28P_u时，跨中出现第一条微小新裂缝，当荷载达到0.66P_u，跨中位置主裂缝加宽，裂缝高度几乎延伸至混凝土上翼缘。当荷载达到极限荷载时，伴随着一声脆响，跨中CFRP板条被拉断，端部CFRP板条周边混凝土保护层沿着纵向受拉钢筋部分剥离，剥离长度大约600mm，试件破坏。

　　 试件FCB2:在荷载作用初期，超载预裂阶段产生的裂缝首先开裂，当加载至0.23P_u时，梁跨中或加载点附近出现微小新裂缝，随着荷载的不断增加，纯弯段相继出现新裂缝，新旧裂缝不断向上延伸。当加载至0.63P_u时，裂缝进一步发展并变宽。荷载继续增加，变形明显增加，当荷载达到极限荷载时，随着变形的增加，伴随着噼啦啪啦的响声，CFRP板条端部周边混凝土保护层沿着纵向受拉钢筋部分剥离，然后向板条内部扩展，试件破坏。破坏时，试件混凝土保护层剥离范围从一侧CFRP板端部一直延伸到另一侧加载点处，剥离深度为30～40mm，剥离长度约1 400mm。

　　 试件FCB3:在荷载作用初期，试件变形均很小，随着荷载增加，裂缝沿已有裂缝开展，当加载至0.32P_u时，跨中出现微小新裂缝。当荷载达到0.57P_u时，出现CFRP板胶撕裂的声音。当荷载达到0.70P_u时，跨中位置主裂缝加宽。当荷载达到0.84P_u时，裂缝高度几乎延伸至混凝土上翼缘。当荷载达到极限荷载时，伴随着一声脆响，CFRP板条剥离，试件破坏。剥离范围从一侧CFRP板端部一直到另一侧加载点附近，剥离长度约1 500mm。

　　 试件FCB4:当加载至0.24P_u时，跨中靠近加载点位置出现微小新裂缝。当荷载达0.71P_u时，主裂缝宽度加宽。当荷载达到0.79P_u时，CFRP布发出噼啪响声，并部分剥离，主裂缝明显加宽，当荷载达到0.86P_u时，伴随着一声脆响，CFRP布在跨中位置被拉断。当荷载达到极限荷载时，又一声脆响，CFRP板条被拉断，试件破坏。破坏时，CFRP布和CFRP板均被拉断，跨中一部分混凝土保护层沿着纵向受拉钢筋剥离，剥离深度为30～50mm，剥离长度约450mm，试件破坏形态见图5。

　　 综上所述，加固梁加固方式不同，破坏模式也不同。嵌入CFRP板条直接加固梁破坏模式为CFRP板条拉断及板条端部部分混凝土保护层剥离破坏;嵌入CFRP板条加固损伤梁主要以板条端部部分混凝土保护层剥离破坏为标志，主要是由于CFRP板条与粘结剂和混凝土形成整体，三者之间的粘结力大于混凝土和钢筋之间的粘结力，CFRP板条受拉，端部弯剪裂缝到达纵向受拉钢筋处转为沿水平方向扩展，导致CFRP板条端部附近混凝土保护层沿纵筋部分剥离;外贴CFRP板加固梁破坏模式为CFRP板剥离破坏;嵌贴CFRP板布联合加固梁的破坏模式为CFRP布和板先后拉断破坏。对于嵌入CFRP板条加固损伤梁，虽然CFRP板条并未被拉断，但根据对加固梁跨中位置CFRP板条应变数据统计，CFRP板条最终应变约为21 000×10^-6左右，说明加固梁在混凝土保护层剥离破坏之前，CFRP板条的加固作用得到了充分发挥。对于CFRP板布联合加固梁，梁底CFRP布和板先后拉断破坏，强度得到充分利用，承载力也得到明显提高。其他条件相同的情况下，CFRP板布联合加固比单纯CFRP板条嵌入或外贴加固效果好。

　　 通过试验得到梁跨中混凝土、受拉钢筋和CFRP材料应变随荷载发展的曲线，见图6。

　　 在荷载作用初期，荷载与应变的关系呈线性增长。当荷载达到(0.57～0.75)P_u(CB0为0.75P_u,FCB1为0.65P_u,FCB2为0.57P_u,FCB3为0.75P_u,FCB4为0.58P_u)时，荷载与混凝土应变关系曲线出现明显的转折点，混凝土应变增加速度高于荷载增加速度。当荷载达到极限荷载时，混凝土应变值介于(2 500～2 700)×10^-6之间，基本接近混凝土的极限压应变。

　　 当荷载达到混凝土开裂荷载后，钢筋应变增长速度加快。当荷载达到(0.66～0.95)P_u(CB0为0.88P_u,FCB1为0.68P_u,FCB2为0.95P_u,FCB4为0.66P_u)时，钢筋荷载-应变关系曲线出现拐点，应变增长速度明显大于荷载增长速度。由图可知，超载损伤加固梁的钢筋屈服荷载比直接加固梁均有所提高，主要是因为钢筋在重复荷载作用下产生冷拉效应，发生了应力强化，屈服点提高。其中试件FCB1荷载达到41kN时，钢筋应变数据溢出;试件FCB3中钢筋尚未屈服时，CFRP板已经剥离;试件FCB4荷载达到45kN时，钢筋应变数据溢出。

　　 在荷载作用初期，CFRP材料应变与钢筋应变相差不大，数值接近。当荷载达到(0.55～0.73)P_u(FCB1为0.66P_u,FCB2为0.61P_u,FCB3为0.73P_u,FCB4为0.55P_u)时，CFRP板的荷载-应变关系曲线出现拐点，CFRP板应变增加速度高于钢筋应变增加速度。分析结果表明，嵌入的CFRP板条相当于混凝土中的受拉钢筋，在同级荷载作用下，CFRP板条受力先于受拉钢筋，直到极限荷载，应变又呈线性增长趋势。内嵌CFRP板条应变介于(12 300～21 000)×10^-6之间，说明加固梁在混凝土保护层剥离破坏之前，CFRP板条的加固作用得到了体现，高强特性得到了充分的利用。试件FCB3由于CFRP板发生剥离，CFRP板的最大应变约为7 000×10^-6，并未达到极限拉应变，说明外贴CFRP板的强度没得到利用，在实际工程中要加强锚固措施防止CFRP板过早发生剥离破坏。试件FCB4在同级荷载作用下，钢筋屈服前，CFRP布的应变与CFRP板条的应变相差不多;钢筋屈服后，CFRP布的应变大于CFRP板的应变，说明钢筋屈服后，主要由CFRP布承担截面主要拉应力，当荷载达到0.86P_u时，CFRP布被拉断，说明CFRP布的强度也得到了充分利用。

　　 由试验得到的荷载-变形关系曲线见图7。由图可见，梁的荷载-变形关系曲线基本可以划分为三个阶段。在变形的第一阶段，即荷载作用初期，荷载-变形关系曲线呈线性，梁处于弹性工作阶段;在变形的第二阶段，混凝土一经开裂，荷载-变形曲线随即发生转折，梁进入弹塑性受力状态;在变形的第三阶段，变形曲线再次转折且程度较大，变形增加速度相对荷载加快，刚度降低较多，直到极限荷载，曲线又呈线性增加趋势，直至试验梁破坏。

　　 试验梁CB0,FCB1,FCB2的荷载-变形曲线，见图7(a)。可以看出，试件在不同阶段，刚度不同。在变形的第一阶段，试件CB0和FCB2刚度相差不大，而试件FCB1的刚度却低于试件CB0和FCB2的刚度。一方面是因为此阶段CFRP板条的加固作用尚不明显;另一方面由于混凝土本身离散性造成的。在变形的第二阶段，试件FCB1较未加固的对比梁CB0斜率增加，说明加固材料可以有效抑制裂缝的开展，可以提高加固梁的刚度。试件FCB2较对比梁CB0斜率降低，分析认为是由于超载损伤造成梁刚度下降，即使加固材料提高了梁的刚度，但是总的来说超载损伤占主导作用，导致其刚度低于对比梁CB0。在变形的第三阶段，变形曲线发生转折，斜率均减小较多，刚度降低，其中试件CB0刚度降低最多，试件FCB1较试件FCB2刚度高，可见，在加载后期，试件CB0的变形增加较快，承载力几乎不再增加，试件FCB2刚度由于受到超载损伤影响而低于未损伤加固梁FCB1。

　　 试件CB0,FCB2,FCB3,FCB4的荷载-变形关系曲线，见图7(b)。可以看出，在变形的第一阶段，试件CB0,FCB2,FCB3刚度相差不大，试件FCB4刚度最低，主要是由于CFRP材料还没完全发挥作用，以及混凝土本身离散性造成的;在变形的第二阶段，试件FCB4刚度高于试件FCB2和FCB3，主要是因为试件FCB4为板布联合加固，CFRP材料对裂缝开展有较大的约束作用;在变形的第三阶段，试件CB0斜率最小，刚度下降最多，试件FCB2与试件FCB3斜率基本平行，刚度相差不大，说明两者对梁刚度的提高作用基本相同，但是试件FCB3由于CFRP板过早发生剥离破坏，导致承载力提高不多;试件FCB4变形增加，承载力继续增长较多，其后期有效抑制作用明显，所以同期刚度最大。

　　 可见，超载损伤降低加固梁的刚度;加固方式不同，对刚度有一定影响;三种方法均能提高加固梁开裂后的刚度，板布联合加固对梁刚度提高最为明显。

　　 各试验梁的屈服荷载和极限荷载的实测值见表5。由表5可见，采用CFRP片材加固后，加固梁的屈服荷载均高于对比梁，试件FCB1～FCB4比试件CB0的屈服荷载分别提高了26%,11%,11%,37%。直接加固梁FCB1的屈服荷载比损伤加固梁FCB2提高了13%，说明超载损伤对加固梁的屈服荷载有一定影响。在加固量相同条件下，外贴CFRP板加固梁FCB3和嵌入CFRP板条加固梁FCB2的屈服荷载一致。CFRP板布联合加固梁FCB4较加固梁FCB2和FCB3的屈服荷载提高了23%。

　　 采用CFRP片材加固后，与对比梁CB0相比，可以有效提高其极限荷载，提高幅度在13%～64%之间(FCB1提高40%,FCB2提高22%,FCB3提高13%,FCB4提高64%)。试件FCB1的极限荷载比试件FCB2提高了15%，说明超载损伤对加固梁的极限承载力有一定影响。试件FCB2较试件FCB3的极限荷载提高了8%。试件FCB4较试件FCB2和试件FCB3的极限荷载分别提高了35%和45%，说明CFRP板布联合方式加固效果显著。试件FCB3由于后期CFRP板与混凝土胶结面发生剥离现象，导致承载力提高不明显。

　　 综上分析可知，CFRP片材加固超载损伤混凝土梁可以提高梁的承载能力;但超载损伤会降低加固梁的承载力提高幅度;外贴CFRP板加固容易发生CFRP板的剥离破坏，工程中要加大锚固措施防止过早剥离;嵌入CFRP板条加固梁能有效避免板条剥离破坏，其抗弯性能优于外贴CFRP板加固梁;CFRP板布联合加固方式好于前两种加固方式。

　　 (1)嵌入CFRP板条直接加固梁的破坏模式为CFRP板条拉断及板条端部混凝土保护层部分剥离破坏;嵌入CFRP板条加固损伤梁的破坏模式为混凝土保护层剥离破坏;外贴CFRP板加固损伤梁的破坏模式为CFRP板剥离破坏;CFRP板布联合加固损伤梁破坏模式为CFRP布板先后拉断破坏。

　　 (2)梁的荷载-变形关系曲线基本可以划分为三个阶段，均由受荷初期的弹性阶段、弹塑性受力阶段的弯曲段和斜直线段组成。

　　 (3)采用CFRP材料加固后，与对比梁相比，可以有效提高承载力。加固梁FCB1～FCB4较对比梁CB0的屈服荷载分别提高26%,11%,11%,37%;极限荷载分别提高40%,22%,13%,64%。

　　 (4)三种不同的加固方式均能提高梁的后期刚度，板布联合加固对梁刚度提高最为明显。

　　 (5)外贴CFRP板加固方式为防止CFRP板发生剥离破坏，要进行必要的锚固措施。相对于另外两种加固方式，板布联合加固方式加固效果显著。