預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固混凝土梁的受彎試驗(yàn)研究

1、預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固混凝土梁的受彎試驗(yàn)研究李明、曹陽、何唯平(深圳市海川實(shí)業(yè)股份有限公司博士后科研工作站，深圳518040)摘要：本文對(duì)預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能做了一定研究，并提出了帶永久錨具的預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固混凝土梁的施工工藝。本文通過10根試件的受彎試驗(yàn)，對(duì)比了預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的混凝土梁與非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的混凝土梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載及抗彎剛度等工作性能，分析了芳綸纖維布的預(yù)應(yīng)力水平和加固層數(shù)對(duì)試件受彎性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的試驗(yàn)梁與未加固的基準(zhǔn)梁相比，其開裂荷載提高了12%16%，屈服荷載提高了13%29%，極限荷載提高

2、了26%65%；預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的試驗(yàn)梁與未加固的基準(zhǔn)梁相比，其開裂荷載提高了114%306%，屈服荷載提高了38%101%，極限荷載提高了29%101%?？梢?，預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布能顯著地提高被加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能。關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；芳綸纖維布；加固，混凝土梁，抗彎性能1 引言近年來，外貼纖維片材的加固方法由于耐腐蝕、施工方便快捷、自重小、不占用使用空間等優(yōu)點(diǎn)而成為一項(xiàng)新興加固技術(shù)。目前，碳纖維（CFRP）片材由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，已被廣泛用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，但其固有的抗剪強(qiáng)度低，抗沖擊強(qiáng)度差，脆性大而不宜彎折施工，良導(dǎo)電性造成通迅信號(hào)屏蔽等缺陷，阻礙著它更廣泛地推廣應(yīng)用。芳綸纖維（AFR

3、P）片材則有較高的抗拉、抗剪和抗沖擊強(qiáng)度，且柔軟易于彎折，不會(huì)產(chǎn)生屏蔽等諸多優(yōu)點(diǎn)，在橋梁、隧道、房屋等結(jié)構(gòu)抗震加固補(bǔ)強(qiáng)方面具有碳纖維片材不可取代的應(yīng)用前景。當(dāng)使用非預(yù)應(yīng)力纖維片材加固混凝土受彎構(gòu)件時(shí)，鋼筋完全發(fā)揮強(qiáng)度時(shí)纖維增強(qiáng)片材發(fā)揮出不到20%的強(qiáng)度，難以抑制結(jié)構(gòu)的變形與裂縫的發(fā)展1。纖維片材高強(qiáng)度的特點(diǎn)僅在梁中主筋屈服以后才得以充分發(fā)揮，而在主筋屈服前，纖維片材所起的作用有限。因此，它對(duì)提高被加固構(gòu)件的開裂荷載及屈服荷載作用不是十分明顯，對(duì)受彎構(gòu)件在使用階段的性能改善有限。為了更加充分而合理地利用纖維片材高強(qiáng)度的特點(diǎn)，取得更好的加固效果，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固是有效的途徑。預(yù)應(yīng)力加固的構(gòu)件在承受荷

4、載之前纖維片材就已經(jīng)發(fā)揮了相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，既有效地利用了纖維片材的高強(qiáng)度，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，從而解決芳綸纖維片材強(qiáng)度與彈性模量比值高的問題。預(yù)應(yīng)力纖維片材加固受彎構(gòu)件是一項(xiàng)非常新穎的加固技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展了三種預(yù)應(yīng)力體系2：（1）在粘貼非預(yù)應(yīng)力纖維片材之前讓受彎構(gòu)件起反拱，然后粘貼纖維片材，釋放反拱，從而使得纖維片材產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力3。此種方法產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力水平較低；（2） 通過外部反力架預(yù)先張拉纖維片材，然后粘貼到加固的構(gòu)件上，待養(yǎng)護(hù)完畢后，在構(gòu)件端部剪斷纖維片材進(jìn)行放張，對(duì)加固構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力4-7；（3）在加固構(gòu)件上設(shè)置永久錨具，纖維片材以加固構(gòu)件本身作為反力架進(jìn)行張拉，張拉完畢后粘貼在

5、構(gòu)件上，錨具保留在原位2,8。為了能夠?qū)в谰缅^具的預(yù)應(yīng)力AFRP布加固技術(shù)應(yīng)用于混凝土受彎構(gòu)件加固工程，作者在進(jìn)行了大量的研究工作后，開發(fā)出了簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效的AFRP布永久錨具及張拉、錨固等一整套加固施工工藝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了10根受彎試件的試驗(yàn)研究。2 試驗(yàn)概況2.1 試件設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了10根矩形截面鋼筋混凝土梁，其中1根為鋼筋混凝土基準(zhǔn)梁B0，3根為非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁，6根為預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁，變化參數(shù)為加固層數(shù)和預(yù)應(yīng)力水平。每根梁的截面尺寸均為120mm×180mm，凈跨為2100mm?？v向受拉鋼筋均為212（II級(jí)帶肋鋼筋），縱向鋼筋配筋率為1.05%。箍筋為直

6、徑4mm的8#鐵絲，間距60mm。架立筋為26鋼筋。試驗(yàn)梁的幾何尺寸、配筋及加載方式見圖1所示。鋼筋的力學(xué)性能見表1。所有試件的混凝土均按同一配合比制作，設(shè)計(jì)等級(jí)為C25，實(shí)測(cè)立方體強(qiáng)度為32.7MPa。AFRP布為我公司的AFS-40型芳綸纖維布，其名義極限抗拉強(qiáng)度為2060MPa，彈性模量為1.18×105MPa，設(shè)計(jì)厚度為0.193mm。圖1 試件參數(shù)與配筋圖表1 鋼筋力學(xué)性能規(guī)格屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa延伸率/%彈性模量/MPa4326438272.03×1056499550122.02×10512414650212.07×1052.2

7、加固方案非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的梁端粘貼兩道100mm寬的AFRP布U形箍，其間距為100mm，層數(shù)為1層，以防止縱向AFRP布在梁端發(fā)生早期脫粘破壞（見圖2）。預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的工藝是：先在AFRP布的兩端安裝錨具，在梁上安裝永久固定支架，然后打磨梁底混凝土、涂刷底膠，底膠硬化后將AFRP布固定端錨具與梁上的固定支架連接，在梁底涂刷粘結(jié)樹脂膠，將AFRP布的張拉端錨具安裝到固定支架上，以梁上固定支架為反力架對(duì)AFRP布進(jìn)行張拉，達(dá)到張拉控制應(yīng)力后將張拉端錨具固定在支架上，在AFRP布外側(cè)再次涂刷粘結(jié)樹脂膠，使其與梁底混凝土充分粘結(jié)，最后進(jìn)行粘結(jié)樹脂膠養(yǎng)護(hù)（見圖3）。試驗(yàn)梁的編號(hào)及加固

8、參數(shù)見表2。圖2 非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固方案圖3 預(yù)應(yīng)力AFRP布加固方案表2 試驗(yàn)梁加固參數(shù)試件編號(hào)加固狀況AFRP布層數(shù)AFRP布寬度AFRP布張拉控制應(yīng)力B0未加固0SBI非預(yù)應(yīng)力加固1100mm0SBII非預(yù)應(yīng)力加固2100mm0SBIII非預(yù)應(yīng)力加固3100mm0PSBI預(yù)應(yīng)力加固1100mm55%極限強(qiáng)度PSBII-1預(yù)應(yīng)力加固2100mm45%極限強(qiáng)度PSBII-2預(yù)應(yīng)力加固2100mm55%極限強(qiáng)度PSBII-3預(yù)應(yīng)力加固2100mm65%極限強(qiáng)度PSBIII-1預(yù)應(yīng)力加固3100mm45%極限強(qiáng)度PSBIII-2預(yù)應(yīng)力加固3100mm55%極限強(qiáng)度注：表中極限強(qiáng)度為AFRP布

9、的名義極限抗拉強(qiáng)度（2060Mpa）。2.3 試驗(yàn)量測(cè)試驗(yàn)量測(cè)的主要內(nèi)容有：承載力、荷載位移曲線、跨中位置纖維布的應(yīng)變、受拉縱筋的應(yīng)變、跨中截面混凝土應(yīng)變。在兩個(gè)支座處、兩個(gè)加載點(diǎn)處以及跨中共安裝5個(gè)位移計(jì)以測(cè)量試件的撓曲變形。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用IMP數(shù)采系統(tǒng)采集，人工測(cè)繪裂縫。3 試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 破壞形態(tài)本文試驗(yàn)中，非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的破壞形態(tài)分為三種：纖維布拉斷，受壓區(qū)混凝土完好；纖維布拉斷，受壓區(qū)混凝土壓碎；纖維布局部剝離，受壓區(qū)混凝土壓碎。預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的破壞形態(tài)分(a) 基準(zhǔn)梁B0(b) 梁SBI(c) 梁SBII(d) 梁SBIII(e) 梁PSBI(f) 梁PSBI

10、I-1(g) 梁PSBII-2(h) 梁PSBII-3(i) 梁PSBIII-1(j) 梁PSBIII-2圖4 試件破壞形態(tài)為兩種：纖維布拉斷，受壓區(qū)混凝土完好；纖維布拉斷，受壓區(qū)混凝土壓碎。預(yù)應(yīng)力加固梁的破壞形態(tài)以纖維布拉斷、受壓區(qū)混凝土完好為主要破壞形態(tài)，即預(yù)應(yīng)力梁的破壞由FRP布發(fā)生斷裂破壞所控制。各試件的破壞形態(tài)見圖4所示。基準(zhǔn)梁B0是典型的適筋梁破壞；梁SBI破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土沒有破壞，纖維布突然斷裂，試件發(fā)生卸載；梁SBII破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土變形達(dá)到了極限壓應(yīng)變，隨著荷載與變形的增長(zhǎng)混凝土不斷的剝落，纖維布先局部剝離，最后斷裂，試件發(fā)生卸載；梁SBIII破壞時(shí)，纖維布局部剝離，

11、最終梁因受壓區(qū)混凝土被壓碎而失效；梁PSBI、PSBII-1、PSBII-2、PSBII-3、PSBIII-2破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土沒有破壞，纖維布突然斷裂，試件發(fā)生卸載；PSBIII-1破壞時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，纖維布在局部剝離后突然斷裂，試件發(fā)生卸載。所有試驗(yàn)梁在破壞時(shí)其受拉縱筋均達(dá)到了屈服狀態(tài)。試件破壞時(shí)，AFRP布已經(jīng)達(dá)到很高的應(yīng)力應(yīng)變水平，被拉斷時(shí)巨大的應(yīng)變能急劇釋放出來，AFRP布斷裂處的混凝土被扯碎形成一個(gè)很大的缺口，暴露出受拉縱筋。非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁SBII和預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁PSBIII-2的破壞照片見圖5。(a) 梁SBII(b) 梁PSBIII-2圖5 部分試件

12、的破壞照片表3 開裂荷載、屈服荷載和極限荷載實(shí)測(cè)值試件編號(hào)開裂彎矩/kN.m相對(duì)值屈服彎矩/kN.m相對(duì)值極限彎矩/kN.m相對(duì)值B02.281.0013.661.0015.401.00SBI2.551.1215.431.1319.441.26SB2.581.1316.831.2323.021.50SB2.651.1617.671.2925.391.65PSBI4.892.1418.841.3819.811.29PSB-16.162.7021.881.6025.391.65PSB-28.073.5423.721.7426.401.71PSB-38.903.9023.751.7425.561.6

13、6PSB-18.303.6425.091.8431.012.01PSB-29.284.0627.502.0130.982.013.2 承載力試驗(yàn)梁的承載力實(shí)測(cè)值見表3，其中的彎矩為跨中彎矩。由表3可見：與基準(zhǔn)梁相比，非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁SBI、SBII和SBIII的開裂荷載分別提高了12%、13%和16%，屈服荷載分別提高了13%、23%和29%，極限荷載分別提高了26%、50%和65%；預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁PSBI、PSBII-1、PSBII-2、PSBII-3、PSBIII-1和PSBIII-2的開裂荷載分別提高了114%、170%、254%、290%、264%和306%，屈服荷載分

14、別提高了38%、60%、74%、74%、84%和101%，極限荷載分別提高了29%、65%、71%、66%、101%和101%。從試驗(yàn)結(jié)果來看，預(yù)應(yīng)力AFRP布加固的混凝土梁與非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固的混凝土梁相比，開裂荷載有了顯著的提高，屈服荷載有了明顯的提高，并且預(yù)應(yīng)力水平越高，提高幅度越大。3.3 荷載位移曲線、剛度及延性試驗(yàn)梁的跨中“彎矩?fù)隙取鼻€對(duì)比如圖6所示。其中，圖6(a)為一層AFRP布加固梁的曲線，圖6(b)為二層AFRP布加固梁的曲線，圖6(c)為三層AFRP布加固梁的曲線，圖6(d)為相同預(yù)應(yīng)力水平但不同層數(shù)的AFRP布加固梁的曲線。在圖6(c)和圖6(d)中，試驗(yàn)梁PSB

15、III-1和PSBIII-2在預(yù)應(yīng)力施加過程中，因張拉力較大，反拱作用使梁出現(xiàn)了裂縫，導(dǎo)致了試驗(yàn)梁的初始剛度降低，且預(yù)應(yīng)力水平越高，開裂越嚴(yán)重，剛度降低的越多。由圖6可見：對(duì)于加固梁，無論AFRP布層數(shù)多少和預(yù)應(yīng)力水平高低，在荷載較小時(shí)，其截面彎矩主要由受壓區(qū)混凝土和受拉區(qū)混凝土、鋼筋及AFRP布共同承擔(dān)，AFRP布的加固效果并未明顯發(fā)揮出來,加固梁的跨中位移和基準(zhǔn)梁基本相同，即其初始剛度基本相同；隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土開裂后退出工作，拉力由AFRP布和梁底縱筋共同承擔(dān)，AFRP(a) 一層AFRP布加固梁(b) 二層AFRP布加固梁(c) 三層AFRP布加固梁(d) 相同預(yù)應(yīng)力水平的A

16、FRP布加固梁圖6 跨中“彎矩?fù)隙取鼻€對(duì)比布的加固作用開始明顯發(fā)揮出來，從而導(dǎo)致梁的剛度增加，等荷載情況下跨中位移相對(duì)基準(zhǔn)梁減小。隨著加固層數(shù)的增多，梁的剛度相應(yīng)增大，且預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的剛度增加幅度比非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁的剛度增加幅度大。當(dāng)對(duì)芳綸纖維布施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起相應(yīng)的預(yù)拉應(yīng)變，而芳綸纖維布的極限變形能力是一個(gè)定值，這樣預(yù)先施加的預(yù)應(yīng)力越大，剩余的變形能力就越小，相應(yīng)的加固梁的延性就會(huì)降低，如圖6(b)和6(c)所示。當(dāng)AFRP布的預(yù)應(yīng)力水平相同時(shí)，加固層數(shù)越少，梁破壞時(shí)的混凝土受壓區(qū)高度越小，即中和軸位置越高，在AFRP布達(dá)到相同的極限拉應(yīng)變時(shí)，受壓區(qū)邊緣混凝土的壓應(yīng)變

17、越?。ǖ陀跇O限壓應(yīng)變），梁的彎曲曲率越小，即梁的延性越低，如圖6(d)所示。圖7 非預(yù)應(yīng)力AFRP布配置量與承載力的關(guān)系圖8 預(yù)應(yīng)力AFRP布配置量與承載力的關(guān)系圖9 AFRP布的預(yù)應(yīng)力水平與承載力的關(guān)系3.4 纖維布配置量、預(yù)應(yīng)力水平與承載力的關(guān)系非預(yù)應(yīng)力纖維布配置量對(duì)加固梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載的提高幅度影響見圖7所示；在相同預(yù)應(yīng)力水平下（55%極限強(qiáng)度），預(yù)應(yīng)力纖維布配置量對(duì)加固梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載的提高幅度影響見圖8所示；AFRP布配置量相同時(shí)（二層），預(yù)應(yīng)力水平對(duì)加固梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載的提高幅度影響見圖9所示；圖中，M0為基準(zhǔn)梁B0的跨中彎矩，M2為

18、非預(yù)應(yīng)力AFRP布加固梁SBII的跨中彎矩，Af為AFRP布的橫截面積，As為梁的受力縱筋面積，con為AFRP布的張拉控制應(yīng)力，ffu為AFRP布的極限抗拉強(qiáng)度。由圖7可見，隨著非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布配置量的增加，加固梁的開裂荷載相近，屈服荷載有所提高，極限承荷載明顯提高，提高幅度呈非線性比例關(guān)系；由圖8可見，隨著預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布配置量的增加，加固梁的開裂荷載顯著提高，屈服荷載與極限荷載明顯提高，提高幅度呈非線性比例關(guān)系；由圖9可見，隨著芳綸纖維布預(yù)應(yīng)力水平的提高，加固梁的開裂荷載顯著提高，提高幅度呈非線性比例關(guān)系，屈服荷載明顯提高到一定程度后趨于相近，極限荷載相近。4 結(jié)論通過本文的試驗(yàn)和分析

19、，可以得出以下結(jié)論：（1）非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的鋼筋混凝土梁與未加固的基準(zhǔn)梁相比，極限荷載明顯提高，屈服荷載有所提高，開裂荷載提高不明顯；（2）預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固的鋼筋混凝土梁與未加固的基準(zhǔn)梁相比，開裂荷載顯著提高，屈服荷載與極限荷載明顯提高；（3）預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁的初始抗彎剛度與基準(zhǔn)梁基本相同，開裂后的抗彎剛度明顯提高；（4）預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁的延性比基準(zhǔn)梁和非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固梁低；（5）預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁的抗彎承載力，隨著AFRP布配置量的增加而增大，但呈非線性比例關(guān)系；（6）預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載，隨著AF

20、RP布預(yù)應(yīng)力水平的提高而增大，但呈非線性比例關(guān)系；AFRP布的預(yù)應(yīng)力水平對(duì)加固梁的極限荷載影響很小。參 考 文 獻(xiàn)1 Triantafillou, Thanasis C.; Deskovic, Nikola. Innovative prestressing with FRP sheets: mechanics of short-term behaviors J. Journal of Engineering Mechanics, 1991, 117(7): 1652-1672.2 Wight, R.G.; Green, M.F.; Erki, M.A. Prestressed FRP sheets for post-stengthening reinforced concrete beams J. Journal of Composites for Construction, 2001,5(4): 214-220.3 Saadatmanesh, H. and Ehsani, M. RC beams strengthened with GFRP plates: part I: experimental study J. Journal of Structural Engin