预应力CFRP与钢板复合加固T梁抗弯性能试验

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朱广山^1,2, 朱浮声¹, 盛国华³
1. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁沈阳 110819;
2. 沈阳建筑大学交通工程学院, 辽宁沈阳 110168;
3. 沈阳工业大学建筑与土木工程学院, 辽宁沈阳 110870
收稿日期：2017-01-08
基金项目：辽宁省教育厅基金资助项目(201564060);辽宁省自然科学基金资助项目(201602602)。
作者简介：朱广山(1978-), 男, 辽宁阜新人, 东北大学博士研究生;
朱浮声(1948-), 男, 黑龙江齐齐哈尔人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：通过对10根T梁进行抗弯试验, 研究了不同CFRP预应力程度、CFRP加固层数及预裂程度对CFRP与钢板复合加固T梁的荷载、跨中挠度及延性系数的影响规律.结果表明:复合加固T梁的极限荷载P_u高于对比梁的90%以上.预应力程度对极限跨中挠度f_max及延性系数μ影响明显, 预应力每提高5%, f_max降低约25%.屈服荷载P_y与极限荷载P_u随加固层数的增加线性增大, 随预裂程度的增加线性减小.3层比1层CFRP梁的P_u提高了52.8%.预裂程度为60%时, f_max降低约10%.
关键词：钢筋混凝土T梁预应力CFRP钢板复合加固抗弯性能
Experimental Research on Flexural Behavior of T-Beams Strengthened with Combination of Prestressed CFRP and Steel Plate
ZHU Guang-shan^1,2, ZHU Fu-sheng¹, SHENG Guo-hua³
1. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. School of Transportation Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;
3. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
Corresponding author: ZHU Guang-shan, E-mail: jiandazgs@126.com
Abstract: Through the experiments on the flexural behaviors of 10 pieces of T-beams, the influence of different prestress degrees, numbers of strengthening layers of CFRP as well as the pre-splitting degree on the load, midspan deflection and ductility factor of T-beams strengthened by the combination of CFRP and steel plate were studied. The results showed that the ultimate load P_u of the strengthened T-beam is over 90% higher than that of the comparison beam. The impact of prestress degree on the ultimate midspan deflection f_max and the ductility factor μ is obvious in such a way that the f_max reduces about 25% when the prestressing force increases 5%. The yield load P_y and the ultimate load P_u increase linearly with the increase of the strengthening layers, and decrease linearly with the increase of the pre-splitting degree. The P_u of the T-beam strengthened by three-layer CFRP increases 52.8% than that strengthened by one-layer CFRP. When the pre-splitting degree is 60%, the f_max reduces about 10%.
Key Words: reinforced concrete T beamprestressed CFRPsteel platecombination strengtheningflexural behavior
随着社会经济的高速发展, 混凝土桥梁主梁往往因为设计年代久远或车辆超载而出现抗弯性能不足的现象, 急需加固.近年来, 国内外学者已对粘钢法和FRP加固法开展了大量研究^[1-6].但单一材料加固混凝土梁往往具有一定的不足, 而采用CFRP与钢板的复合加固技术则克服了单一材料加固的不足, 成为了一种新兴技术^[7-8].
FRP与钢板的复合加固技术是目前加固研究的热点, 也是未来加固方式的发展方向.但目前在该领域的研究均针对矩形梁, 且采用普通CFRP与钢板进行复合加固^[7-9], 并未考虑T梁和预应力CFRP两种因素, 而T梁是我国桥梁应用最为广泛的结构形式.使用预应力CFRP可以充分发挥复合材料的高强性能, 有效提高被加固构件刚度.因此, 开展对预应力CFRP与钢板复合加固T梁的抗弯性能研究具有重要意义.本文通过10根T梁的抗弯试验, 量化了复合加固方式的抗弯效果, 研究了预应力程度、CFRP加固层数及预裂程度对抗弯性能的影响规律, 对工程应用具有指导意义.
1 试验概况1.1 模型制作试验模型以现行规范的16 m跨径标准设计的T形简支梁的缩尺模型为试验对象.混凝土标号采用C40, 试件混凝土立方体实测抗压强度为47.2 MPa.梁肋纵向受拉钢筋采用?12钢筋, 箍筋采用?6钢筋, 模型尺寸、钢筋布置如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 模型尺寸及截面配筋(mm)Fig.1 Model sizes and reinforcment bars

采用自行研制的预应力FRP张拉机具对CFRP进行张拉, 试验机具工作原理参见发明专利^[10].试件加固采用CFRP为卡本复合材料(天津)有限公司生产的Ⅰ级卡本碳纤维布, 理论厚度为0.167 mm; 加固钢板厚度为2 mm的Q235等级钢.复合加固后的T梁如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 加固尺寸及位置(mm)Fig.2 Dimension and position of reinforcement (a)——T梁立面；(b)——T梁底面

整个加固过程由5个步骤组成:
1) 使用机具张拉CFRP;
2) 将张拉状态的CFRP粘贴到T梁底部;
3) 将钢板粘贴到T梁底部;
4) T梁两端设置锚固设施;
5) 待复合材料与T梁固化后在两端将碳布剪断.
1.2 试验方案抗弯试验在建设部重点实验室——沈阳建筑大学结构实验室进行.试验梁通过分配梁实现了两点对称加载, 试件开裂前, 按2 kN逐级加载, 开裂后, 按3 kN逐级加载, 每级荷载持荷5 min, 通过英国输力强IMP数据采集系统记录应变值, 同时随时观测加固梁裂缝发展, 并记录其发展情况.试件的加固设计参数如表 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 试件加固设计参数Table 1 Reinforcement parameters of specimens

试件编号	加固方式+碳布层数	CFRP预应力度/%	预裂程度
L-0-1	未加固	—	未预裂
L-1-1	1层钢板	—	未预裂
L-1-2	1层碳布	10	未预裂
L-1-3	1层钢板+1层碳布	10	未预裂
L-1-4	1层钢板+1层碳布	5	未预裂
L-1-5	1层钢板+1层碳布	15	未预裂
L-2-1	1层钢板+2层碳布	10	未预裂
L-2-2	1层钢板+3层碳布	10	未预裂
L-3-1	1层钢板+1层碳布	10	预裂30%^*
L-3-2	1层钢板+1层碳布	10	预裂60%^*
注：预裂30%与60%分别为加固前对梁施加对比梁极限荷载30%及60%.

表 1 试件加固设计参数 Table 1 Reinforcement parameters of specimens

2 试验结果及分析2.1 试验结果试验梁的破坏过程分为两个阶段:第一阶段为对比梁L-0-1与L-1-1的未屈服阶段; 第二阶段为屈服后裂缝迅速发展阶段.最终构件为典型的适筋梁弯曲破坏.L-1-2的第一阶段为钢筋未屈服阶段, 第二阶段为钢筋屈服阶段, 最终因CFRP发出一声脆响, 瞬间在跨中完全断裂, 试件随即弯曲破坏.复合加固构件的第一阶段为钢板未屈服阶段, 第二阶段为钢板屈服直至CFRP拉断或CFRP布与混凝土受拉区发生剥离而引起试件最终弯曲破坏.在上述试验过程中, 屈服前裂缝主要发展趋势表现为条数增加, 屈服后主要发展趋势表现为裂缝宽度明显增加及裂缝高度向上延展.破坏时, 预裂梁的裂缝宽度多数大于未预裂梁.图 3为几种典型加固参数跨中截面荷载与挠度曲线.可以看出, 复合加固梁的第一刚度和使用刚度均明显大于非复合加固梁.表 2为各试件屈服/极限荷载、屈服跨中挠度、极限跨中挠度及延性的试验结果.
图 3(Fig. 3)

图 3 典型加固参数跨中截面荷载与挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve in the midspan using typical reinforcement parameters

表 2(Table 2)

表 2 抗弯试验结果Table 2 Bending test results

试件编号	屈服荷载	极限荷载	屈服跨中挠度	极限跨中挠度	延性系数
试件编号	kN	kN	mm	mm	延性系数
L-0-1	41.2	44.2	14.8	47.0	3.18
L-1-1	62.1	69.0	13.1	50.2	3.83
L-1-2	56.9	65.5	14.9	33.9	2.28
L-1-3	75.2	87.0	14.2	34.2	2.41
L-1-4	72.0	90.9	14.6	44.0	3.01
L-1-5	76.4	85.4	13.7	28.0	2.04
L-2-1	80.4	111.1	13.7	35.1	2.56
L-2-2	90.3	133.0	13.1	39.5	3.02
L-3-1	68.6	82.6	13.3	35.4	2.66
L-3-2	58.1	74.6	13.7	31.1	2.27

表 2 抗弯试验结果 Table 2 Bending test results

2.2 试验结果分析2.2.1 关键荷载图 4是加固方式、预应力程度、加固层数及预裂程度对T梁屈服荷载P_y、极限荷载P_u的影响规律.图 4a表明, 相比于未加固梁, 3种加固方式均可提高T梁的P_y与P_u.其中, 复合加固梁提高程度最大, P_y提高82.5%, P_u提高96.8%.复合加固方式分别比加固1层钢板与加固1层预应力10%CFRP布的P_y与P_u均分别提高了1/4和1/3.图 4b表明：随着预应力程度的提高, P_y有所提高, P_u则有所降低, 但趋势并不明显, 预应力程度每提高5%, 平均增加或降低的荷载在5%以内.图 4c表明：随着加固层数的增加, P_y与P_u均呈现线性增大趋势, 且P_u增大趋势更为明显(3层比1层增大了52.8%).而P_y的增加趋势则随着层数的增加维持在10%左右.图 4d表明, 预裂程度在60%范围内, 随着预裂程度的增加, P_y与P_u均呈现线性减小趋势, 且预裂程度每提高30%, P_y与P_u降低10%左右.
图 4(Fig. 4)

图 4 屈服、极限荷载对比图Fig.4 Comparison of yield and ultimate load

2.2.2 跨中挠度图 5是加固方式、加固层数、预应力程度及预裂程度对T梁屈服跨中挠度f_y、极限跨中挠度f_max的影响规律.图 5a表明:相比于未加固梁, 3种加固方式的f_y相差不大.对于f_max而言, 除钢板加固大于未加固情况外, 其余两种加固方式均小于未加固情况.其中钢板加固f_max增加了6.8%, 达到了50.2 mm.预应力CFRP加固与复合加固f_max分别减小了27.9%和27.3%.图 5b表明:随着预应力程度的提高, f_y无明显变化, f_max则明显呈线性降低趋势, 预应力每提高5%, f_max平均降低25%.图 5c表明:在3层范围内, 随着加固层数的增加, f_y无明显变化趋势; f_max则在3层时有增大趋势, 但趋势并不明显, 3层比2层增加了12.5%.图 5d表明:f_y无明显变化, f_max也只有当预裂程度为60%时有所降低, 降低约10%.
图 5(Fig. 5)

图 5 屈服、极限跨中挠度对比图Fig.5 Comparison of yield and ultimate deflection in midspan

2.2.3 延性系数图 6为在不同加固方式及复合加固方式下, 不同预应力程度、碳布层数及预裂程度的延性系数μ对比图.图 6a表明, 不同加固方式的μ变化趋势与f_max相同, 钢板加固方式的μ最大, 比未加固梁的μ提高了20%.复合加固方式的μ要大于单独采用CFRP布加固方式.图 6b~图 6d表明, 复合加固方式下, 随着预应力程度的增加, T梁的μ明显呈线性减小趋势, 当预应力程度为15%时, μ仅为2.04, 远小于预应力程度5%的3.01及10%的2.41, 比预应力程度10%的μ降低了15.4%;在三层碳布内, 随着碳布层数的增大μ有所增加, 但1层与2层增加不明显.3层时增大较为明显, μ取值为3.02比2层提高了约18%;预裂程度在60%范围内, 预裂程度对μ影响不大, 其取值均在2.27~2.66范围内.
图 6(Fig. 6)

图 6 延性系数对比图Fig.6 Comparison of ductility factors

3 结论1) 复合加固T梁均为弯曲破坏.相比于未加固梁, 3种加固方式均可提高T梁的P_y与P_u.其中, 复合加固梁提高程度最大, P_y可提高80%以上, P_u可提90%以上.
2) 预应力程度对关键荷载影响不明显.预应力程度在5%~15%范围内, 随着预应力程度的提高, P_y有所提高, P_u则有所降低.预应力程度对f_max及延性系数μ影响明显.预应力每提高5%, f_max平均降低25%.预应力程度为15%时, μ仅为2.04, 远小于预应力程度5%的3.01及10%的2.41.预应力程度越大, 相同挠度下, CFRP的应变越大, 这是提高预应力程度后f_max与μ降低的根本原因.
3) CFRP加固层数对关键荷载影响明显.随着加固层数的增加, P_y与P_u均呈现线性增大趋势, 且P_u增大趋势更为明显.P_y则随着层数的增加维持在10%左右.2层内, 层数对跨中挠度及μ影响不明显.3层时f_max与μ有所增大, 相比于2层f_max增加了12.5%, μ增大了约18%.3层后, 由于张拉CFRP布变厚, 机具的张拉效果有所减弱, 产生了一定的预应力损失, 这是得到上述结论根本原因.
4) 预裂程度对关键荷载有一定影响.随着预裂程度的增加, P_y与P_u均呈现线性减小趋势，且预裂程度每提高30%, P_y与P_u降低10%左右.预裂对跨中挠度及延性系数μ的影响不大.f_max也只有当预裂程度为60%时有所降低, 降低约10%.
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