1、橋梁加固與改造技術(shù)關(guān)于粘貼碳纖維布提高鋼筋混凝土梁抗剪承載力的讀書報告日期：2011年12月18日粘貼碳纖維布提高鋼筋混凝土梁抗剪承力的讀書報告摘 要：為了全面研究碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪受力性能，本文基于凌老師的講課內(nèi)容，并通過閱讀其他相關(guān)文獻（試驗參考天津大學土木工程系所做12根碳纖維布補強加固鋼筋混凝土梁），分析了用碳纖維布加固后梁的抗剪破壞特征、抗剪承載力以及影響碳纖維布抗剪加固效果的因素（碳纖維布的粘貼層數(shù)、碳纖維布的寬度和間距、梁的剪跨比及梁的配箍情況等）。分析結(jié)果表明，采用碳纖維布加固對提高鋼筋混凝土梁的受剪承載力有明顯的效果，并可改善鋼筋混凝土梁的變形性能，增強其變形能力。

2、在此基礎上提出了碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受承載力計算公式，通過對比其他試驗，得出公式的適用性及其有待改進的地方。關(guān)鍵詞：碳纖維布；鋼筋混凝土梁；加固；抗剪承載力1 前 言1.1 纖維增強材料用于加固鋼筋混凝土梁的研究狀況1.1.1 國外研究狀況1981 年，瑞士 Merci 最早采用粘貼碳纖維復合材料(CFRP)加固了 Ebach 橋。此后十年間，國外許多學者對采用纖維材料加固鋼筋混凝土構(gòu)件進行了深入的研究，Philip，Alfarabi Shad、及 Hamid saadatmanesh等分別使用玻璃纖維增強塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics 簡稱 GFRP

3、）、碳纖維增強塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastics 簡稱 CFRP）、及芳綸纖維增強塑料(Aarmid Fiber Reinforced Plastics 簡稱 AFRP)進行了構(gòu)件受彎加固試驗，試驗中纖維增強塑料加固梁發(fā)生了不同的破壞狀態(tài)，主要包括：（1）縱筋屈服后，混凝上壓碎；（2）縱筋屈服后，碳纖維拉斷；（3）縱筋屈服前，混凝土壓碎；（4）由于彎剪斜裂縫的出現(xiàn)，使碳纖維在該裂縫處剝離，并由于該裂縫的發(fā)展，使碳纖維剝離一直延伸至端部，造成破壞；（5）由于碳纖維端部應力集中，使該處混凝土出現(xiàn)裂縫，從而使混凝土在縱筋位置處發(fā)生保護層的拉剪破壞；（6）由于碳纖維

4、與混凝土的錨固不足發(fā)生的錨固破壞。其中，對于破壞狀態(tài)（1）和（2），試件破壞時纖維增強材料發(fā)揮了強度，且縱筋已經(jīng)屈服，極限位移較大，在加固中應優(yōu)先選用；對于破壞狀態(tài)（3）試件破壞時，縱筋沒有屈服，混凝土己經(jīng)壓碎，相當于超筋破壞，在加固設計中應避免其發(fā)生；對于破壞狀態(tài)（4），（5），（6），試件破壞時碳纖維及混凝土材料沒有發(fā)揮其極限強度，材料的利用率較低，在加固設計中宜采取附加錨固措施避免其發(fā)生，這三種破壞稱為早期破壞。研究結(jié)果表明：沒有任何附加錨固措施的加固梁通常發(fā)生早期破壞，為了避免早期破壞的發(fā)生，可采用各種不同的附加錨固措施，主要有：在 FRP（Fiber Reinforced Plast

5、ic）端部加 U 型箍；延長 FRP 至支座處；在 FRP 端部用螺栓錨固。試驗結(jié)果表明：在 FRP端部用螺栓錨固可以避免混凝土與 FRP 分離破壞的發(fā)生，但在 FRP 端部混凝土中產(chǎn)生較大的應力集中，從而在該位置處產(chǎn)生較大的彎曲裂縫，最后裂縫斜向上發(fā)展，從而引起FRP 上部混凝土斜向受拉破壞（此時，荷載只是受剪承載力的 6065%）；延長 FRP 至支座及在 FRP 端部加 U 型 FRP 箍，可防止 FRP 梁發(fā)生早期破壞，從而提高了加固梁的受彎承載力。1990 年，Wei 和 Saadamanesh 分析了配筋率、FRP 加固量、混凝土強度、FRP 模量與強度等影響因素。研究表明，加固效

6、率隨配筋率的增加而降低；同時提高混凝土強度和加固纖維材料用量能有效提高極限承載力。1997 年意大利 Bencardino 在 Calabria 大學進行了 CFRP 板加固試驗，在沒有施加端部錨固的情況下，由于粘貼了 CFRP 板，構(gòu)件延性降低，當采取外部粘貼型鋼夾具錨固時，延性得到恢復，隨后這種錨固方法成功用于結(jié)構(gòu)加固。1994 至 1997 年間，Tom Norris、Ghazi J.AlSulaimani、宇治公隆、福山洋及荒木伸宏等對受剪加固梁的性能進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明：當碳纖維方向垂直于裂縫時，可以大幅提高受剪承載力及剛度；纖維方向與裂縫有一定角度時，可以較小提高受剪承載力

7、和剛度；不同的粘貼方法產(chǎn)生不同的破壞形態(tài)，碳纖維環(huán)包粘貼時，加固梁的破壞狀態(tài)為碳纖維斷裂，側(cè)面及 U 形粘貼時，加固梁容易發(fā)生碳纖維剝離破壞；FRP對受剪承載力的貢獻與其破壞時最大應力有關(guān)，不同的粘貼方式其最大應力不同，且加固梁破壞時碳纖維的最大應力遠小于其極限應力。對于碳纖維加固梁受剪承載力的計算，很多學者采用普通鋼筋混凝土理論，把纖維增強材料等效為鋼筋，由于破壞時纖維材料的應力遠小于其極限強度，因此需要降低碳纖維強度。對于纖維強度降低系數(shù)，不同學者的取值不同。宇治公隆提出碳纖維拉斷破壞時其應變只有極限應變的 46%；荒木伸宏對碳纖維的強度降低系數(shù)建議取 0.6。英國學者 Nikolaos

8、Plevris 等通過對 3 根混凝土梁的試驗，得出用 CFRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種很好的加固方法，與 GFRP，AFRP 相比，CFRP 加固后隨著時間的增加，其跨中撓度要遠遠低于 GFRP，AFRP 加固的構(gòu)件。Hamid Saadatmanesh 等人進行了粘玻璃纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗和碳纖維加固梁的抗彎性能試驗，結(jié)果表明加固后試件的抗彎強度提高、裂縫寬度減少，低配筋率的梁加固后性能提高幅度較大，試件的延性有所降低。Sharif 等進行的用玻璃纖維加固未卸載的鋼筋混凝土梁的試驗結(jié)果表明，加固后試件的破壞雖然呈脆性，但仍表現(xiàn)出了一定的延性；進行正截面抗彎加固時，由于斜截面抗剪能力

9、不足將產(chǎn)生斜裂縫而導致纖維板的剝離，通過在板端部加螺栓錨固能夠在一定程度上對這種剝離破壞進行約束。1.1.2 國內(nèi)研究狀況我國從 1996 年正式開始對纖維增強塑料（FRP）加固修復混凝土結(jié)構(gòu)進行研究，并在 1998 年開始了實際工程的應用。目前，國內(nèi)已有近十個科研院所（以國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、中國建筑科學研究院、四川建筑科學研究院為代表），十余所高校（以東南大學、清華大學、天津大學、武漢大學、同濟大學、長安大學為代表）對其性能及加固方法與效果進行了大量研究，并取得了較豐富的研究成果。2 碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪的試驗研究2.1 試驗目的和主要研究內(nèi)容此次試驗的目的是要獲

10、取相關(guān)研究的試驗數(shù)據(jù),并對碳纖維布補強加固后的鋼筋混凝土梁的抗剪性能進行試驗研究和理論分析。主要研究內(nèi)容有： （1）驗證碳纖維布對鋼筋混凝土梁抗剪性能的改善作用;（2）研究碳纖維條的寬度和間距、碳纖維布粘貼層數(shù)、梁的剪跨比、配箍率和混凝土強度等試驗參數(shù)對加固效果的影響;（3）尋求一個較合理的計算模型,并提出簡化設計計算公式。2.2 試件的設計與制作試驗梁為矩形截面的簡支梁（試件尺寸及配筋圖見圖1），分為兩組,b×h = 150mm ×250mm，跨度l = 2 200mm，凈跨l0 = 2 000mm，混凝土保護層厚度為30mm。兩組梁配置的縱筋相同, 均為316 ;架立筋

11、為24 。由于本次試驗主要研究粘貼的碳纖維布對鋼筋混凝土梁抗剪作用的影響,故箍筋用量較少,第組梁的配箍率為0.112%;第組梁的配箍率為0.158%。考慮到僅在梁兩側(cè)粘貼碳纖維條的加固效果不明顯 ,本次試驗的補強加固措施采取在剪彎區(qū)段內(nèi)用碳纖維條橫向包裹的方式(圖2) 。試驗之前,先將混凝土表面進行打磨、平整,去掉12mm 的表面疏松層,并將浮灰清除干凈。在正式粘貼碳纖維條之前,用丙酮擦洗混凝土表面去脂。隨后在混凝土表面均勻涂抹一層均勻飽滿的粘結(jié)劑,將已裁剪好的碳纖維布粘貼上去,并沿碳纖維受力方向施壓趕出氣泡,以使碳纖維與混凝土表面緊密粘結(jié)。當碳纖維布粘貼層數(shù)多于一層時,重復上述過程。然后,在

12、碳纖維布表面再涂抹一層粘結(jié)劑,上覆塑料薄膜,并用木模板壓緊碳纖維布,一周后待粘結(jié)劑完全固化,方可拆模試驗。試驗梁的編號及各種補強加固情況見表4 。圖1 試件尺寸及配筋圖圖2 試驗加載示意圖試驗梁的混凝土為C20 ,縱筋和箍筋分別為級和級,混凝土與鋼筋的實測力學性能指標亦見表1 。碳纖維織物采用6K碳纖維布,其主要性能指標見表2 。碳纖維布與混凝土之間的粘接劑采用環(huán)氧類建筑結(jié)構(gòu)膠,其各項性能如表3所示。2.3 加荷方案試驗的加載簡圖見圖2 。加載方案采用分級加荷的方式,每級荷載10kN。每級加載后,持荷5min ,待儀表的指示值基本穩(wěn)定后觀察裂縫發(fā)展情況,并記錄箍筋及碳纖維條的應變。隨后,繼續(xù)下

13、一級加載。圖2 中的參數(shù)C 和D ,除試件BV 5和BV 6 分別取為800 ,400mm 以外,其余的試件分別取500 ,1 000mm。2.4 試驗結(jié)果與分析2.4.1 受剪承載力試驗的主要結(jié)果見表4 ,試驗結(jié)果顯示了以下規(guī)律:(1) 碳纖維條的間距越小,則加固梁的抗剪承載力提高得越多。碳纖維條間距對抗剪承載力的影響如圖3 所示,圖中P0 為試驗對比梁的抗剪承載力。(2) 碳纖維條粘貼層數(shù)越多,則加固梁的抗剪承載力提高得越多。在碳纖維用量相同的情況下,條帶間距小、層數(shù)少的加固方案要優(yōu)于條帶間距大、層數(shù)多的加固方案。單層條帶加固的試件,破壞類型多數(shù)為碳纖維條在斜裂縫處被撕裂,而包裹兩層碳纖維

14、條的試件,其破壞類型為碳纖維條從混凝土表面剝離,使得試驗梁拐角應力集中處的碳纖維條在較低的應力水平(碳纖維的應變?yōu)?0006000,小于單層加固方案中碳纖維的應變) 下提前破壞。另外,外層的碳纖維條不能完全發(fā)揮其作用也是一個原因,即碳纖維在使用中存在層數(shù)引起的強度折減問題。(3) 梁的剪跨比較大時加固效果明顯,破壞形態(tài)也從脆性的斜拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃涡阅苌院玫募魤浩茐摹?4) 梁的配箍率較低時加固效果明顯。(5) 混凝土強度較高時加固效果好。試件BV4 和BV2 的加固方案完全相同,但試件BV2 破壞是由于粘結(jié)面的混凝土被剪壞,破壞時碳纖維應變(6500左右) 較小,小于一般情況下的極限拉應變,碳

15、纖維的抗拉強度沒有完全發(fā)揮作用,而試件BV4的破壞是由于碳纖維條在斜裂縫通過處被撕裂,破壞時碳纖維的應變( > 9 000) 較大。2.4.2 荷載撓度曲線典型試件的Pf 曲線繪于圖4 。從圖中可以看出,碳纖維抗剪加固方法能提高梁的整體剛度和變形能力,這種提高在剪跨比較大或配箍率較低時尤為明顯,即碳纖維條影響鋼筋混凝土梁剛度的規(guī)律與影響抗剪承載力的規(guī)律相同。通過研究現(xiàn)有的文獻資料,本文認為試件剛度的提高,一方面是由于加固所用碳纖維條對梁剛度的直接貢獻,另一方面是由于粘貼碳纖維條使得斜裂縫開展緩慢,對剛度的提高起到了間接作用。圖4荷載撓度曲線2.4.3 斜裂縫的開展試件典型的斜截面裂縫寬度

16、隨荷載P的變化曲線繪于圖5 。從圖中可以看出,粘貼碳纖維條的梁抗剪加固方法,無論是對處于斜拉還是剪壓情況的試驗梁,除了都能提高構(gòu)件的抗剪承載力以外,還可以提高斜截面的抗剪變形能力。從試驗現(xiàn)象中也可以觀察到,用碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁,在斜截面破壞之前都有碳纖維條的撕裂、起鼓和起皺等破壞先兆。圖5 P曲線2.4.4 碳纖維及箍筋的應變構(gòu)件BV2 中箍筋及碳纖維實測應變的發(fā)展情況見圖6 ,各測點位置如圖7 所示。從圖中可以看到,在同一荷載P作用下,碳纖維的應變與箍筋的應變并不相同。在斜裂縫開裂之前,兩者應變相差不大,碳纖維應變略大于箍筋應變。但當斜裂縫出現(xiàn)后,碳纖維應變的增加遠大于箍筋應變的增

17、加,這與文的結(jié)論相同。圖6 構(gòu)件BV 2 中箍筋及碳纖維實測應變 幾點說明(1) 對于試件BV2 ,其抗剪承載力低于未加固的試件BV1 ,這一結(jié)果說明,用碳纖維條加固鋼筋混凝土梁時,碳纖維條之間的距離不宜過大,否則不但起不到加固作用,反而會降低原構(gòu)件的抗剪能力,其原因有待進一步研究。(2) 在實際工程中,粘貼碳纖維條通常是在梁側(cè)面粘貼碳纖維布,或用U 形條在梁底面和兩個側(cè)面進行抗剪加固。為考察梁頂面碳纖維布的作用,試驗中在梁頂面的碳纖維條上粘貼了應變片,以測量其受力變化情況。從實測數(shù)值來看,直到試件破壞,梁頂面碳纖維的應變始終很小( < 100) ,其作用可以忽略不計,所以本次試驗的數(shù)據(jù)

18、結(jié)果可以用于實際工程中。3 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力設計計算3.1 CFRP 布加固混凝土梁剪力傳遞機理通過對 CFRP 布作用的分析發(fā)現(xiàn)，采用外部粘貼 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁時，CFRP布的作用機理和箍筋非常相似。為了進一步理解 CFRP 布在抗剪中的剪力傳遞機理與破壞機理，仍用傳統(tǒng)的析架拱模型來解釋：對粘貼 CFRP 布混凝土梁，在梁開裂前，CFRP布的作用不明顯，但在斜裂縫出現(xiàn)后，試驗表明，與斜裂縫相交的 CFRP 布中的應力會突然增大，CFRP 布除參與承受剪力外，還可以有效地減小斜裂縫的寬度，提高斜裂縫處混凝土的骨料咬合作用。混凝土基本拱體為受壓上弦桿、縱向鋼筋為

19、受拉下弦桿、斜裂縫之間的小拱和等為混凝土受壓斜腹桿、箍筋為受拉垂直腹桿、CFRP 布條帶為受拉垂直腹桿或受拉斜腹桿（由粘貼角度決定）。傳力過程為：CFRP 布可以將被斜裂縫分割的小拱、牢固地連接起來，這些小拱支承在縱向鋼筋上，小拱傳遞來的內(nèi)力通過 CFRP 布和箍筋再傳遞到主斜裂縫以上的基本拱體上，使小拱能更多地傳遞內(nèi)力，從而減輕了基本拱體拱頂截面的負擔，使剪壓面上的應力集中得到緩和，從而提高了整根梁的抗剪能力。可見，外貼的 CFRP 布類似于增設了箍筋，但 CFRP 布的作用與梁內(nèi)箍筋的作用還是有區(qū)別的：(1) 箍筋的錨固性能好，而外貼 CFRP 布的錨固性能較難保證 CFRP 布的錨固性能

20、對加固效果及破壞特征影響較大，如在側(cè)面粘貼 CFRP 布條帶加固時，由于在端部發(fā)生應力集中現(xiàn)象，所以發(fā)生的均為粘結(jié)破壞，加固效果也不明顯。若是“U 形條帶+壓條”的加固方式，在底部不存在應力集中現(xiàn)象，當在頂部增設壓條后，壓條不僅對抗剪有利，而且使該處應力集中現(xiàn)象得到較大的改善，破壞時部分 CFRP 布被拉斷，部分發(fā)生粘結(jié)破壞。若條帶裹梁，由于錨固性能好，破壞時 CFRP 布被拉斷，破壞時，雖然梁中部的部分 CFRP 布與混凝土脫開，但仍能傳遞一定的剪力。(2) 鋼筋為延性材料，而 CFRP 布為脆性材料。因為鋼筋為延性材料，所以在斜裂縫產(chǎn)生后，箍筋雖已屈服，但并未被拉斷，其良好的延性性能保證其

21、它箍筋也進入屈服階段。CFRP 布為脆性材料，而斜裂縫底部較寬，頂部較細，故底部的 CFRP 布較早、較大地發(fā)揮作用，而頂部的 CFRP 布較小、較晚地發(fā)揮作用，所以會導致底部的 CFRP 布超過其極限應變先破壞，然后，其它部位的 CFRP 布被各個擊破，也就是說，由于 CFRP 布為脆性材料，很難保證抗剪加固用的 CFRP 布同時達到極限強度，這與梁內(nèi)箍筋的作用有很大的區(qū)別。3.2 設計公式碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時,其加固效果及作用與箍筋類似。根據(jù)參考的試驗結(jié)果及現(xiàn)行混凝土規(guī)范中有腹筋梁的受剪承載力設計公式,給出加固梁受剪承載力計算公式:式中: 為構(gòu)件斜截面上碳纖維受剪承載力設計值,反映了

22、碳纖維對抗剪強度提高的綜合影響;為碳纖維布的受剪承載力影響系數(shù),與混凝土強度、剪跨比和碳纖維布粘貼質(zhì)量有關(guān),本文取 = 0.7 ; 為碳纖維布的抗拉設計強度;為碳纖維布抗拉強度折減系數(shù)(或“碳纖維布強度利用系數(shù)”) ,從試驗中發(fā)現(xiàn),加固梁彎剪區(qū)段內(nèi)的各碳纖維條的應變并不相同,考慮到碳纖維應力的不均勻性,對碳纖維的抗拉強度進行折減,同時考慮粘貼層數(shù)的影響,對于一層的情況可以取= 2/ 3 ,二層的情況取= 1/ 2 ; 為配置在構(gòu)件同一截面內(nèi)碳纖維的全部截面面積;為碳纖維條的間距。式(1) 計算的結(jié)果與試驗實測值的比較見表5 。試驗結(jié)果與計算結(jié)果之比的平均值為1.22 ,均方差為0.05 ,變異

23、系數(shù)為0.05 。這些計算指標與現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土矩形截面構(gòu)件受剪承載力的有關(guān)分析數(shù)據(jù)接近,說明本文提出的碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受剪承載力計算公式的可靠度指標接近現(xiàn)行規(guī)范,是偏于安全的,因此可以滿足工程設計的要求。3.3 試驗及設計公式中存在的問題(1) 試驗以梁在無應力狀態(tài)下粘貼加固研究為主，未考慮結(jié)構(gòu)的二次受力，這與實際情況存在差異；(2) 對混凝土及箍筋對CFRP 布的影響還沒有較詳細的研究；(3) 碳纖維布的受剪承載力影響系數(shù)及碳纖維布抗拉強度折減系數(shù)的合理取值有待進一步試驗研究。4 結(jié)論與展望為了全面研究 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁抗剪受力性能，本文參考天津大學土木工程系所做1

24、2根碳纖維布補強加固鋼筋混凝土梁的試驗，分析了CFRP 布加固鋼筋混凝土梁斜截面的破壞過程、破壞機理、及其影響因素等，其次在試驗結(jié)果的基礎上對用 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁的抗剪理論作了簡單探討，并分析了相應計算公式的適用性及其存在的問題。具體結(jié)論歸納如下： 1. 碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受剪跨比、混凝土強度和配箍率等因素影響。2. 試驗研究證實，粘貼碳纖維條后，試驗梁的開裂荷載和受剪承載力都明顯提高，其中受剪承載力的提高更為顯著。3. 碳纖維布對提高梁的受剪承載力的作用機理與箍筋相似。碳纖維條的寬度越大、間距越小、粘貼層數(shù)越多,其作用也越明顯,梁的抗剪承載力提高得越多。但在碳纖維用量相同的情況下，碳纖維條間距較小者加固效果好。4. 碳纖維布在提高鋼筋混凝土加固梁抗剪承載力的同時,還可以提高梁的整體剛度，改善構(gòu)件的變形性能，增強構(gòu)件的變形能力