外粘碳纤维增强塑料片材加固的钢筋混凝梁的受剪承载力

摘要：外粘钢板或聚合物片材补强加固钢筋混凝土（RC）结构的技术已经成功地应用于土木工程中。钢筋混凝土结构经常进行的是受弯加固。这次研究的是进行斜截面加固的RC梁在应力分布、初裂、裂缝发展和极限承载力方面的加固效果。对五种不同情形碳纤维增强塑料片材加固的梁进行了试验。试验结果表明，没有必要加固RC梁的整个表面。使用应变片，研究了粘结CFRP加固的混凝土梁的整体效应和局部效应。对五种不同加固情形的梁，在加载至破坏的整个过程中，对结构中第一条裂缝的出现和裂缝的发展进行了监测和分析。特别是对其中一根加固梁的破坏模式和失效机理进行了完整的分析。

绪  论

　　在钢筋混凝土（RC）结构受拉区表面粘结钢板或聚合物板材进行加固是一种增加受弯承载力和提高抗弯刚度进而减少挠度和控制裂缝的有效方法。RC梁的加固技术被越来越广泛的应用于土木工程中，以满足新的荷载需要和改正在设计计算、施工缺陷或薄弱结构等工程实际上的一系列错误。加固技术也用来修补因意外的或自然的灾害而严重损伤的结构，特别是因腐蚀而大大削弱的年久的钢筋混凝土结构。因此，加固技术被看作一种现代技术，并取得了很大的成就，特别是在修补损伤的桥梁方面（Fleming & king 1967；Bresson 1971；Iino & Otokawa 1981；Ryback 1981）。必须注意到，要加固因自然灾害而损伤的结构，聚合物片材的加固技术常常可以很快的实施和完成。
       　　与粘结钢板加固RC结构相比，环氧树脂粘结纤维聚合物片材具有许多优点，如高抗拉强度、高疲劳强度和自重轻，特别是耐腐蚀性。纤维聚合物片材的另外一个优点是片材能够粘贴于RC结构的某一特定位置从而达到最大的加固效率。许多实验室都已经研究了用纤维聚合物片材补强加固RC结构的技术，其中最多的是抗弯方面（Jones et al 1980；Balakrishnan et al 1988；Saadatmanesh & Ehsani 1991；Triantafillou & Deskovic 1991；Meier 1992；Deskovic et al 1995；Assih et al 1997）。然而，常常需要注意的是抗剪方面，有时还要注意抗弯和抗剪两个方面。混凝土结构的受剪破坏具有灾难性，因为它是脆性破坏，在破坏之前没有预兆（不会出现很大的裂缝）。

　　　1 硕士研究生，力学、数学和结构实验室，兰斯（Reims）大学，Champagne Ardenne，Rue des Crayeres，BP1035，51687 Reims Cedex 2，法国，E-mail: alex.li@univ-reims.fr ；2 博士，力学、数学和结构实验室，兰斯（Reims）大学，Champagne Ardenne，Rue des Crayeres，BP1035，51687 Reims Cedex 2，法国；3 教授，力学、数学和结构实验室，兰斯（Reims）大学，Champagne Ardenne，Rue des Crayeres，BP1035，51687 Reims Cedex 2，法国。注，副编：Julio Ramirez，公开的讨论直到2001年9月1日。如果要延长结束日期一个月，必须向本刊物的管理者美国土木工程师协会（ASCE）递交书面申请。这篇论文的手稿是1999年3月19日提交的，希望得到审阅和可能出版，并于2000年10月15日作了修改。这篇论文登于Journal of Structural Engnineering（《结构工程》），Vol. 127，No. 4，April（四月），2001。©ASCE，ISSN 0733-9445/01/0004-0374-0380/$8.00+$.50 每页，纸号：20516。
　　　4 硕士研究生，重庆市建筑科学研究院，重庆市渝中区人和街31号  400015；
　　　5 教授级高工，重庆市建筑科学研究院，重庆市渝中区人和街31号  400015。

     关于用聚合物材料加固混凝土结构抗剪承载力的研究是有限的。这个领域的研究是从1991年开始的。Uji（1992）进行了一个试验，对在四周包裹碳纤维或在侧面粘贴碳纤维增强塑料薄板的混凝土梁的抗剪加固效果进行了研究。Ohujes et al（1994）进行的试验是研究在四周包裹碳纤维进行抗剪加固的RC梁。Chajes et al（1995）研究的是纤维增强塑料（FRP）对混凝土梁抗剪承载力的贡献。然而，这个领域的分析模型在许多情形是矛盾的（Triantafillou 1998）。
    本文研究的是外粘CFRP片材加固的RC梁。一根梁仅仅在抗弯方面加固，其它四根在抗弯和抗剪两方面都加固。对加固梁的破坏模式（受弯破坏、受剪破坏和受弯受剪混合破坏）进行了诠释和分析。还根据试验结果对抗剪加固效果进行了讨论。对抗剪加固梁的行为也进行了讨论。研究揭示了第一条裂缝的出现、裂缝的发展和构件的失效等现象。对抗剪加固梁的破坏过程也仔细地进行了监测和分析。使用应变片，对粘结CFRP片材加固的混凝土梁的整体效应和局部效应进行了研究。

粘结CFRP的RC梁

     RC梁设计的是四点受弯体系，见图1。试验中的梁的尺寸为：长1350mm，高200mm，宽130mm。支撑之间的距离L=1100mm。加载点之间的距离a=300mm。聚合物片材的长度l=1040mm。抗剪箍筋φ1=6，间距s=150mm。上部钢筋φ2=8，下部钢筋φ3=8。梁的横截面为200×130mm2。聚合物片材的宽度bc=120mm，厚度t=1.3mm。钢筋的屈服强度为550MPa。混凝土材料的特性通过四个长为320mm直径为160mm的圆柱体试件的单轴抗压试验得到。测出的抗压强度和弹模分别为37MPa和35Gpa。通过100×100×400cm3试件的试验，混凝土的抗弯强度为4.3MPa。试验中用的长为1040mm宽为120mm厚为0.5mm的CFRP片材指是用环氧树脂粘结的体积百分比为75%的轴向碳纤维。片材的轴向试验得到其平均弹模为120Gpa，极限应变为0.008。试验中用的环氧树脂粘结剂是Rutapox。粘结层的弹模为3Gpa，抗拉强度为31MPa。

                               
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图1  用CFRP片材加固的RC梁

    在混凝土表面粘结聚合物片材之前，要特别注意表面处理。通过喷砂使混凝土表面不平，直到骨料露出；接着用压缩空气清洗，以去掉灰尘和松散的颗粒。同样的，CFRP片材表面也要进行喷砂处理以增加表面积。
　　表面处理过后，先将粘结剂抹在混凝土和聚合物材料表面，再将CFRP片材贴在混凝土梁的表面。在CFRP表面施加一定的荷载（0.22KN/mm2）。当环氧树脂粘结剂硬化（24h）后，移去压力。加固梁搁置养护3天。在粘贴工序完成之后，将应变片贴在跨中的混凝土表面和CFRP片材上（图5）。在梁制作之前，在钢筋表面也粘贴应变片。5种不同的抗剪加固情形见图2。

                               
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图2  不同情形抗剪加固的混凝土梁

　　梁A仅仅用CFRP片材进行抗弯加固。梁B在梁的两侧并且是钢筋位置以下的区域粘贴CFRP片材进行抗弯加固和抗剪加固。梁C在梁的两侧存在剪力的位置并且是截面中轴以下的区域粘贴CFRP片材进行抗弯加固和抗剪加固。梁D在梁的两侧并且是截面中轴以下的粘贴CFRP片材进行抗弯加固和抗剪加固。梁E在梁的两侧并且是上部钢筋位置以下的区域粘贴CFRP片材进行抗弯加固和抗剪加固。

破坏模式和分析

     已经注意到，外粘CFRP片材的RC梁受弯破坏具有许多的破坏形式。破坏模式（Balahrishnan et al 1988）总结如下：

    受弯破坏主要开始于内部钢筋的屈服。受弯破坏也可能开始于混凝土受压破坏而内部钢筋没有屈服。粘结在混凝土梁底部的CFRP片材可能由于拉应力而破裂，从而导致受弯破坏。如果混凝土强度很低或者由于粘贴了碳纤维使梁的受剪和受弯承载力显著增加，则梁受压区混凝土可能被压碎。
    如果梁的抗剪承载力不足以满足抗弯承载力的增长，以斜裂缝形式出现的混凝土受剪破坏可能出现。受剪破坏受到剪跨和梁高比值的很大影响。
    混合破坏开始于底部钢筋位置下混凝土保护层的水平撕裂。
    承受剪力的CFRP—混凝土交界面上的粘结可能会由于粘结失效而破坏。如果环氧树脂强度很低或基层表面没有处理好（也就是说，可能有灰尘和松散的颗粒）以致于混凝土和CFRP片材的粘结质量没有保证，则粘结失效可能出现。一般而言，CFRP—混凝土交界面上的粘结失效是不会出现的，因为剪力非常小（相对于高质量的环氧树脂粘结剂的抗剪强度）。好的环氧树脂粘结剂的抗剪强度一般是混凝土的几倍。
    梁两侧的CFRP片材可能由于剪应力而发生破裂。当梁在荷载下发生扭曲时片材还可能被撕裂。

　　图3显示了在破坏时梁的表面裂缝。加固梁的破坏是内部钢筋位置以下混凝土保护层的水平撕裂。对梁A，裂缝在三个区域有：混凝土受压区、受剪区和受弯区。梁B的破坏现象表明在剪

                               
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图3  梁的破坏裂缝

跨处有应力集中。梁两侧的聚合物片材由于剪应力而破裂。然而，梁C破坏时的现象不同。由于受剪区大大地加强了，以致于应力集中发生改变，大量的裂缝出现在受弯区。抗剪承载力提高了。随着侧面加固面积的增加，裂缝数量减少。梁E仅仅只观察到一些裂缝。梁受弯区的表面没有裂缝。梁E的抗弯承载力增加显著，最后受剪破坏。

试验结果和讨论

挠  度

　　5根试验梁的荷载—跨中挠度关系如图4所示。比较两侧加固梁B-E和基准梁A的曲线，梁B-E的初始刚度比基准梁A的要高一点。在更高的荷载等级，加固梁的抗剪刚度随着片材面积的增加而提高。这个现象的原因可以解释为片材对裂缝发展的约束作用。图4表明，对所有的梁，荷载挠度曲线都有一个不连续点。这个不连续点对基准梁是在荷载大约为28KN时，对其它梁是在荷载大约为32KN时。这个点可能是混凝土中第一条裂缝出现的那一刻。与这点相应的荷载可认为是开裂荷载。CFRP片材稍微延迟了混凝土中第一条裂缝的出现。

                               
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图4  荷载—跨中挠度曲线

　　图4也表明，在受拉区混凝土开裂后，梁的刚度明显降低。然而，梁B-E的刚度比梁A的要高。直到极限荷载，荷载挠度响应基本上是线性发展。对梁C和梁B，刚度几乎相同。对梁E、梁D和梁C，刚度随加固面积的增加而提高。
　　可以看出的是，5根曲线有相同的形式，也即，曲线包括两部分。在第一部分，梁的荷载从0KN到关键荷载（第一条裂缝出现时的荷载，对基准梁是28KN，对其它梁是32KN）。在第二部分，梁逐渐失效而裂缝进一步发展直到极限荷载。曲线斜率的改变意味着混凝土中裂缝的出现。在荷载加至裂缝出现后，混凝土中的裂缝迅速发展。两侧CFRP片材的使用稍微延迟了混凝土中第一条裂缝的出现。
　　图4给出了梁的完整的荷载—挠度曲线。CFRP片材、钢筋和混凝土在一定区域的局部效应可以通过使用应变片得到。

应  变

　　可以证实的是，加固片材使用的是高性能和高质量的环氧树脂粘结剂，并且混凝土和片材之间的连结没有发生破坏。然而，混凝土在某些区域发生了损坏。

                               
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图5  应变片位置图

　　应变片的数量和位置如图5所示。片材的应变通过设于梁底中央的G3测量，见图6。将这些曲线和图4的曲线比较表明，所有梁的曲线都有三部分。梁底的荷载—应变关系给出了在加载过程中当荷载是常量时的应变信息。第一个部分可认为是梁处于弹性区域。梁的荷载从0KN到关键荷载（第一条裂缝出现时的荷载）。第二个部分，图4中没有显示，是应变快速增长而荷载保持常量的区域。这个部分可认为是混凝土受拉区中裂缝数量的增加。尽管裂缝数量增加，但荷载不增加。当受拉区混凝土不再承担荷载时，聚合物片材和钢筋承担荷载。荷载挠度响应基本上是线性发展。

                               
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              图6  G3的荷载—应变曲线                   图7  G2的荷载—应变曲线

　　加固梁的极限承载力与CFRP片材的尺寸和它在梁两侧的位置有关。没有用CFRP片材进行抗剪加固的基准梁A与进行抗剪加固的梁相比有更大的变形性。由于梁两侧加固面积的增加，梁的可变形性减少。
通过设于钢筋混凝土梁顶部中央的G2测得的应变，见图7。5根梁的荷载挠度曲线几乎相同。这可解释为梁两侧的加固量不影响受压区混凝土的性能。图7表明，梁刚度的改变在荷载大约为35KN时。这些曲线仅仅只有两部分。在梁破坏之前受压区混凝土没有发生损坏。
　　通过粘在梁底中央受拉区钢筋表面的G0测得的应变，见图8。曲线的形状与图6的相似。另一方面，应变快速增长的AB部分比图6的短。B点测得的应变值图8中为50微应变，图6中为1000微应变。这些差异是由于材料（钢筋和CFRP）的差异。由于钢筋的杨氏模量（210000MPa）比聚合物片材的（120000MPa）要高，以50个微应变计算的钢筋的应力为105MPa，而以1000个微应变计算的聚合物片材的应力为110MPa。非常明显，两个应力是一致的。在受拉区混凝土损坏后，钢筋和聚合物片材同时承担了荷载。图8也表明了，加固面积增加，梁的刚度增加。
　　梁C和梁E的刚度几乎相同。梁D的刚度最高。这个现象在图6中没有显示出来。这可能是由于片材在梁两侧的位置不同。实际上，对梁C而言，在梁两侧加载点之间没有片材。在这种情形，梁中的钢筋比用聚合物片材在梁两侧中间进行加固的梁中钢筋承担了更大的荷载。同时，G0测得的在梁两侧全部加固的梁的结果（图8）表明，梁E的刚度与梁D（在梁两侧半高加固）相比有了降低。这一点很难解释。然而，梁E的抗拉承载力和抗压承载力都由于聚合物片材而有所提高。

                               
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　　　　　　      图8  G0的荷载—应变曲线                 图9  G1的荷载—应变曲线

　　通过设于梁中钢筋末端的G1测量的应变，见图9。荷载应变曲线表明，第一段的斜率很大。斜率的改变点处的荷载为：梁B为55KN；梁D和梁E为55KN；梁C为80KN，这些点处的应变很低。在这个荷载等级后，荷载不再增加。另一方面，应变变化很快，这一点可以解释为与其它区域相比裂缝出现较晚。然而，在梁末端一出现裂缝，进行抗弯抗剪加固的梁就开始逐渐损坏。图9表明了梁C比其它梁能承担更大的荷载。梁E和梁D在荷载作用下几乎有相同的变形。这可能是由于梁C的末端有很好的加固，而中间两侧没有片材加固。因此，梁C在梁中变形较多而在梁端变形较少。

                               
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          图10  G4的荷载—应变曲线

　　图10显示了G4测得的5根梁的荷载—应变曲线。G4设在梁底片材的末端。在一定荷载范围内，梁A-C和梁E似乎有相同的刚度，但梁A的曲线没有第二部分。在梁末端一出现裂缝，梁A就破裂了。开裂荷载大约是93KN。在这个区域，聚合物片材变形很少。在极限荷载时，最大应变仅仅为130个微应变。在这个区域，梁D与其它的梁相比似乎有较小的刚度，但刚度在荷载大约为50KN时发生了变化，然后逐渐失去刚度直到最后。梁B的曲线与梁A的相似；刚度突然变化，在荷载为80KN后应变迅速增长。5根梁的力学性能各不相同。梁A和梁B，在抗剪方面没有加固或加固很少，是脆性和弹性的。梁C-E有较大的塑性范围，它们变形性较大，特别是梁D。注意到下面这一点很重要，在这个区域（梁末端）进行抗剪加固，效果最显著。

开 裂 机 理

    破坏模式有受弯破坏、受弯受剪破坏和受剪破坏。受弯受剪破坏是一种混合破坏模式，存在钢筋的屈服，但破坏是由于钢筋水平位置下混凝土保护层的水平撕裂而突然发生的。受剪破坏必须看作过早的、以在钢筋水平位置下的混凝土受剪剥落为形式的高脆性的破坏，并且在破坏之前没有粘结失效的迹象；而且没有主筋的屈服。
    为了更好的理解抗剪加固梁的开裂机理和裂缝传播（梁已经实施了四点受弯体系），选出梁E，并粘贴13个应变片于梁上。应变片G3和G4粘于加固梁的下表面。应变片G0和G1粘于受拉区钢筋表面。应变片G2粘在受压区混凝土表面。应变片G5，G6，G7，G9和G11沿纵向粘在聚合物板材的侧面。应变片G8，G10和G12沿垂直方向粘在聚合物板材的侧面。应变片之间的距离为10cm。
    图11显示了应变片G6，G9，G7，G11和G5测得的结果。这些应变片给出了局部应变。在增加荷载的过程中，从梁中（G6）到梁端（G5）逐渐出现变形。

                               
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　　　　　　　　图11  梁E的荷载—应变曲线　　　　　　　　　 图12  梁E的荷载—应变曲线

    非常明显的是，第一条裂缝出现在梁跨中的受拉区。接着向梁端发展。第一条裂缝出现是由于承受了弯矩，此时的荷载大约为30KN，相应的应变为0.219×10-3，见表1。当荷载从30KN增加到47KN时，应变片G9显示了裂缝的出现。在这一点，应变大约为0.226×10-3，相应的荷载为47KN。这个部分（存在着剪力的区域）裂缝的出现在关键荷载为60KN时，相应的应变为0.224×10-3。荷载值（58KN）是产生第一条裂缝的荷载的2倍。这意味着裂缝是由于剪力的出现而产生的。当裂缝在CFRP末端出现时，荷载值为100KN，相应的应变为0.146×10-3。表1显示了纵向裂缝出现的连续发展过程。也很明显的是，裂缝一出现，应变突然增长。直到极限荷载，梁端两侧的CFRP片材的应变一直很低。最大值不超过0.042×10-3。

　　　　　　　　　表1                              　　　　　　　　　　　　　　　　　裂缝发展状态

荷载（KN）	应变（μm / m）
	G5(10cm)	G11(20cm)	G7(30cm)	G9(40cm)	G6(50cm)
30	19	50	13	88	219
47	30	89	54	226	1308
60	31	153	224	1063	1721
74	37	391	727	1572	2090
100	42	2068	1828	2367	2721

    应变片测得的荷载—应变曲线（图12）表明混凝土中第一条裂缝的出现是由于受弯引起的。在梁中受拉区发现裂缝。应变片G0，G3和G6表明了同样的结果。在同样的荷载下，聚合物片材（曲线G3，G6）变形比混凝土中的变形（G0）更大。梁底片材的应变速率比梁侧的更快。这可能是，两个应变片不再梁的同一层上，产生了不同的弯矩。然而，当裂缝在垂直方向发展到一定高度后，除了在极限荷载处，两曲线（G3，G6）几乎相同。裂缝（常常是在混凝土中）出现后，逐渐向梁端发展（图12）。在同样的荷载下，应变值在梁中最大，向梁端逐步减少。应变片G1，G4和G5测得的曲线表明，荷载为48KN之前，应变很小。，可以看出，设于钢筋表面的G1记录了第一条裂缝。可以相信，荷载（48KN）意味着钢筋混凝土梁表面裂缝的出现。这个荷载以后，钢筋的应变增加很快，应力集中很高。在钢筋和钢筋水平位置下混凝土之间的破裂形式是独立的。很有趣的注意到，G5记录了最低的应变。在极限荷载时，应变仅仅为0.042×10-3。这个值是G6记录的第一条裂缝的1/5。这意味着，在梁侧的钢筋位置以下的这个区域进行加固是没必要的。

                               
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图13  梁E的荷载—应变曲线

    应变片G8，G10和G12测得的梁横向的应变与纵向的不同，见图13。横向应变开始是负值。随着荷载的增加，应变片G8在荷载为30KN时记录了第一条裂缝，然后，其它三个应变片在荷载大约为50KN时记录了第二条裂缝。在荷载增加的过程中，三条曲线朝另一个方向转变。在荷载为58KN时，三条曲线的斜率发生改变，此时，荷载增加而应变保持不变。这可能是由于混凝土中裂缝的垂直发展。在荷载增加的过程中，裂缝长度增加。图13也表明，在荷载大约为70KN时，应变片G10朝负方向变化而应变片G8和G12朝正方向变化。它是否表明了裂缝的位置？这很难用弯矩解释。

结 论

    对RC梁，破坏模式一般可分为受弯破坏、受弯受剪破坏和受剪破坏。外粘碳纤维增强塑料片材加固RC梁，可以进行抗弯加固、抗剪加固和抗弯抗剪加固。这个研究的试验结果表明，刚度随梁两侧CFRP片材面积的增加而增加。然而，这种增加是有限的。应变片测量的结果表明在梁两侧整个表面进行加固是没必要的。在梁两侧表面进行加固延迟了混凝土中第一条裂缝的出现。加固梁和一般梁相比，极限承载力有明显的提高。试验结果表明，抗弯抗剪加固梁与仅仅受弯加固梁相比，在极限承载力上有微小的优点。极限受弯承载力增加的最大值仅仅为11%。为了提高极限受弯承载力，在梁两侧进行加固的效果并不明显。
    开裂模式受到CFRP片材尺寸和位置的很大影响。开裂模式强烈的依赖于加固形式：抗弯加固、抗剪加固或抗弯抗剪加固。裂缝开始是由于受弯引起的。第一条裂缝发现于梁中部的混凝土受拉区。第一条裂缝出现后，荷载进行重分配。聚合物片材和钢筋在受拉区承担了荷载。在这种情形，梁中部没有进行受弯加固，破坏将由弯矩引起。如果片材加固不够，将可能是片材发生破裂。梁两侧的片材对阻止裂缝的发展起着重要的作用。为了对RC梁进行受剪加固，必须同时进行受弯加固。应变片测得的结果表明，第一条裂缝一般都是由于受弯引起的，并出现于混凝土受拉区。梁端的裂缝出现最迟。尽管要用很大的努力对梁进行受剪加固，但保证梁具有足够的受弯承载力也很重要。

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