碳纖維布加固后對(duì)混凝土橋梁受彎性能的影響研究

摘 要：鑒于碳纖維布在混凝土橋梁加固中的廣泛應(yīng)用，碳纖維布加固越來越成為焦點(diǎn)。文章在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)以下問題做了一定闡述：相對(duì)于傳統(tǒng)加固方式碳纖維布（CFRP）加固的優(yōu)勢；碳纖維布加固后結(jié)構(gòu)的破壞形式及對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響；以及影響碳纖維布加固效果的因素。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；混凝土橋梁；受彎性能

引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，超載已對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損害已經(jīng)越來越嚴(yán)重。在橋梁的使用過程中，部分橋梁因?yàn)楹奢d等級(jí)有所提高而致使原橋梁結(jié)構(gòu)承載能力不足，除此之外還有一部分橋梁因?yàn)樵O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較低或者超載車輛比較多而導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。相關(guān)資料表明，與新建工程相比，加固工程可較大幅度的節(jié)約投資以及縮短工期，同時(shí)項(xiàng)目的投資回收速度也比新建工程快得多。在此形勢下，作為一種新興的加固材料，碳纖維布由于質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于鋼筋混凝土梁的加固。

1 CFRP加固優(yōu)勢

現(xiàn)在有很多種加固方法已經(jīng)運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的檢測加固及修復(fù)領(lǐng)域，常見的有增加截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、和粘貼復(fù)合材料加固法等。

增加截面法，顧名思義也就是增加構(gòu)件的截面面積，從而提高構(gòu)件承載能力。這種加固方法施工簡單，技術(shù)比較成熟，有一定可靠性，而且加固之后構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性有所提高。在混凝土和磚混結(jié)構(gòu)的梁、板等構(gòu)件加固中應(yīng)用比較廣泛。不過，該法對(duì)生產(chǎn)和生活會(huì)造成影響，因?yàn)楝F(xiàn)場需要大量濕作業(yè)，與此同時(shí)養(yǎng)護(hù)時(shí)間長，并且截面一旦增加，原結(jié)構(gòu)的外形和使用空間會(huì)受到影響。

為了克服上述缺點(diǎn)，外包剛加固法應(yīng)運(yùn)而生，它將型鋼包裹在混凝土等構(gòu)件的四角或兩面，能在構(gòu)件截面尺寸增加不多的情況下，較大程度地提高構(gòu)件的承載能力。而且此法現(xiàn)場工作量少，施工方便，受力可靠，可以用在梁柱和桁架等的加固。不過鋼材用量較大，費(fèi)用較高，而且研究表明對(duì)結(jié)構(gòu)剛度沒有太大影響。

預(yù)應(yīng)力加固法則從內(nèi)力分布情況入手，將原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布，使結(jié)構(gòu)原有應(yīng)力水平下降，通過外設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿或撐桿對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體進(jìn)行加固，間接提高結(jié)構(gòu)的承載能力。此加固方法不改變使用空間，而且可以消除應(yīng)力滯后現(xiàn)象，從而加固效果比較理想。但是預(yù)應(yīng)力的施加設(shè)備和錨固存在一定風(fēng)險(xiǎn)，主要在結(jié)構(gòu)跨度比較大時(shí)會(huì)派上用場。

在繁多加固方法中，碳纖維布加固脫穎而出，將類似于玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等纖維復(fù)合材料粘貼到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加固。纖維材料自重輕，厚度僅為2mm左右，施工過程中容許操作期限較長，施工影響較小。柔韌性優(yōu)良，能靈活的用于各種工程結(jié)構(gòu)中，包裹各種各樣形狀的構(gòu)件，而且?guī)缀醪辉黾訕?gòu)件截面。耐久性良好，可重復(fù)利用。

碳纖維布加固抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到3000MPa左右，能比普通鋼筋高出10倍；彈性模量略高于鋼筋，目前國內(nèi)外研究較多，現(xiàn)已用于梁、板、柱、橋梁、屋架等多種結(jié)構(gòu)的加固，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

2 CFRP加固梁的破壞形式

文明才通過兩組共11根連續(xù)梁進(jìn)行不同的加固及荷載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)加固后的連續(xù)梁破壞形式主要有兩種：（1）纖維布拉斷破壞，外荷載施加在纖維布加固梁上時(shí)，先是受拉鋼筋屈服，隨著外荷載的增加，纖維布被拉斷，隨之受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件完全破壞，這種破壞形式類似于鋼筋混凝土適筋梁破壞形式。（2）纖維布剝離破壞，隨著外荷載的增加，構(gòu)件還沒有達(dá)到正截面承載力極限值之前，混凝土與纖維布的粘結(jié)遭到破壞，纖維布剝落，上面覆蓋著部分混凝土。此種破壞形態(tài)產(chǎn)生的主要原因?yàn)榛炷帘砻娴募魬?yīng)力和正應(yīng)力的組合作用引起水平裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，最終混凝土被拉下。

付巧云等人也通過試驗(yàn)研究得到類似的結(jié)論。大量研究表明CFRP加固后，混凝土梁的破壞形式主要有三種，即碳纖維布拉斷破壞、受壓區(qū)混凝土壓碎破壞和碳纖維布粘接破壞，理論研究主要以前兩種破壞為主，應(yīng)盡量避免第三種破壞形式，通常采用兩端粘貼U型箍來錨固。

3 CFRP加固后對(duì)混凝土梁性能的影響

3.1 承載能力

已有實(shí)驗(yàn)研究表明，碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有所提高。其中開裂荷載的提高不明顯，而極限荷載的提高最顯著。在混凝土開裂前，CFRP的高性能得不到發(fā)揮，它僅對(duì)混凝土起一定的約束作用，故其對(duì)開裂荷載影響不大。而當(dāng)混凝土開裂后，尤其是鋼筋屈服后，混凝土梁所受的荷載主要有CFRP承擔(dān)，它的高強(qiáng)性能得到發(fā)揮，因此加固后的混凝土梁的極限荷載顯著提高。

3.2 剛度和裂縫

王春陽通過5根試驗(yàn)梁（其中1根是未加固的對(duì)比梁）的破壞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在加載初期，所有的梁撓度幾乎一致，但是當(dāng)縱向鋼筋屈服之后，沒有加固的梁撓度急劇增加，而加固梁的撓度增長則相對(duì)緩慢，最終加固之后梁的撓度要比沒有加固梁的撓度減小10%-40%?？梢姡?jīng)過CFRP加固后，混凝土的約束作用有所增加，強(qiáng)度得到一定提高，從而改善混凝土梁的剛度。

同時(shí)，CFRP加固還會(huì)抑制裂縫的發(fā)展。值得關(guān)注的是，CFRP加固之后梁的裂縫發(fā)展只是得到一定程度抑制，并不能避免裂縫的發(fā)生。產(chǎn)生裂縫后，沒有經(jīng)過加固的混凝土梁的裂縫發(fā)展迅速，而且裂縫的寬度和間距都比較大；而CFPR加固后的混凝土梁裂縫發(fā)展則比較遲緩，并且寬度和間距都小了很多。

3.3 應(yīng)變

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：加固之后，混凝土梁的應(yīng)變有大幅度降低，特別是在開裂以后，由于碳纖維布承擔(dān)了其中一部分應(yīng)力，混凝土梁的變形得到有效的限制。碳纖維布使得加固梁縱向鋼筋的應(yīng)變滯后于未加固梁的應(yīng)變，這種滯后現(xiàn)象在加載初期并不明顯，隨著荷載的增大而逐漸顯著?？傊瑢?duì)于加固后的混凝土梁，碳纖維應(yīng)變和混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢基本一致，碳纖維布與梁一起變形，可有效約束約束梁的應(yīng)變。

4 影響CFRP加固效果的因素

研究發(fā)現(xiàn)，加固時(shí)碳纖維布粘貼的層數(shù)越多，梁開裂荷載的提高就越明顯，但是值得注意的是極限荷載提高的程度與碳纖維布粘貼層數(shù)并不是成正比的。

當(dāng)碳纖維布加固預(yù)裂梁時(shí)，提高加固之后梁的極限承載力的方法有以下幾種：其一增加其配筋率和截面高度，其二保護(hù)層厚度，這兩種方法中增加截面高度的效果比較明顯，而減少保護(hù)層厚度的效果不太明顯。預(yù)裂梁的預(yù)裂程度或開裂程度對(duì)加固梁的極限承載能力沒有太大影響。但是加固之后梁的鋼筋應(yīng)變及截面剛度提高程度明顯有差別，預(yù)裂程度越大，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變及撓度的降低越多，加固效果就更為明顯。

增加配筋率和截面高度都會(huì)降低加固梁的撓度，但效果不太明顯，但是配筋率對(duì)提高加固梁整體延性的效果較好。值得注意的是，粘貼碳纖維布的層數(shù)越多，其有效利用率就越低。對(duì)于預(yù)裂梁的加固，提高配筋率和增加截面高度都可以降低混凝土應(yīng)變和提高碳纖維布的利用率，相比較而言提高配筋率的效果更明顯一些。

5 結(jié)束語

碳纖維布具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能，是一種理想的加固修復(fù)材料。當(dāng)前針對(duì)碳纖維布加固對(duì)抗彎性能的影響等已有不少研究，相對(duì)而言，關(guān)于連續(xù)梁的研究不是很多，值得繼續(xù)深入研究。

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作者簡介：杜秀麗，女，山東淄博人，碩士研究生，助教，研究方向：橋梁與隧道工程。

范曉鵬，男，山東濰坊人，碩士研究生，助教，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。