端部锚固预应力CFRP板加固RC梁界面剥离规律试验研究.pdf

Vo1.21 No.3June.202322工业技术与职业教育Industrial Technology&Vocational Education端部锚固预应力 CFRP 板加固 RC 梁界面剥离规律试验研究张晓彬（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）摘 要：为了明确 CFRP 板加固钢筋混凝土梁黏结界面黏结性能。采用自主研发锚具对不同预应力水平加固钢筋混凝土梁进行加固工艺及静载、疲劳试验研究，记录不同预应力水平、完好及损伤构件的加固工艺及试验过程中胶层的剥离情况。结果表明，该加固工艺简单快捷，工程应用性较强；该套锚具夹持 CFRP 板安全可靠；试件宣告破坏前，端部锚固预应力 CFRP 板加固试件静载、疲劳试验中胶层未出现大范围剥离现象；随着预应力水平的提高胶层开裂荷载显著提高，显著抑制得了胶层的剥离现象；完好试件及损伤试件加固后胶层的抗疲劳性能基本一致；相同预应力水平下和同等荷载水平下，对比静载试验和200 万次疲劳荷载作用后的静载试验，胶层开裂剥离现象无显著差异，说明胶层具有较高的抗疲劳性。关键词：CFRP 板；端部锚固；界面黏结；高预应力；胶层剥离中图分类号：TU375.1 文献标志码：B 文章编号：1674-943X(2023)03-0022-06容易产生剥离，中部裂缝剥离受到跨中弯矩作用产生，但针对不同预应力水平下 CFRP 板胶层的剥离情况研究甚少。Smith2采用 FRP 板加固 RC梁，进行 FRP 板黏结与混凝土保护层剥离的关系问题，但对带端部波纹夹板式锚具锚固作用下端部 剥 离 情 况 有 待 研 究，Carloni 等3通 过 CFRP板加固 RC 梁研究了疲劳荷载构件裂缝开展及挠度的影响。叶列平4对 CFRP 布加固受弯构件进行了剥离性能的试验研究，通过在构件底部粘贴CFRP 提高了构件的受弯承载力，剖析了构件中部弯剪裂缝引起的剥离破坏的关系。针对以上研究，本文采用自主研发的端部锚具设备夹持不同预应力水平的 CFRP 板加固钢筋混凝土扁梁，在静载0 引言黏结剂的弹性模量一般小于被加固梁材料和CFRP 板的弹性模量，这导致黏结界面成为 CFRP板加固构件最薄弱的部位。CFRP 板加固钢筋混凝土梁界面早期剥离常发生在 CFRP 板的黏结端部，胶层界面一旦剥离直接导致加固构件的失效，端部锚固预应力 CFRP 板加固钢筋混凝土梁可以显著改善胶层界面剥离状况，减小 CFRP 板应力集中，防止早期剥离破坏，改善加固构件使用性能和抗弯承载力。目前 FRP 板加固 RC 梁主要破坏模式有端部剥离破坏和中部裂缝引起的剥离破坏两种1，端部主要受剪切应力和正应力共同作用ExperimentalStudyonInterfacialDebondingofRCBeamsStrengthenedwithEnd-AnchoredPrestressedCFRPPlatesZHANG Xiaobin(Tangshan Polytechnic College,Tangshan 063299,China)Abstract：In order to clarify the bonding performance of the bonding interface of reinforced concrete beams strengthened with CFRP plates,this study used self-developed anchors to conduct reinforcement technology,static load and fatigue tests on reinforced concrete beams strengthened with different levels of prestress.The reinforcement technology of the specimens with different levels of prestress,intact and damaged components and the peeling of the adhesive layer during the test were recorded.The results show that the reinforcement technology is simple and quick,and the engineering applicability is strong;the CFRP plate holding device is safe and reliable;before the specimen is declared to be damaged,there is no large scale peeling in the static load and fatigue test of the end-anchored prestressed CFRP plate reinforced specimen;as the prestress level increases,the cracking load of the adhesive layer increases significantly,and the peeling phenomenon of the adhesive layer is significantly suppressed;the fatigue resistance of the adhesive layer after strengthening the intact specimen and the damaged specimen are basically the same;under the same level of prestress and load,there is no significant difference in the cracking and peeling phenomenon of the adhesive layer,which shows that the adhesive layer has higher fatigue resistance.Keywords：CFRP plate;end anchorage;interfacial bonding;high prestress;adhesive peeling收稿日期：2022-11-03基金项目：20222023 年度唐山工业职业技术学院院级课题“预应力 CFRP 板加固 RC 梁试验研究”（课题编号：YJKT202210），主持人张晓彬。作者简介：张晓彬（1990-），男，河北唐山人，硕士，讲师，主研方向为工程加固。第 3 期23及疲劳荷载进行有黏结条件下的截面剥离破坏行为研究。1 试验方案1.1 试件设计试验制作 6 根 RC 梁，配筋见图 1。3 根进行静载研究、3 根进行疲劳研究。试验在河北工业大学结构实验室进行。构件的加载方案见表 1。其中 JB1 为非预应力构件，JB2 为预应力水平 40%的构件，JB3 为预应力水平 60%的构件，该组构件进行静载试验；PB1 为预应力水平 40%的构件，PB2 为先损伤后施加 40%预应力的构件，PB3 为预应力水平 60%的构件，该组构件进行疲劳试验。锚具分为张拉端和固定端，靠波形齿夹具夹持锚固 CFRP 板，包括上波纹板、下波纹板。研究表明：波形齿夹具锚主要靠三种方式夹持 CFRP板，分别为黏结作用、摩擦作用及弯曲作用5，通过这三种效应可有效锚固 CFRP 板。为了防止加载过程中 CFRP 板从锚具中抽出锚具的夹持力应超过 CFRP 板的极限抗拉强度6。本试验采用结构胶分为甲乙两种组分，按 1:2 比例搅拌，搅拌后稠度较大，初凝时间为 2 h，完全固化时间约 40 h。碳纤维板规格参数为 50 mm1.8 mm，抗拉强度2 400 MPa，弹性模量为 160 GPa。试验检测的结构胶的正拉粘结强度为 4.4 MPa。CFRP 板上粘贴规格为 100 mm5 mm 电阻应变片，其中静载试验中三根梁 CFRP 板一半长度上粘贴，疲劳试验中三根梁全长粘贴，详见图 2，加载装置见图 3。（a）静载试验（b）疲劳试验图 3 加载装置张晓彬:端部锚固预应力CFRP板加固RC梁界面剥离规律试验研究表 1 加固加载方案构件编号加固方式初始拉力/kN碳纤维板初始应力/MPa荷载下、上限/kN 加载频率/Hz锚固方式JB1非预应力碳板加固-两端钢板夹持JB240%预应力碳板粘贴加固86.4 kN960-两端钢板夹持JB360%预应力碳板粘贴加固129.6 kN1 440-两端钢板夹持PB140%预应力碳板粘贴加固86.4 kN96020、555两端钢板夹持PB2先损伤后加固40%预应力加固86.4 kN96020、555两端钢板夹持PB360%预应力碳板粘贴加固129.6 kN1 44020、655两端钢板夹持图 1 试验梁截面及配筋图图 2 应变测量布置(单位：mm)第 21 卷24工业技术与职业教育(e)锚具梁底安装(f)预应力张拉图 4 加固程序2 结果分析2.1 现象分析JB1 构件加至 28 kN 时，第一条裂缝出现在构件跨中位置，CFRP 板应变突然增加至 140 kN 时，听到 CFEP 板开裂的声音，继续加载，CFRP 板剥离位置逐渐向构件的端部发展。加载至 144 kN 时，荷载无法保持，而构件跨中挠度、裂缝宽度逐渐增长，此时宣告构件达到极限状态。JB2 构 件 加 载 至 155 kN 时，钢 筋 应 变 为2 256 ，此时加载荷载出现下降，说明钢筋开始屈服。跨中挠度下降 29.62 mm 时，此时三分点处最大裂缝宽度为 1.5 mm，宣告加固构件破坏。JB3 构件加载至 164 kN，CFRP 板出现劈断现象，构件出现交叉裂缝并在梁底出现掉渣现象。继续加载至 195 kN 时构件一处裂缝宽度为1.5 mm，此时宣告构件破坏。PB1 构件 1、2 万次疲劳过程中裂缝发展较快，5 万次疲劳过程中裂缝发展缓慢，10 万次疲劳之后三分点处裂缝略有发展，其他位置裂缝无明显发展，过程中均未出现胶层开裂及剥离现象。200 万 次 疲 劳 荷 载 后 进 行 静 载，当 荷 载 至135 kN 时，钢筋应变为 2 336 。随后 CFRP 板少许劈裂。当跨中下降 33.27 mm 时最大裂缝宽度为 1.5 mm，宣告试件破坏，该过程中 CFRP 板出现局部剥离，未出现显著通长剥离现象。加载至190 kN 时 CFRP 板在张拉锚具处被拉断，宣布试验破坏。PB2 构件在疲劳前静载阶段当加载到 28 kN1.2 试件制作加固试验最关键的步骤就是加固工艺流程，为确保加固效果，本试验须严格按照以下流程进行操作，具体步骤如下。1）梁体翻转：将待加固构件进行翻转；2）划线定位：用墨盒在梁底进行定位划线，确保打孔位置的精度；3）钻孔植栓：采用冲击钻对预定位置进行打孔处理，植入高强度螺栓并；4）梁底处理：采用角磨机对梁底进行打磨，保证平整度，然后用酒精进行清洗；5）安装钢板：先安装液压反力架，放入千斤顶，调节夹具与锚具的角度以免造成应力集中；6）涂抹结构胶：用丙酮擦拭 CFRP 板，在CFRP 板上和梁底进行结构胶涂抹；7）碳纤维板张拉：进行 CFRP 板张拉，并通过观察传感器显示器读数进行张拉控制，详见图 4。（a）梁底砂纸打磨(b)锚固 CFRP 板(c)梁底摸胶(d)CFRP 板摸胶第 3 期25（e）剥离破坏（f）CFRP 板拉断图 5 试验现象2.2 CFRP 板应变分布图 6 为 CFRP 应变与距支座距离关系曲线。由图可见 JB1 梁、JB2 梁、JB3 梁 CFRP 板应变随着荷载的增加不断变大。出现裂缝后，CFRP 板应变值最大值在裂缝附近，在主裂缝处钢筋与混凝土之间的黏结力逐渐消退，应力由混凝土传递给钢筋，截面处钢筋和 CFRP 板应变增大。CFRP 板受两端锚具的约束及结构胶提供的剪力约束，试验梁底面胶体开裂后，该截面处 CFRP 板产生应力集中，因此该位置处 CFRP 板应变较大。采用该套锚具的六根试验梁中 JB1 梁临近极限荷载时存在显著剥离现象，其余试件均未出现显著大范围剥离破坏，说明该套锚具可靠性强。JB1 梁加载至 60 kN 时，三分点裂缝处产生胶层微小开裂现象，JB2 梁加载至 72 kN 时，跨中裂缝处产生胶层微小开裂现象，JB3 梁加载 79 kN 时，跨中裂缝处胶层产生微小开裂现象，直到破坏前胶层均未出现通长剥离现象，极限荷载后继续加载，最终 CFRP 板被拉断后三根试件均有局部剥离现象，这说明随着预应力水平的提高胶层剥离荷载显著提高，相比于 JB1 梁，JB2梁的剥离荷载提高了 20%，JB3 梁的剥离荷载提高了 32%。相比于静载试验，疲劳试验中三根试验梁CFRP 板上应变片通长粘贴，以满足全长采集 CFRP板应变。图 6 所示的 PB1 梁、PB2 梁、PB3 梁在不同环荷载下不同峰值时的应变分布可见：同一循环荷载作用下，CFRP 板应变分布在三分点和跨中处为三个时原有裂缝再次开裂，经过一定疲劳次数后，试件 PB2 的裂缝发展情况和试件 PB1 裂缝发展基本一致。200 万 次 疲 劳 荷 载 后 进 行 静 载，荷 载 达142 kN 时，钢 筋 应 变 为 2 380 ，此 时 荷 载值下降，说明钢筋开始屈服。当梁跨中挠度为33.8 mm 时，三分点处最大裂缝宽度为 1.5 mm，宣告试件破坏，该过程中 CFRP 板出现局部剥离，未出现显著通长剥离现象。继续施加荷载，最终 CFRP 板被拉断，宣布试验破坏。PB3 构件疲劳 10 万次之前裂缝、挠度发展显著，十万次之后裂缝、挠度无明显变化。200 万 次 疲 劳 荷 载 后 进 行 静 载，加 载 至150 kN 时，构件跨中钢筋应变为 2 314 ，钢筋开始屈服，宣告试件破坏，该过程中 CFRP 板出现局部剥离，未出现显著通长剥离现象，详见图 5。（a）锚具处 CFRP 板被拉断（b）梁底裂缝贯通（c）剥离现象（d）边缘细丝劈断张晓彬:端部锚固预应力CFRP板加固RC梁界面剥离规律试验研究第 21 卷26工业技术与职业教育峰值点，向两端逐渐减小，这主要是因为三分点和跨中裂缝存在而产生了较大的应力集中，这一点三根试件规律一致。疲劳试验过程中三根试件均未出现胶层开裂、剥离现象。（a）JB1 梁（b）JB2 梁(c)JB3 梁（d）PB1 梁（e）PB2 梁（f）PB3 梁图 6 CFRP 板应变沿轴向分布张拉完成后 PB1、PB2、PB3 的 CFRP 板应变分别是 5 271 、5 296 、7 615 ，记录张拉数据，对数值进行清零处理，疲劳一定次数后停止并进行静载试验，得到的 CFRP 板荷载-应变的曲线如图 7 所示。由图可知，随着荷载水平提高 CFRP 板应变线性增长，这说明 CFRP 板与混凝土协同工作，胶体未剥离。不同疲劳次数下，构件 PB1、PB2、PB3 的荷载CFRP 应变关系仍近似呈线性关系；随着循环次数的增加残余应变不断积累，前期积累较快，后期几乎无变化，说明疲劳破坏痕迹主要产生在试验前期，试验后期破坏痕迹积累少。（a）PB1 梁第 3 期27（b）PB2 梁（c）PB3 梁图 7 跨中 CFRP 板应变2.3 裂缝发展情况构件最大裂缝宽度与循环荷载关系如图 8 所示，加固构件最大裂缝宽度发展可分为两个阶段，第一阶段为裂缝的快速阶段，集中在循环荷载前期，主要由构件内部细微裂缝的产生；第二阶段为平缓阶段，主要在后期。最大裂缝宽度发展规律如下。1)疲劳加载前，荷载水平为 55 kN 时比较三个构件的最大裂缝宽度，从大到小依次为构件 PB2、构件 PB1、构件 PB3。说明随着预应力水平增大，最大裂缝宽度减小；相比于完好构件，损伤构件的最大裂缝宽度较大。2)循环荷载次数 10 万后，最大裂缝宽度均缓慢发展，构件PB1和PB2的最大裂缝宽度基本一致，说明损伤构件与完好构件的加固效果一致；加固构件 PB3 比 PB1 的最大裂缝宽度小 58.3%，预应力越大裂缝宽度越小。3)疲劳加载前，加载至 55 kN 时，构件 PB1、PB2、PB3 最大裂缝宽度依次为 0.10 mm、0.15 mm、0.05 mm，10 万次循环荷载作用后最大裂缝宽度依次 为 0.43 mm、0.45 mm、0.17 mm，10 万 次 循 环荷载作用后加固构件无明显损伤，结构胶胶体无明显开裂剥离现象。3 结论通过试验研究，采用 CFRP 板加固 RC 梁的加固效果显著，取得了较好预期效果，具有广阔的应用前景。图 8 裂缝宽度曲线1）该加固工艺简单快捷，工程应用性较强，该套锚具夹持 CFRP 板安全可靠。2）完好试件及损伤试件加固后胶层的抗疲劳性能基本一致，相同预应力水平下，对比静载试验和 200 万次疲劳荷载作用后的静载试验，胶层未出现显著的开裂剥离现象。3）随着荷载等级的提高 CFRP 板应变逐渐增加且呈线性增长趋势，这说明梁底碳纤维板与混凝土的黏结性能良好、没有出现明显的剥离现象。试件PB1、PB2、PB3 在疲劳荷载作用下荷载CFRP 应变关系仍近似呈线性关系；在疲劳荷载作用下 CFRP板会产生一定的残余应变，随着循环次数的增加残余应变逐渐积累，其中残余应变主要在 01 万阶段产生。4）随着预应力水平的提高胶层开裂荷载显 6 著提高，显著抑制了胶层的剥离现象。相比于 JB1 梁，JB2 梁的剥离荷载提高了 20%，JB3 梁的剥离荷载提高了 32%；荷载 55kN 时，试件 PB3 的最大裂缝宽度比试件 PB1 的最大裂缝宽度小 58.3%，说明预应力水平的提高可以显著抑制加固试件的裂缝发展，说明预应力 CFRP 板加固试件经过 200 万次疲劳荷载后胶体黏结性能无显著退化。1 王龙龙,韩艳,刘志浩.外贴 CFRP 板加固混凝土结构试 验研究 J.四川建材,2020,46(2):18-19.2 SMITH ST,TENG JG.Shear-Bending interaction in debonding failures of FRP-Plated RC beams.Advances in Structural Engineering,2003,6(3):183-199.3 CARLONI C,SUBRAMANIAM K V,SAVOIA M,et al.Experimental Determination of F P-concrete Cohesive Interface Properties under Fatigue LoadingJ.Composite Structures,2012,94(4):1288-12964 叶列平，岳清瑞.碳纤维布在混凝土梁受弯加固中抗剥离 性能的试验研究.建筑结构，2003(2)：61-65.5 卓静,李唐宁.波形齿夹具锚在碳纤维片材加固技术及预 应力技术中应用研究 J.公路交通技术,2005(S1):100-104.6 赵少伟,欧高龙,李春明,等.预应力碳纤维板加固钢筋 混凝土梁的张拉锚具研究 J.山东科技大学学报(自然 科学版)，2015,34(5):27-31.张晓彬:端部锚固预应力CFRP板加固RC梁界面剥离规律试验研究