朱雷，許清風，張富文

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粘貼膠合竹板加固鋼筋混凝土梁試驗

朱雷，許清風，張富文

(上海市建筑科學研究院上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海，200032)

對7根鋼筋混凝土梁(RC梁)粘貼膠合竹板加固的對比試驗進行研究，其中2根為對比試件，1根為彎剪區(qū)粘貼碳纖維增強復合材料(CFRP)布抗剪加固試件，4根為梁底粘貼5~20 mm厚膠合竹板抗彎加固和彎剪區(qū)粘貼CFRP布抗剪加固試件。研究結(jié)果表明：梁底粘貼膠合竹板加固RC梁的極限受彎承載力提高16%~118%，平均為62%；極限位移降低59%~80%，平均為69%。粘貼膠合竹板加固試件跨中截面應變?nèi)曰痉掀浇孛婕俣?，彎曲剛度隨粘貼膠合竹板厚度的增加而增加。粘貼膠合竹板加固混凝土梁的理論計算和有限元分析(FEA)結(jié)果均與試驗值吻合較好。

鋼筋混凝土梁；加固；膠合竹板；承載力

混凝土梁常因過載或耐久性損傷導致受彎承載力不能滿足要求，需進行加固?；炷亮嚎箯澕庸谭椒òㄔ龃蠼孛婕庸谭?、置換混凝土加固法、外加預應力加固法、外粘型鋼加固法、粘貼FRP加固法、粘貼鋼板加固法、增設支點加固法等[1]，其中增設支點加固法將影響建筑的使用功能，而其他加固方法均需采用高耗能加固材料，制約既有建筑改造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。竹材是一種可再生的生物質(zhì)材料，再生能力強且成熟期較短，具有抗拉強度高、材質(zhì)均勻、高強重比、穩(wěn)定性好、耐磨等突出優(yōu)點，且竹材使用壽命終止后可自然降解，不會對環(huán)境造成污染，是一種低碳材料，在國內(nèi)外建筑領域一直有所應用。Chung等[2?3]進行竹腳手架中竹材基本力學性能的系列試驗研究，表明隨著含水率增加竹材基本力學性能顯著劣化，竹柱屈曲常是竹腳手架倒塌的重要原因。Ghavami[4?5]進行竹筋混凝土構(gòu)件的試驗研究，表明竹筋混凝土梁的極限承載力較素混凝土梁提高4倍，并建議竹筋配筋率為3%較為合理。Amada等[6]對竹材的斷裂性能進行研究，表明竹材斷裂性能與竹纖維的密度密切相關。此外，Chand等[7]研究竹材的高應力磨損性能，Lo等[8?9]研究竹材密度和微觀結(jié)構(gòu)對其力學性能的影響。近年來，隨著我國對節(jié)能減排和環(huán)境保護的日趨重視，竹材應用的研究也得到重視。龍激波等[10]進行竹筋混凝土在熱濕變化作用下的熱濕應力變化與破壞研究。呂清芳等[11]進行膠合竹柱和膠合竹梁的試驗研究，提出相應的設計方法。肖巖等[12]研究膠合竹材的基本物理力學性能、輕型膠合竹結(jié)構(gòu)的構(gòu)造處理和抗震設計方法。魏洋等[13]介紹膠合竹梁的破壞形態(tài)，并得出其符合平截面假定。此外，竹材還在土質(zhì)邊坡、生土墻體、腳手架和模板中得到日益廣泛的應用。本文作者針對混凝土梁受彎承載力不足的工程常見問題，進行粘貼竹板加固混凝土梁的試驗，研究其加固效果及作用機理。

1 試件設計

鋼筋混凝土梁(RC梁)試件長×寬×高均為150 mm×250 mm×2 000 mm。受拉區(qū)縱筋為312(即縱筋數(shù)量為3根，下部鋼筋直徑為12 mm)，受壓區(qū)縱筋為212；跨中箍筋為6@200(即直徑為6 mm一級鋼筋，間距為200 mm)，端部箍筋加密為6@100，試件配筋見圖1所示。試件共7根，對比試件編號為DB1~DB2，加固試件編號為B4~B8。根據(jù)文獻[14]所得的結(jié)果，為防止加固混凝土梁在彎剪區(qū)發(fā)生剪切破壞，在B4~B8的兩側(cè)彎剪區(qū)均粘貼3層豎向300 g的(名義厚度為0.167 mm)碳纖維增強復合材料(CFRP)布。其中B4僅在彎剪區(qū)粘貼3層豎向CFRP布；B5~B8分別先在梁底跨內(nèi)粘貼1層5 mm厚橫壓、1層5 mm厚側(cè)壓、1層5 mm厚橫壓加1層5 mm厚側(cè)壓及1層20 mm厚側(cè)壓膠合竹板，再在彎剪區(qū)粘貼3層豎向CFRP布。試件加固前對混凝土梁底面和彎剪區(qū)進行表面打磨和清潔處理，并對竹板表面進行清潔處理。試件特征如圖2所示。

單位：mm

單位：mm

(a) 對比試件DB1和DB2；(b) B4彎剪區(qū)粘貼CFRP布抗剪加固對比試件；(c) B5梁底跨內(nèi)粘貼1層5 mm厚橫壓竹板；(d) B6梁底跨內(nèi)粘貼1層5 mm厚側(cè)壓竹板；(e) B7梁底跨內(nèi)粘貼1層5 mm厚橫壓+1層5 mm厚側(cè)壓竹板；(f) B8梁底跨內(nèi)粘貼1層20 mm厚側(cè)壓竹板 (注：B5~B8均先在梁底粘竹板再在彎剪區(qū)粘貼CFRP布)

圖2 試件示意圖

Fig. 2 Schematic diagrams of test specimens

2 試驗概況

2.1 試驗材料

選用工廠化生產(chǎn)的竹板，當成型方式為橫壓時厚度為5 mm，成型方式為側(cè)壓時厚度為20 mm。實測為5 mm厚的橫壓竹板抗拉強度平均值為101 MPa，彈性模量為9 236 MPa；5 mm厚側(cè)壓竹板抗拉強度平均值為100 MPa，彈性模量為9 530 MPa。

粘貼膠合竹板(包括橫壓和側(cè)壓)的加固步驟與粘鋼加固方法類似：先將混凝土梁底面打磨并清潔處理；膠合竹板表面清潔處理；將粘鋼膠涂抹在膠合竹板表面；將膠合竹板粘貼到混凝土梁底面；用U型箍或夾具進行固定；最后進行適當養(yǎng)護。

2.2 位移計和應變片布置

為了解受力過程中混凝土梁的變形情況，在試件跨中和支座布置位移計；為了解鋼筋、混凝土和加固竹板等的變形情況，在相應位置布置應變片。位移計和應變片讀數(shù)采用DH3817動態(tài)應變測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。試件應變片和位移計布置位置如圖3所示。

2.3 加載制度

試件采用液壓千斤頂三分點加載，荷載通過分配梁傳遞，試驗加載裝置如圖4所示。為消除系統(tǒng)誤差，正式試驗前先對試件進行預加載。正式加載采用單調(diào)加載，每根梁的試驗時間為20~30 min。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

當荷載增加至11.0 kN時，對比試件DB1在跨中出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，裂縫數(shù)量和裂縫寬度均增加；當荷載增加至60.0 kN時，在彎剪區(qū)出現(xiàn)斜裂縫；當荷載增加至110.0 kN時，跨中撓度迅速增加；當荷載增加至125.6 kN時，跨中受彎裂縫最大裂縫寬度超過2 mm，受壓區(qū)混凝土被壓碎，試件發(fā)生延性破壞。當荷載增加至16.0 kN時，對比試件DB2在跨中出現(xiàn)裂縫；隨著荷載增加，裂縫數(shù)量和裂縫寬度均增加；當荷載增加至65.0 kN時，在彎剪區(qū)出現(xiàn)斜裂縫；當荷載增加至107.0 kN時，跨中撓度迅速增加；當荷載增加至121.7 kN時，跨中受彎裂縫最大裂縫寬度超過2 mm，受壓區(qū)混凝土被壓碎，試件發(fā)生延性破壞。

在加固試件B4彎剪區(qū)粘貼3層CFRP布，當荷載增加至16.0 kN時，B4的跨中出現(xiàn)裂縫；隨著荷載增加，中間區(qū)域裂縫增多，并向上展開；當荷載增加至120.3 kN時，受壓區(qū)混凝土被壓碎，試件被破壞。

在加固試件B5板底粘貼1層5 mm厚橫壓膠合竹板，當荷載增加至24.0 kN時，B5的跨中區(qū)域出現(xiàn)裂縫；隨著荷載增加，純彎區(qū)出現(xiàn)多條裂縫，并向上展開；當荷載增加至135.0 kN時，試件發(fā)出明顯聲響。當荷載增加至157.6 kN時，伴隨明顯的斷裂聲響，跨中位置竹板斷裂，試件被破壞，受壓區(qū)混凝土未被壓碎。

在加固試件B6板底粘貼1層5 mm厚側(cè)壓膠合竹板，當荷載增加至23.0 kN時，B6的跨中出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，裂縫增多、增寬；當荷載增加至129.0 kN時，試件發(fā)出明顯聲響；當荷載增加至144.1 kN時，伴隨竹板斷裂聲，跨中位置竹板拉斷，試件被破壞。

單位：mm

單位：mm

在加固試件B7板底粘貼1層5 mm厚橫壓膠合竹板和1層5 mm厚側(cè)壓膠合竹板，當荷載增加至 27.0 kN時，在B7跨中出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，裂縫增多、增寬；當荷載增加至153.0 kN時，試件開始發(fā)出聲響。當荷載增加至230.9 kN時，伴隨巨大聲響，試件跨中區(qū)域兩層竹板同時斷裂，試件被破壞。

在加固試件B8板底粘貼1層20 mm厚側(cè)壓膠合竹板，當荷載增加至27.0 kN時，在B8跨中出現(xiàn)裂縫，隨荷載增加，裂縫增多、增寬；當荷載增加至180.0 kN時，試件開始發(fā)出輕微聲響；當荷載增加至269.4 kN時，南側(cè)彎剪區(qū)內(nèi)竹板斷裂，試件發(fā)生剪切破壞。去除試件B8彎剪區(qū)粘貼的CFRP布后發(fā)現(xiàn)，B8的兩側(cè)彎剪區(qū)均出現(xiàn)明顯的剪切裂縫。同時去除試件B4~B7彎剪區(qū)粘貼的CFRP布，未在彎剪區(qū)發(fā)現(xiàn)裂縫。

對比試件DB1和DB2、試件B4和試件B5~B7均發(fā)生彎曲破壞，而試件B8發(fā)生剪切破壞。

裂縫發(fā)展如圖5所示，試件破壞特征如圖6所示。

3.2 荷載?位移曲線

試件的荷載?位移曲線對比如圖7所示，主要試驗結(jié)果如表1所示。

由圖7和表1可知：1)僅在彎剪區(qū)粘貼3層豎向CFRP布的試件B4極限荷載與對比未加固試件DB1和DB2相近，開裂荷載有所提高，極限位移有所降低。2)粘貼竹板加固試件的開裂荷載顯著提高，提高幅度為70%~100%，平均為87%。3)粘貼竹板加固試件極限荷載提高16%~118%，平均為62%；極限位移顯著降低59%~80%，平均為69%。

根據(jù)實測的?曲線，用能量等效面積法計算試件的名義屈服位移y[15]，再用荷載下降至0.85u的極限位移u來計算各試件的延性系數(shù)，計算結(jié)果見表1和圖8。

由圖8可知：1)僅在彎剪區(qū)粘貼豎向CFRP布進行抗剪加固的試件B4的延性系數(shù)與未加固對比試件DB1和DB2相當；2)而在梁底粘貼竹板加固的試件B5~B8延性系數(shù)明顯增加，但增加幅度隨著竹板厚度增加而降低。

試件：(a) B4; (b) B5; (c) B6; (d) B7; (e) B8

3.3 應變分析

3.3.1 跨中截面沿截面高度應變變化

典型加固試件跨中截面沿截面高度的應變變化如圖9所示。

由圖9可知：梁底粘貼竹板加固試件跨中截面應變在開裂前符合平截面假定；開裂后隨著受拉區(qū)混凝土開裂，試件中和軸上升，跨中截面仍基本符合平截面假定。

3.3.2 跨中邊緣應變變化

粘貼竹板加固試件跨中受拉邊緣和受壓邊緣的應變對比見圖10所示。其中1號應變片位于跨中受壓邊緣中心，9號應變片于跨中竹板受拉邊緣中心。

試件：(a) DB1; (b) DB2; (c) B4; (d) B5; (e) B6; (f) B7; (g) B8

由圖10可知：加固試件的彎曲剛度隨著竹板厚度的增加而增加；在相同荷載作用下，竹板厚度較厚的加固試件受拉邊緣拉應變和受壓邊緣壓應變均明顯小于竹板厚度較薄的加固試件。

試件：1—B4; 2—B5; 3—B6; 4—B7; 5—B8; 6—DB1; 7—DB2

表1 主要試驗結(jié)果

注：cr為開裂荷載，u為極限荷載，u提高幅度為各試件B4~B8極限荷載與DB1和DB2平均值的對比；m為試件達到u時的位移；y為名義屈服位移；u為荷載下降至0.85u時的極限位移；為延性系數(shù)=u/y。

圖8 試件延性系數(shù)對比圖

試件：(a) B5；(b) B8

試件：1—B5-1; 2—B5-9; 3—B6-1; 4—B6-9; 5—B7-1; 6—B7-9; 7—B8-1; 8—B8-9

4 理論計算與數(shù)值分析

以DB1，DB2和B4~B6為例，分別采用理論計算及有限元分析(FEA)對粘貼竹板加固鋼筋混凝土梁的受力性能進行分析?？紤]到橫壓和側(cè)壓竹板材性試驗中獲取的抗拉強度及彈性模量無明顯差異，因此，統(tǒng)一取各參數(shù)平均值，即竹板抗拉強度bu=100.5 MPa，彈性模量b=9 383 MPa。

4.1 理論計算

4.1.1 各試件受彎承載力計算

為便于各試件的受彎承載力計算，首先做出如下假定：外貼竹板與梁底混凝土沒有相對滑移，且跨中截面平均應變符合平截面假定；竹板的受拉應力應變關系可以按理想化的線彈性關系來分析；受拉區(qū)混凝土的工作忽略不計，同時不考慮膠層的抗彎貢獻。

對于對比試件DB1，DB2及加固試件B4，受彎承載力可按GB 50010—2010“混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范”[16]進行計算，其中等效受壓區(qū)高度13.92 mm＜50 mm，按照文獻[16]規(guī)定取，可得截面名義極限彎矩26.67 kN?m，其中各參數(shù)含義如下：c為混凝土軸心抗壓強度；為混凝土梁寬度；y和s分別為混凝土梁受拉區(qū)鋼筋的抗拉屈服強度和截面面積；和分別為混凝土梁受壓區(qū)鋼筋的的抗拉屈服強度和截面面積；0為截面有效高度；為受壓區(qū)縱筋合力點至截面受壓邊緣的距離。實際上，此時求得的為混凝土梁的屈服彎矩，隨著裂縫的展開，梁底鋼筋應變不斷增大，應力也由屈服應力y=393 MPa向極限應力u=528 MPa增加，不考慮內(nèi)力臂的伸長和局部混凝土的壓碎，對于雙筋矩形截面梁理論上可達到的極限彎矩接近為35.83 kN?m。因此，由受彎承載力可求得的最大豎向荷載119.4 kN，其中c為梁凈跨。

對于加固試件B5和B6，其彎曲破壞可能存在3種模式，第1種為竹板拉斷引起的彎曲破壞，第2種為混凝土壓碎引起的彎曲破壞，第3種為鋼筋拉斷引起的彎曲破壞。由于鋼筋的極限拉應變遠大于本文選用竹板的極限拉應變，因此，試驗中第3種破壞模式不會發(fā)生。為了判別加固彎曲破壞屬于第1種還是第2種破壞模式，首先需要確定混凝土截面的臨界受壓區(qū)高度，如圖11所示。由圖11可知：若混凝土達到極限壓應變的同時，竹板也剛好達到極限拉應變，則此時的混凝土受壓區(qū)高度即為臨界受壓區(qū)高度cb，對應的臨界等效受壓區(qū)高度b=0.8cb。當混凝土等效受壓區(qū)高度小于b，試件將發(fā)生第1種破壞，反之，試件將發(fā)生第2種破壞。

基于第1和2種破壞模式，得竹板加固混凝土梁受彎承載力的計算方法：

a) 由下式求得臨界等效受壓區(qū)高度b為

(a) 截面參數(shù)；(b) 截面應變；(c) 截面內(nèi)力

b) 假定試件發(fā)生竹板拉斷的破壞模式，根據(jù)下式求得等效受壓區(qū)高度為

式中：bu和b分別表示竹板的抗拉強度和截面面積。

c) 當＜b時，試件發(fā)生竹板拉斷的破壞模式，可根據(jù)下式求得截面的極限彎矩u為

當＞b時，試件發(fā)生混凝土壓碎的破壞模式，此時可根據(jù)式(4)和式(5)聯(lián)立求解極限狀態(tài)下的等效受壓區(qū)高度和竹板拉應變：

式中：b為竹板的抗拉彈性模量。

然后可由下式求得此時的截面極限彎矩u為

根據(jù)上述計算方法，可求得各試件的極限荷載，如表2所示。

4.1.2 各試件抗剪承載力計算

對比試件DB1和DB2的抗剪承載力bu可按下式[16]計算：

式中：為試件的剪跨比；t為混凝土抗拉強度；yv為箍筋抗拉屈服強度；sv為同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；為沿構(gòu)件長度方向的箍筋間距。

不考慮竹板和膠層的抗剪，試件B4~B6具有相同的抗剪承載力，可按照GB 50608—2010“纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范”[17]中給定的公式，將混凝土梁的抗剪承載力bu與碳纖維布提供的抗剪承載力bf進行疊加，即

式中：v為二次受力影響系數(shù)；f為FRP片材條帶寬度；f為單側(cè)FRP片材的總厚度；f為FRP片材條帶凈間距；f,vd為FRP片材的有效拉應力設計值；f為FRP片材的粘貼高度；為FRP纖維方向與梁軸線的夾角。各參數(shù)的計算方法詳見文獻[17]。

4.1.3 各試件的極限承載力

表2 理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

注：*DB極限荷載試驗值為DB1和DB2的平均值。

從表2可知：對比試件和加固試件極限荷載的理論計算值與試驗值吻合較好。

4.2 有限元分析

采用有限元軟件ANSYS對粘貼竹板加固混凝土梁的受力性能進行數(shù)值分析。有限元模型采用分離式建模方式，混凝土和竹板選用SOLID65單元，鋼筋選用LINK8單元，碳纖維布采用Shell41單元，不考慮其抗壓能力，加載墊塊采用SOLID45單元。對于材料模型，采用文獻[16]定義的混凝土單軸受壓應力?應變曲線，竹板單軸受拉應力?應變曲線則定義為線彈性，同時，對混凝土和竹板定義了W?W 5參數(shù)破壞準則，并設置了其開裂強度。鋼筋單軸受拉應力?應變曲線方程采用用雙線性等向強化模型(BISO)，屈服后剛度取初始剛度的1/100，碳纖維布則設置為線彈性材料。此外，模型不考慮鋼筋與混凝土以及混凝土與竹板之間的粘結(jié)滑移，同時忽略膠層厚度。根據(jù)結(jié)構(gòu)和受荷的對稱性，取整個梁的1/2對稱部分進行建模，對稱面施加對稱約束。

有限元模型采用位移加載方式，典型試件計算結(jié)果如表3所示，各試件荷載?位移曲線計算值與試驗值的對比如圖12所示。

表3 有限元計算結(jié)果與試驗值對比

注：*DB峰值位移及極限荷載試驗值為DB1和DB2的平均值。

試件：(a) DB1和DB2；(b) B4；(c) B5和B6

由表3和圖12可知：極限承載力有限元分析結(jié)果與試驗值接近，而峰值位移具有一定偏差。

5 結(jié)論

1) DB1，DB2和B4~B7均發(fā)生彎曲破壞，而底面粘貼20 mm厚膠合竹板并在彎剪區(qū)粘貼豎向CFRP布加固的試件B8發(fā)生剪切破壞。

2) 在梁底粘貼膠合竹板加固后，加固梁開裂荷載提高70%~100%，平均為87%；極限承載力提高16%~ 118%，平均為62%；極限位移降低59%~80%，平均為69%。

3) 加固試件跨中截面應變在開裂前符合平截面假定；開裂后隨著受拉區(qū)混凝土開裂試件中和軸上升，跨中截面應變?nèi)曰痉掀浇孛婕俣?。加固試件彎曲剛度隨膠合竹板厚度增加而增加；在相同荷載作用下，膠合竹板厚度較厚加固試件B7和B8受拉邊緣拉應變和受壓邊緣壓應變均明顯小于膠合竹板厚度較薄的加固試件B5和B6。

4) 粘貼膠合竹板加固混凝土梁受彎承載力的理論計算和有限元分析結(jié)果均與試驗值吻合較好，滿足工程精度要求。粘貼膠合竹板加固鋼筋混凝土梁可根據(jù)本文方法進行設計。

5) 采用竹板代替其他加固材料符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，值得深入研究。在后續(xù)研究中可針對不同截面形式、混凝土強度和鋼筋配筋率，選擇合適厚度的竹板進行加固，并通過對竹板采取必要的防腐和防火處理，提高粘貼竹板加固混凝土梁的適用范圍。

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(編輯 劉錦偉)

Experiment of reinforced concrete beams strengthened with glubam plates

ZHU Lei, XU Qingfeng, ZHANG Fuwen

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China)

An experimental research of seven reinforced concrete beams (RC beams) was conducted, including two contrast RC beams, one RC beam shear strengthened with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strips, and four RC beams flexural strengthened with 5?20 mm thick glubam plate and shear strengthened with CFRP strips. The results show that the ultimate strength of the RC beams strengthened with glubam plates is increased by 16%?118% (with an average of 62%), while the ultimate displacement is decreased by 59%?80% (with an average of 69%). The strain distributions along the height of the strengthened RC beams at middle-span are nearly in accordance with the plane section assumption. The flexural stiffness of strengthened RC beams is increased with the increase of the thickness of the glubam plates. The bearing capacities based on the normal section analysis and finite element analysis (FEA) are all in good agreement with the test results.

reinforced concrete beams; strengthening; glubam plate; bearing capacity

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.037

TU375.1

A

1672?7207(2015)09?3437?09

2014?11?24；

2015?01?07

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAJ07B04) (Project(2012BAJ07B04) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th Five-year Plan Period)

許清風，博士，教授級高級工程師，從事工程結(jié)構(gòu)抗火與既有建筑加固改造研究；E-mail: xuqingfeng73@163.com