龔爽 彭暉 粟淼 張建仁 鐘卿瑜

摘要：針對(duì)表層嵌貼預(yù)應(yīng)力 CFRP加固梁因黏結(jié)端部應(yīng)力集中導(dǎo)致混凝土保護(hù)層易剝離破壞的問(wèn)題，提出了在 CFRP 端部設(shè)置梯度預(yù)應(yīng)力的構(gòu)造措施，并通過(guò)構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)研究了梯度錨固預(yù)應(yīng)力 CFRP加固梁的靜載和疲勞性能.試驗(yàn)結(jié)果表明：在靜力荷載作用下，梯度錨固預(yù)應(yīng)力 CFRP加固梁極限荷載較普通表層嵌貼預(yù)應(yīng)力 CFRP加固梁最大提高35.06%，破壞模式由端部保護(hù)層剝離破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo(hù)層剝離與 CFRP 斷裂復(fù)合破壞，梯度錨固預(yù)應(yīng)力 CFRP加固顯著提高了 RC 梁的靜載性能，且有明顯的黏結(jié)應(yīng)力峰值傳遞現(xiàn)象;疲勞荷載下梯度錨固預(yù)應(yīng)力加固梁的疲勞壽命也較普通嵌貼加固梁顯著提高，且疲勞破壞模式由端部保護(hù)層剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向受拉鋼筋疲勞斷裂;梯度錨固預(yù)應(yīng)力構(gòu)造顯著增強(qiáng)了加固梁抵抗剝離破壞發(fā)生的能力，提高了加固梁疲勞性能.

關(guān)鍵詞：表層嵌貼;CFRP;梯度錨固;靜力性能;疲勞性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U447? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on Monotonic and Fatigue Behavior of RC Beams Strengthened with Gradually Anchored Prestressed NSM CFRP

GONG Shuang1，PENG Hui1，2?，SU Miao1，ZHANG Jianren1，2，ZHONG Qingyu1

（1. School of Civil Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114，China;

2. Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Department of Education（Changsha Universityof Science & Technology），Changsha 410114，China）

Abstract：The existing studies show that reinforced concrete beams strengthened with prestressed near-surface mounted （NSM） CFRP are easy to fail by concrete cover separation due to the stress concentration at the bonded end of CFRP. In this paper， the construction details of applying gradient prestress at the end of CFRP were proposed， and a series of experiments were carried out to study the load-carrying behavior of the strengthened beams under static and fatigue loads. The test results show that under static load， the ultimate load of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was increased up to 35.06%， compared with the beam strengthened with prestressed NSM CFRP. And the failure mode was changed from the concrete cover separation at bonded end into the combined failure of the concrete cover and CFRP fracture. These indicate that the strengthen method with gradually anchored prestressed NSM CFRP can significantly improve the monotonic behavior of beams， and there is an obvious bond stress peak transfer phenomenon. In addition， the fatigue life of beams strengthened with gradually anchored prestressed NSM CFRP was significantly increased， and the fatigue failure mode is changed from the concrete cover separation to the fatigue fracture of longitudinal steel bars . The details of applying gradient prestress enhances the ability of strengthened beams to resist the failure of end concrete cover， and thus improves the fatigue performance.

Key words：near-surface-mounted（NSM ）;CFRP;gradually anchored;static behavior;fatigue behavior

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer， FRP ）具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕和耐疲勞性好等優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于橋梁和建筑等工程結(jié)構(gòu)的加固及新建工程中，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP ）強(qiáng)度較高，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用最為廣泛[1-2].為提高 FRP 材料強(qiáng)度利用率，Triantafillou 等[3]對(duì) FRP 材料施加預(yù)應(yīng)力，并提出了在保證預(yù)應(yīng)力體系不發(fā)生錨固破壞條件下最大預(yù)應(yīng)力水平的分析模型;葉列平等[4]研發(fā)了 CFRP 布預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力 CFRP 布外貼加固受彎梁的試驗(yàn)研究，證實(shí)了對(duì) CFRP 布施加預(yù)應(yīng)力能有效提高加固梁的承載力，減小梁的撓度和裂縫寬度.為改善外貼預(yù)應(yīng)力 FRP 加固易發(fā)生 FRP 剝離的不足并省去 FRP 永久錨具，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將預(yù)應(yīng)力 FRP 加固技術(shù)與表層嵌貼（ Near? Surface Mounted，NSM ）技術(shù)[5-6]相結(jié)合，對(duì) FRP 先施加預(yù)應(yīng)力，再嵌入到被加固結(jié)構(gòu)的混凝土保護(hù)層內(nèi)預(yù)先開(kāi)好的槽中，并填入環(huán)氧樹(shù)脂將 FRP 黏結(jié)于混凝土上.嵌貼方式顯著擴(kuò)大了 FRP 與混凝土的黏結(jié)面積從而提高了兩者之間的黏結(jié)能力，從而單靠嵌貼 FRP-混凝土之間的黏結(jié)能力即可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力 FRP 的錨固，無(wú)需設(shè)置較昂貴的 CFRP 專(zhuān)門(mén)錨具，降低了加固成本.已有的試驗(yàn)研究表明[7-9]：表層嵌貼預(yù)應(yīng)力 FRP 加固顯著提高了受彎構(gòu)件的承載性能，有效抑制了外貼預(yù)應(yīng)力 FRP 加固中經(jīng)常出現(xiàn)的近跨中剝離，在技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望在中小跨度的混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用.

但另一方面，外貼和表層嵌貼 FRP 加固混凝土梁都容易出現(xiàn)黏結(jié)端部混凝土保護(hù)層剝離現(xiàn)象，這是因?yàn)?FRP 端部位置截面存在剛度突變，荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中.滕錦光等[10-11]提出了適用于 NSM FRP 加固梁保護(hù)層剝離破壞的強(qiáng)度模型，并驗(yàn)證了其良好的預(yù)測(cè)性能;Rezazadeh 等[12]針對(duì)端部保護(hù)層剝離破壞，假設(shè)了預(yù)應(yīng)力 FRP 端部斷面形狀，并提出用抵抗黏結(jié)長(zhǎng)度來(lái)衡量抵抗剝離破壞的能力.嵌貼 FRP 被施加預(yù)應(yīng)力后端部混凝土保護(hù)層剝離破壞現(xiàn)象更易出現(xiàn)[13-14]，并可能導(dǎo)致加固梁過(guò)早破壞.預(yù)應(yīng)力由嵌貼 FRP 向混凝土傳遞時(shí)會(huì)在其黏結(jié)端部出現(xiàn)應(yīng)力集中，加上荷載在此處引起的黏結(jié)應(yīng)力，嵌貼 FRP 端部截面的混凝土保護(hù)層更容易發(fā)生剝離.為延緩或避免預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固梁發(fā)生端部混凝土保護(hù)層剝離破壞，Motavalli等[15-16]提出了“梯度預(yù)應(yīng)力”概念，通過(guò)分級(jí)放張的方式人為增加預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度，減小傳遞長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)力集中;研制了用于外貼預(yù)應(yīng)力 CFRP 板加固實(shí)現(xiàn)梯度預(yù)應(yīng)力的樹(shù)脂快速固化設(shè)備和放張?jiān)O(shè)備，但由于設(shè)備較昂貴且使用復(fù)雜，該技術(shù)并未得到廣泛應(yīng)用.嵌貼 CFRP 的構(gòu)造及工藝使得在 CFRP-混凝土間二次或多次填充樹(shù)脂簡(jiǎn)單方便，運(yùn)用本課題組研發(fā)的碳纖維錨具、溫控養(yǎng)護(hù)設(shè)備和加固流程，并結(jié)合已有實(shí)橋加固經(jīng)驗(yàn)，將梯度預(yù)應(yīng)力與表層嵌貼加固技術(shù)相結(jié)合，有利于發(fā)揮兩者的各自?xún)?yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程中有一定的可行性和應(yīng)用前景.因此，本文通過(guò)靜載試驗(yàn)研究了梯度預(yù)應(yīng)力設(shè)置方式對(duì)加固梁靜力性能的影響，通過(guò)疲勞試驗(yàn)研究了梯度預(yù)應(yīng)力和疲勞上限荷載對(duì)加固梁疲勞性能的影響.

1研究方案

1.1梯度錨固預(yù)應(yīng)力構(gòu)造

梯度錨固預(yù)應(yīng)力是指通過(guò)分段放張預(yù)應(yīng)力的方式使梁兩端 CFRP 預(yù)應(yīng)力在一定長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)呈梯度減小.較一般預(yù)應(yīng)力加固不同，梯度錨固將放張端部的預(yù)應(yīng)力（?σ）拆分為數(shù)段，使端部 CFRP 預(yù)應(yīng)力與撓度和彎矩呈相似的變化趨勢(shì)，減小端部預(yù)應(yīng)力差及對(duì)混凝土保護(hù)層的拉應(yīng)力，并設(shè)置無(wú)預(yù)應(yīng)力黏結(jié)段（0 MPa）以提供黏結(jié)錨具的作用，提高加固梁的變形協(xié)調(diào)性和受力性能，如圖1所示.

梯度錨固預(yù)應(yīng)力的施工工藝分為以下步驟：

1）在加固區(qū)預(yù)制或開(kāi)設(shè)凹槽并清理凹槽;

2）嵌入 CFRP板條，張拉預(yù)應(yīng)力并在跨中段填入黏結(jié)劑，室溫下養(yǎng)護(hù)5～7 d;

3）該段養(yǎng)護(hù)完成后，將預(yù)應(yīng)力放張至設(shè)計(jì)梯度，填入黏結(jié)劑并養(yǎng)護(hù);

4）重復(fù)步驟3）至完成所有梯度設(shè)置.

施工過(guò)程中，CFRP預(yù)應(yīng)力以張拉端力傳感器的力控為主，CFRP 的應(yīng)變控制為輔，施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯的預(yù)應(yīng)力損失.

試驗(yàn)中施加梯度錨固預(yù)應(yīng)力的裝置如圖2所示.以梯度錨固預(yù)應(yīng)力梁 PS-LⅢ為例，具體步驟為：1）將開(kāi)槽后的試驗(yàn)梁放置于臺(tái)座內(nèi);2）嵌入 CFRP板條，使用千斤頂張拉1000 MPa預(yù)應(yīng)力，在跨中2300 mm 長(zhǎng)度內(nèi)填入黏結(jié)劑后室溫養(yǎng)護(hù);3）1000 MPa 段養(yǎng)護(hù)完成，降低預(yù)應(yīng)力至500 MPa，在1000 MPa兩端各150 mm 區(qū)段填入黏結(jié)劑并養(yǎng)護(hù);4）500 MPa段養(yǎng)護(hù)完成，降低預(yù)應(yīng)力至0 MPa，在500 MPa 兩端各150 mm 區(qū)段填入黏結(jié)劑并養(yǎng)護(hù);5）養(yǎng)護(hù)后，梯度錨固預(yù)應(yīng)力完成.

1.2試件設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了10片表層嵌貼預(yù)應(yīng)力 CFRP加固梁，其中4片試驗(yàn)梁用于研究不同端部梯度預(yù)應(yīng)力設(shè)置對(duì)加固梁靜力性能的影響;6片試驗(yàn)梁用于研究梯度錨固預(yù)應(yīng)力對(duì)加固梁疲勞性能的影響.以梁 PS-L0的靜力極限承載力作為疲勞加載依據(jù)，設(shè)置疲勞加載試件的荷載上限分別為梁 PS-L0極限荷載的50%、60%和70%，疲勞下限為荷載上限的20%.具體試件設(shè)計(jì)如表1所示，試件編號(hào)中 P代表預(yù)應(yīng)力加固，S 為靜載梁，F(xiàn) 為疲勞梁，后接數(shù)字代表疲勞荷載上限與梁 PS-L0極限荷載的比值;I 表示預(yù)應(yīng)力為500 MPa 的黏結(jié)段，Ⅱ表示預(yù)應(yīng)力為0 MPa 的黏結(jié)段，Ⅲ表示預(yù)應(yīng)力為500 MPa 與0 MPa 的組合段，U 表示設(shè)置 U 型箍，上述端部處置方式的長(zhǎng)度均為300 mm，其中Ⅲ為500 MPa 與0 MPa 各150 mm 的組合.U 型箍由3道寬度100 mm 單層外貼 CFRP 布組成.

梁全長(zhǎng)3500 mm，凈跨徑3300 mm，截面尺寸160 mm×350 mm;混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，采用一批次澆筑，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d;配置216受拉鋼筋，縱筋配筋率0.72%，箍筋通長(zhǎng)布置8@100;梁底預(yù)設(shè)兩條中心距65 mm、尺寸15 mm×20 mm 的通長(zhǎng)凹槽，槽內(nèi)嵌貼2條預(yù)應(yīng)力 CFRP 板條. CFRP 采用Dextra公司生產(chǎn)的 ASTEC CT124-2型矩形截面板條，截面尺寸2 mm×16 mm.已有研究表明，CFRP 預(yù)應(yīng)力水平宜取其拉伸強(qiáng)度的40%～50%，這樣既充分發(fā)揮其材料性能又保有足夠剩余變形能力以保證加固結(jié)構(gòu)延性，因此本文試驗(yàn)取 CFRP 預(yù)應(yīng)力為1000 MPa （約40%拉伸強(qiáng)度）.黏結(jié)劑采用 Sikadur-30CN 環(huán)氧樹(shù)脂，雙組份按3∶1（質(zhì)量比）比例混合，黏結(jié)劑拌合填充后在室溫下養(yǎng)護(hù).各材料的力學(xué)性能如表2所示.

1.3試驗(yàn)加載方案及量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲加載，如圖3所示，純彎段長(zhǎng)度為1000 mm，剪彎段長(zhǎng)度為1150 mm.靜載試驗(yàn)采用5 kN為級(jí)差的加載制度分級(jí)加載，每級(jí)荷載下測(cè)定撓度與應(yīng)變數(shù)值.疲勞試驗(yàn)時(shí)先靜力加載至疲勞上限荷載，記錄數(shù)據(jù)后卸載至0，再按正弦進(jìn)行疲勞加載，加載頻率為3 Hz;在疲勞循環(huán)次數(shù)分別達(dá)到1、5、10、25及以后每25萬(wàn)次時(shí)停機(jī)，靜載至疲勞上限并記錄相應(yīng)的撓度與應(yīng)變變化.卸載后繼續(xù)疲勞加載，圖4為一個(gè)疲勞加載周期的示意圖.

測(cè)試內(nèi)容包括：特征荷載、撓度、裂縫發(fā)展趨勢(shì)、混凝土壓應(yīng)變、受拉鋼筋和 CFRP 應(yīng)變.在梁跨中、加載點(diǎn)、梯度段起點(diǎn)及支座處安裝百分表測(cè)量梁撓度值，在梁跨中截面的受拉鋼筋、混凝土表面粘貼電阻應(yīng)變片以量測(cè)應(yīng)變.其中，CFRP 應(yīng)變片主要布置于梯度預(yù)應(yīng)力段，純彎段與彎剪段布置較稀，每根 CFRP 板條沿長(zhǎng)度方向約布置14個(gè)應(yīng)變片，加載前將所有應(yīng)變數(shù)據(jù)平衡清零，人工測(cè)繪裂縫.

2加固梁靜力性能試驗(yàn)

2.1 加固RC 梁受力行為

如前所述，端部保護(hù)層剝離破壞是表層嵌貼預(yù)應(yīng)力 CFRP 加固受彎構(gòu)件的主要破壞形態(tài)之一，包括過(guò)大的黏結(jié)剪應(yīng)力和剝離正應(yīng)力導(dǎo)致的端部混凝土保護(hù)層剝離破壞、CFRP-膠層界面破壞、膠層-混凝土界面破壞等[17].加固 RC 梁的屈服荷載和極限荷載測(cè)試結(jié)果如表3所示，不同端部梯度錨固設(shè)置改變了加固梁的受力性能，4片梁的破壞模式有一定區(qū)別，但均為混凝土保護(hù)層剝離破壞，如圖5所示.

由于預(yù)應(yīng)力的存在和截面剛度突變，CFRP 黏結(jié)長(zhǎng)度為2900 mm 的梁 PS-L0在 CFRP 端部出現(xiàn)斜裂縫后，在此裂縫的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了大量裂縫分支，荷載引起的黏結(jié)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力傳遞引起的黏結(jié)應(yīng)力都集中在 CFRP 端部，加載至154 kN時(shí)在此處發(fā)生槽底

混凝土剝離破壞，如圖5（a）所示，破壞時(shí)極限撓度為15.96 mm，此時(shí)梁內(nèi)受拉縱筋尚未屈服;梁 PS-LI 的 CFRP 總黏結(jié)長(zhǎng)度同樣為2900 mm，但在兩端分別設(shè)置了300 mm 長(zhǎng)的 I 級(jí)（500 MPa）梯度段，CFRP 端部彎剪裂縫集中的現(xiàn)象有所改善，在幾乎相同的荷載（152 kN）下發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離破壞，如圖5（b）所示，破壞時(shí)極限撓度與梁 PS-L0相當(dāng)，僅為17.61 mm，這表明兩端的Ⅰ級(jí)梯度段對(duì)分散梁端剪切應(yīng)力的效果有限;梁 PS-LⅡ的 CFRP 總黏結(jié)長(zhǎng)度也為2900 mm，但兩端設(shè)置了各300 mm 長(zhǎng)的Ⅱ級(jí)（0 MPa）梯度段，雖然也發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離破壞（圖5（c）），但極限荷載顯著提高至198 kN，極限撓度達(dá)到了34.41 mm，這是由于兩端設(shè)置的無(wú)預(yù)應(yīng)力黏結(jié)段分散了 CFRP端部的黏結(jié)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力傳遞引起的黏結(jié)應(yīng)力集中于放張端部，而荷載引起的黏結(jié)應(yīng)力集中于無(wú)預(yù)應(yīng)力段黏結(jié)端部，因而減小了 CFRP端部的應(yīng)力集中，提高了端部混凝土保護(hù)層的剝離荷載;梁 PS-LⅢ則在兩端同時(shí)設(shè)置Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)梯度段各150 mm，該試件破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎瞬勘Ｗo(hù)層混凝土和CFRP板條混合破壞，極限荷載提高至208 kN，極限撓度增加至37.74 mm，這表明梯度錨固預(yù)應(yīng)力的設(shè)置更有效地減小了端部區(qū)域的黏結(jié)應(yīng)力集中，使得與其它加固梁相比，梁 PS-LⅢ彎剪段裂縫間距最小，CFRP黏結(jié)端部開(kāi)裂最晚，破壞時(shí)由于 CFRP板條回縮瞬間釋放極大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致較大長(zhǎng)度內(nèi)混凝土保護(hù)層與膠層剝落，CFRP 板條部分裸露或斷裂，如圖5（d）所示.

2.2梯度段 CFRP應(yīng)變分布

圖6為荷載作用下 CFRP 應(yīng)變沿黏結(jié)端部的分布曲線，由于部分應(yīng)變片正好處在裂縫位置，其兩側(cè)受力方向不同，因此應(yīng)變數(shù)值出現(xiàn)波動(dòng)，如圖6（b）中450 mm 和6（c）中250 mm位置.由圖6（a）可看出，荷載超過(guò)90 kN后梁 PS-L0黏結(jié)端部 CFRP應(yīng)變逐漸呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，至130 kN時(shí)端部200 mm 區(qū)域內(nèi) CFRP應(yīng)變均為負(fù)值，這應(yīng)是因?yàn)?CFRP 端部發(fā)生黏結(jié)剝離或混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，混凝土對(duì)預(yù)應(yīng)力 CFRP 的錨固被削弱，端部 CFRP 發(fā)生回縮導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失;梁 PS-LI300在端部設(shè)置了 I 級(jí)梯度段（500 MPa）以減小應(yīng)變差，可看到未出現(xiàn)如梁 PL-L0的 CFRP端部應(yīng)變負(fù)增長(zhǎng)區(qū)域，表明將端部 CFRP初始應(yīng)力減小一半后，一定程度減小了 CFRP 端部位置的黏結(jié)應(yīng)力集中，未出現(xiàn)因混凝土開(kāi)裂和黏結(jié)界面剝離導(dǎo)致的明顯 CFRP 預(yù)應(yīng)力損失（圖6（b））;但梁發(fā)生保護(hù)層剝離破壞的極限荷載無(wú)明顯提高，表明設(shè)置 I級(jí)梯度段未能顯著改善 CFRP端部的應(yīng)力集中.

梁 PS-LⅡ在端部設(shè)置了Ⅱ級(jí)梯度段（0 MPa），類(lèi)似于用黏結(jié)劑設(shè)置了一段錨具，保護(hù)層剝離破壞對(duì)應(yīng)的極限荷載較 PS-L0增加了28.57%，CFRP利用率提高7.13%，但端部區(qū)段 CFRP應(yīng)變幾乎為0（圖6（c）），CFRP 端部開(kāi)裂荷載與 PS-L0相近;梁 PS-LⅢ在端部將Ⅰ、Ⅱ級(jí)梯度段結(jié)合（圖6（d）），極限荷載增加了35.06%，極限撓度增加了136.47%，跨中部 CFRP利用率提高了10.87%，應(yīng)變沿 CFRP從跨中以穩(wěn)定變化率向端部近似線性遞減，CFRP端部開(kāi)裂荷載較 PS-L0明顯增大，極大地改善了端部區(qū)段的嵌貼 CFRP-混凝土體系的受力性能.

2.3界面黏結(jié)應(yīng)力

CFRP 與膠層及槽底混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力過(guò)高是引起端部保護(hù)層剝離的主要因素，破壞過(guò)程中黏結(jié)應(yīng)力的分布變化是研究剝離發(fā)展和發(fā)生的關(guān)鍵，針對(duì)這一破壞模式，在梯度段CFRP上密集粘貼應(yīng)變片以監(jiān)測(cè)不同位置 CFRP 的應(yīng)變變化，并用式（1）計(jì)算與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力：

式中：τk 為第 k 號(hào)和 k+1號(hào)應(yīng)變片中間位置的黏結(jié)應(yīng)力（k =1，2，…，n-1）;εk 和εk +1分別為第 k 號(hào)與 k+1號(hào)應(yīng)變片的應(yīng)變值;ECF 和tCF分別為 CFRP 的彈性模量和厚度;lk為第 k 號(hào)和 k+1號(hào)應(yīng)變片的間距.

計(jì)算不同端部預(yù)應(yīng)力錨固方式引起的黏結(jié)應(yīng)力，根據(jù)實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力控制數(shù)據(jù)，得到預(yù)應(yīng)力引起的 CFRP 與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力分布曲線如圖7所示.梁 PS-L0與 PS-LⅡ的預(yù)應(yīng)力變化值均為1000 MPa，因此兩者黏結(jié)應(yīng)力相當(dāng)，僅位置不同;梁 PS-LI 和 PS-LⅢ的預(yù)應(yīng)力變化值均為500 MPa，但梁 PS-LI 的預(yù)應(yīng)力變化更集中在 CFRP黏結(jié)端部，預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度較梁 PS-LⅢ短，因此黏結(jié)應(yīng)力峰值更高.加載過(guò)程中，CFRP板條預(yù)應(yīng)力隨荷載和撓度的增加而逐漸抵消（消壓），由于傳遞至 CFRP 端部的應(yīng)力較小， CFRP 端部的黏結(jié)應(yīng)力難以抵消.加載后期，一條條裂縫將加固梁受拉區(qū)保護(hù)層切割成一個(gè)個(gè)由 CFRP連接的混凝土齒，在未抵消的預(yù)應(yīng)力和荷載引起的黏結(jié)應(yīng)力共同作用下，CFRP端部成為發(fā)生保護(hù)層剝離破壞的薄弱界面.結(jié)合表3中破壞荷載可知，黏結(jié)應(yīng)力峰值越大，位置越接近 CFRP 端部，越容易發(fā)生保護(hù)層剝離破壞.

計(jì)算不同荷載作用下的黏結(jié)應(yīng)力，通過(guò)樣條函數(shù)插值得到 CFRP 與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力分布曲線. CFRP 與混凝土間黏結(jié)應(yīng)力，主要由沿縱向梁截面抵抗彎矩變化形成的剪切黏結(jié)應(yīng)力和混凝土回縮引起的開(kāi)裂黏結(jié)應(yīng)力組成[18].其中，彎剪段的剪切黏結(jié)應(yīng)力恒為正，開(kāi)裂黏結(jié)應(yīng)力在裂縫兩側(cè)大小與分布近似相同，方向相反.

如圖8所示，梁 PS-L0在150 kN時(shí)，距加載點(diǎn)600 mm位置彎剪裂縫處黏結(jié)應(yīng)力迅速增大，端部過(guò)大的預(yù)應(yīng)力使得槽底混凝土同 CFRP 一起被拉拽下來(lái)，梁迅速破壞，無(wú)明顯破壞征兆.梁 PS-LⅢ加載至160 kN時(shí)其梯度段內(nèi)（距黏結(jié)端部300 mm 位置）出現(xiàn)與受拉鋼筋平行的水平裂縫，并逐步向支座方向發(fā)展，與圖8（b）中應(yīng)力峰值的發(fā)展趨勢(shì)相同，當(dāng)應(yīng)力峰值傳遞至 CFRP黏結(jié)端部附近時(shí)，梁到達(dá)剝離臨界狀態(tài).荷載作用下梯度錨固預(yù)應(yīng)力梁的 CFRP 應(yīng)變?cè)诙瞬繀^(qū)域變化規(guī)律大致相同，受力傳遞較為均勻，CFRP 與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力自加載點(diǎn)逐漸往支座方向發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生局部剝離，并使應(yīng)力峰往支座方向傳遞，直至整體剝離發(fā)生，破壞征兆明顯.

3加固梁疲勞性能試驗(yàn)

值得注意的是，抗彎試驗(yàn)中觀察到的剝離行為與在黏結(jié)試驗(yàn)中觀察到的剝離現(xiàn)象[19-22]有很大不同，因?yàn)榱旱钠茐闹饕c保護(hù)層的開(kāi)裂和彎曲變形有關(guān)，不能簡(jiǎn)單看做沿 CFRP-膠層界面的拉拔破壞[23-25].黏結(jié)應(yīng)力峰值4 MPa 時(shí)就已到達(dá)剝離臨界狀態(tài)，與黏結(jié)試驗(yàn)中最大黏結(jié)應(yīng)力12 MPa 有明顯差距，這是因?yàn)榱旱膿隙取⒘芽p發(fā)展等現(xiàn)象在黏結(jié)試驗(yàn)中都沒(méi)有體現(xiàn).由于裂縫的存在，CFRP 黏結(jié)應(yīng)力分布由整個(gè)試驗(yàn)段分割成相鄰兩條裂縫之間的小段，黏結(jié)應(yīng)力曲線也出現(xiàn)了應(yīng)力峰.

3.1加固梁疲勞壽命及破壞模式

在靜力試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了6片梁的疲勞試驗(yàn)，各試件編號(hào)、參數(shù)設(shè)置及主要試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.其中，通過(guò)梁 PF0.5-L0、PF0.6-L0與 PF0.5-LⅢ、 PF0.6-LⅢ的對(duì)比考察普通嵌貼預(yù)應(yīng)力加固與梯度嵌貼預(yù)應(yīng)力加固的疲勞性能差異;通過(guò)梁 PF0.6-LⅢ與梁 PF0.7-LⅢ研究梯度預(yù)應(yīng)力加固梁疲勞壽命隨上限荷載的變化規(guī)律;通過(guò) PF0.6-LU對(duì)比 U 型箍與梯度錨固兩種方式的抗疲勞性能.

疲勞上限荷載為50%的梁都在疲勞加載中未破壞，疲勞結(jié)束后再靜力加載至破壞.靜載試驗(yàn)中梁 PF0.5-L0在154 kN時(shí)發(fā)生端部槽底混凝土剝離破壞，如圖9（a）所示.梁 PF0.5-LⅢ發(fā)生端部保護(hù)層混凝土剝離破壞，如圖9（b）所示，破壞時(shí) CFRP 回縮，導(dǎo)致被彎剪裂縫切分成塊狀的混凝土伴隨著膠層和 CFRP 表層一起剝落，裸露出 CFRP 板條.加固梁極限荷載上升至200 kN，較 PF0.5-L0增大29.87%，極限撓度較之增長(zhǎng)108.73%，混凝土保護(hù)層縱向剝離長(zhǎng)度大幅增加.疲勞上限為60%的梁均在疲勞加載過(guò)程中發(fā)生破壞，但破壞模式因端部構(gòu)造變化而發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變：梁 PF0.6-L0在疲勞壽命約10萬(wàn)次時(shí)于 CFRP 黏結(jié)端部出現(xiàn)裂縫并迅速發(fā)展，繼續(xù)疲勞約4萬(wàn)次后發(fā)生如圖9（b）所示的端部保護(hù)層剝離破壞;端部設(shè)置了 U形箍的梁 PF0.6-LU疲勞壽命提高約1倍至25萬(wàn)次，且破壞模式由端部保護(hù)層剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭缰袖摻钇跀嗔?，這表明采用合理措施對(duì)端部區(qū)段進(jìn)行處置，能夠避免 CFRP 黏結(jié)端部疲勞失效破壞.與端部設(shè) U 型箍的加固試件類(lèi)似，采用梯度錨固預(yù)應(yīng)力的梁 PF0.6-L Ⅲ疲勞加載至50萬(wàn)次時(shí)在 CFRP 黏結(jié)端部出現(xiàn)彎剪裂縫，繼續(xù)加載48萬(wàn)次后破壞，破壞模式同樣由端部保護(hù)層剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭缰袖摻钇跀嗔讯l(fā)生正截面強(qiáng)度破壞（圖9（c）），表明疲勞加載條件下加固梁端部的梯度錨固段起到了與碳纖維布 U形箍相類(lèi)的、較顯著的錨固作用.當(dāng)疲勞上限荷載增大到70%時(shí)，梯度錨固預(yù)應(yīng)力梁 PF0.7-LⅢ的疲勞壽命為23萬(wàn)次，高于承受60%上限荷載的梁 PF0.6-L0，破壞模式同樣為跨中縱向鋼筋疲勞斷裂，如圖9（d）所示.上述試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)置梯度錨固段后，與靜載試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，梯度錨固預(yù)應(yīng)力梁在疲勞試驗(yàn)中展現(xiàn)了較好的疲勞性能，彎剪段裂縫間距減小、破壞撓度增加，疲勞壽命均大幅提升.最重要的是，黏結(jié)端部不再是嵌貼 CFRP加固梁的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)置梯度錨固段能夠有效避免 CFRP黏結(jié)端部疲勞失效破壞.

梁 PF0.5-L0與 PF0.5-LⅢ為疲勞后靜載，破壞模式與同參數(shù)的靜載梁無(wú)明顯差別.梁PF0.6-L0在疲勞加載過(guò)程中端部裂縫及水平裂縫分支發(fā)展迅速，對(duì)比同參數(shù)加固梁在靜力和疲勞荷載下的 CFRP 應(yīng)變曲線（圖6（a）與圖10（b））可知，疲勞循環(huán)放大了此處的應(yīng)變差;相比靜載時(shí)的破壞荷載（154 kN），加固梁在疲勞上限荷載90 kN時(shí)發(fā)生破壞，疲勞循環(huán)更容易使端部混凝土保護(hù)層發(fā)生剝離破壞.

3.2梯度段 CFRP應(yīng)變分布

如前所述，圖10為不同疲勞次數(shù)下各加固試件的荷載-端部 CFRP應(yīng)變曲線，可看出普通預(yù)應(yīng)力加固梁與梯度錨固預(yù)應(yīng)力梁的端部 CFRP應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯不同的特征.由圖10（a）可以看出，疲勞荷載作用下梁 PF0.5-L0端部的 CFRP應(yīng)變沿黏結(jié)長(zhǎng)度的分布與荷載分布較為一致，表明在該疲勞荷載作用下 CFRP 與混凝土黏結(jié)較完整.觀察圖10（b）可看到梁 PF0.6-L0在疲勞加載1萬(wàn)次以后，端部0～250 mm 區(qū)段應(yīng)變較小且呈線性增長(zhǎng)，端部250～350 mm 區(qū)段應(yīng)變陡然增長(zhǎng)，推測(cè)最靠近支座的裂縫應(yīng)出現(xiàn)在此區(qū)段內(nèi)，圖9（b）證實(shí)了這一推斷（裂縫出現(xiàn)在230 mm處），過(guò)大的應(yīng)變差也是 PF0.6-L0發(fā)生保護(hù)層剝離破壞的重要原因.圖10（c）顯示梁 PF0.6-LU 端部約300 mm 區(qū)段內(nèi) CFRP應(yīng)變較小，在300 mm 區(qū)段外顯著增大，這可能是由于端部區(qū)段內(nèi)混凝土梁體及 CFRP板條被碳纖維布 U形箍有效加固約束，混凝土未開(kāi)裂且與 CFRP板條黏結(jié)完好，同時(shí)碳纖維布 U形箍也起到了增強(qiáng)作用.

觀察圖10（d）可看出，PF0.5-LⅢ在0萬(wàn)次時(shí)，其黏結(jié)端部 CFRP應(yīng)變分布與彎矩分布大致相同，近似呈直線分布，但從1萬(wàn)次開(kāi)始在150～300 mm 區(qū)段內(nèi)的 CFRP 應(yīng)變即顯著高于300～400 mm 區(qū)段，這是由于在疲勞荷載作用下，300 mm 處（全預(yù)應(yīng)力段與梯度預(yù)應(yīng)力段分界，圖9（a）左上圓圈處）梁體混凝土出現(xiàn)裂縫，開(kāi)裂后混凝土對(duì)全預(yù)應(yīng)力段 CFRP 的錨固被削弱，CFRP 向跨中回縮致使其測(cè)量應(yīng)變（未包含初始應(yīng)變）減小，因回縮被梯度錨固段約束，部分預(yù)應(yīng)力遷移至梯度錨固段，造成梯度段 CFRP應(yīng)變?cè)龃螅虼颂荻榷?CFRP應(yīng)變大于全預(yù)應(yīng)力段.由圖10（e）能看到，梁 PF0.6-LⅢ在0萬(wàn)次時(shí)150～300 mm 區(qū)段內(nèi)的 CFRP 測(cè)量應(yīng)變大于300～400 mm 區(qū)段，隨著疲勞次數(shù)增加兩區(qū)段 CFRP應(yīng)變差值增大，表明可能第一次加載時(shí)全預(yù)應(yīng)力段-梯度錨固段分界混凝土即已開(kāi)裂（圖9（c）圓圈處），并隨著疲勞加載而不斷發(fā)展.另外，梁 PF0.7-LⅢ在0和1萬(wàn)次時(shí)其位于150 mm 處的 CFRP應(yīng)變即達(dá)到較高值，5萬(wàn)次和10萬(wàn)次時(shí)均為黏結(jié)端部600 mm 范圍內(nèi)的應(yīng)變最大值，這表明該試件可能在150 mm 處（Ⅰ和Ⅱ梯度段分界位置，圖9（d）圓圈處）也出現(xiàn)了混凝土開(kāi)裂及Ⅰ梯度段的 CFRP 回縮，即使這樣Ⅱ梯度段仍有效地錨固住了預(yù)應(yīng)力 CFRP，加固梁最終發(fā)生受拉縱筋疲勞斷裂破壞.

4結(jié)論

本文提出了在 CFRP 黏結(jié)端部設(shè)置梯度錨固預(yù)應(yīng)力的構(gòu)造措施，以減小黏結(jié)端部的應(yīng)力集中且抑制混凝土保護(hù)層的剝落破壞，并通過(guò)靜載與疲勞性能試驗(yàn)，研究了端部設(shè)梯度預(yù)應(yīng)力段的表層嵌貼預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的受力性能，通過(guò)對(duì)加固梁受力行為、破壞模式、與應(yīng)變分布的分析，得到以下結(jié)論：

1）本文靜載試驗(yàn)中設(shè)置梯度錨固預(yù)應(yīng)力段后，加固梁承載能力最大提升35.06%，極限撓度最大提升136.47%，CFRP 利用率最大提升10.87%.試驗(yàn)結(jié)果表明在 CFRP 黏結(jié)端部設(shè)置梯度錨固預(yù)應(yīng)力能減小端部混凝土應(yīng)力集中，使端部 CFRP與混凝土間應(yīng)力傳遞更均勻，因而提高加固梁抵抗混凝土保護(hù)層剝離破壞的能力;端部設(shè)置兩級(jí)梯度錨固預(yù)應(yīng)力的加固梁，具有更好的受力性能，技術(shù)具有可行性.

2）疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，兩級(jí)梯度錨固預(yù)應(yīng)力后加固梁的破壞模式由端部保護(hù)層剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭缰锌v向鋼筋拉斷，表明梯度錨固預(yù)應(yīng)力有效減小了端部混凝土的應(yīng)力集中，因而 CFRP黏結(jié)端部不再是加固梁的薄弱環(huán)節(jié).

3）本文試驗(yàn)中，在60%、70%上限的疲勞荷載作用下，梯度段與全預(yù)應(yīng)力段分界甚至兩梯度段分界都發(fā)生了混凝土開(kāi)裂以及 CFRP 回縮現(xiàn)象，但梯度段仍有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP 的錨固.

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