预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算
高仲学1 王文炜2 黄 辉2
【摘 要】摘 要:对6根预应力碳纤维(CFRP)布加固钢筋混凝土梁进行了预应力损失和弯曲静载试验，确定了后张预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的剥离－断裂破坏形态，得到了破坏时CFRP布的有效应变.试验结果表明，瞬时预应力损失是总损失的主要部分，而随时间依存的预应力损失仅为初始预应力的2.3% ～3.9%.胶体的养护时间对瞬时预应力损失具有一定影响.使用外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁后，其正常使用性能得到明显改善，承载力有较大提高.最后，给出了预应力损失及考虑预应力损失的抗弯承载力的计算模型.计算结果表明，计算值与文献中的试验值吻合较好，使用该计算模型可以有效地预测预应力损失和加固梁的抗弯承载力. 【期刊名称】东南大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2013(043)001 【总页数】8
【关键词】关键词:预应力CFRP布;剥离－断裂破坏;预应力损失;抗弯承载力;计算方法
近年来，碳纤维(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)布由于具有轻质、高强、耐久性好的优点而被广泛应用于土木工程加固领域中.普通CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验结果表明，CFRP布对限制混凝土梁开裂、提高构件刚度的作用十分有限.正常使用状态下，CFRP布的应力仅为其极限强度的 10% ～30%［1－2］.预先对CFRP布施加预应力，不仅可以有效改善被加固梁的使用性能，而且能充分利用CFRP布轻质高强的特性.
对CFRP布施加预应力的方法主要有2种:先张法和后张法［3］.针对不同的施加预应力方法，国内外学者进行了预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验，重点观测了加固梁的破坏形态、承载力、CFRP布的应变、裂缝分布和开展情况、挠度及预应力损失等.此外，也有学者采用断裂力学方法、有限元法和非线性数值分析方法对加固梁的承载力、裂缝宽度和挠度进行分析计算［4－10］.然而，关于预应力损失和考虑预应力损失后加固梁的承载力的计算和分析研究还十分有限.本文在后张预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁试验的基础上，建立了考虑预应力损失的预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法.
1 试验
参照文献［11］，设计了8根长度为2 000 mm的矩形截面钢筋混凝土梁，截面尺寸均为150 mm×300 mm(见图1和表1).试验梁受拉和受压钢筋均为2根φ14 mm的HRB335级钢筋，弯剪区配置φ8 mm的箍筋，间距为50 mm，纯弯段的长度为600 mm.在8根试验梁中，1根为未加固的对比梁，1根为普通CFRP布加固的对比梁，4根为一层预应力CFRP布加固梁，2根为二层预应力CFRP布加固梁.单层 CFRP布厚度为0.167 mm，布幅宽度为140 mm.图1中，P表示施加的荷载.
碳纤维布为南京海拓公司生产的HITEXC300布，配套的浸渍胶为Fisher公司生产的2组分环氧树脂胶.经过单向拉伸试验，测得CFRP布的抗拉强度为3.522 GPa，弹性模量为259 GPa，其他材料(如混凝土、钢筋和胶体)的力学性能指标见表2.
预应力的施加方法如图2所示.首先，将梁底打磨并使用丙酮清理干净，均匀地涂抹上一层环氧树脂胶体.然后，将CFRP布的一端锚固在梁底预埋的钢板中，
另一端通过一根φ28 mm的钢筋与千斤顶连接，张拉CFRP布到预先设计的初始预应力.待张拉到位后，将CFRP布的张拉端锚固在梁底上，并在CFRP布上均匀地涂抹上一层环氧树脂，以保护CFRP布.预应力CFRP布张拉锚固完毕后，将试验梁放置在温度为(20±2)℃、相对湿度为55% ～60%的恒温恒湿环境室中，观测预应力损失.预应力的变化通过粘贴在梁底的4个应变片监测(见图2(c))，实验时间为2 500 h(约106 d).在粘贴CFRP布之前，所有加固梁均施加荷载至30 kN后卸载，用于模拟实际钢筋混凝土梁加固前的受力状态.
2 结果分析
2.1 预应力损失
图3和表3为预应力CFRP布的平均应变值随时间的变化情况.由图3可知，使用外贴预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁后，20 d内CFRP布的应变明显减小，之后则基本无变化.例如，试验梁BPC-30-1的初始应变为 4.856 ×10－3，实验进行20 d时减小为 4.014 ×10－3，降低了 8.42 ×10－4(初始应变的17.3%)，而20 d后的降低值仅为0.58 ×10－4(初始应变的1.2%).
由表3可知，放张后短时间内CFRP布应力降低较为显著，为初始应力的12.6% ～18.2%.如试验梁BPC-30-1放张后的降低值为183.8 MPa，为初始应力的14.6%;后期变化不显著，降低值为初始应力的 2.3% ～3.9%.如试验梁BPC-30-1在试验进行的20～106 d内，应力降低值仅为 49.3 MPa，为初始应力的3.9%.试验结果表明，预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的预应力损失主要是瞬时损失(即放张后CFRP布和锚具间滑移引起的回缩和锚具变形所造成的损失)，随时间变化的损失则相对较小.
即刻放张的试验梁BPC-30-2a和环氧树脂养护72 h后放张的试验梁BPC-30-
预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力计算
