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摘要：为验证FRP螺栓加固新技术的合理性，结合现役钢筋混凝土桥梁带裂缝工作的特点，采用表面粘贴FRP（EB-FRP）加固技术和FRP螺栓混合加固技术（HB-FRP），分别对不同预裂度的钢筋混凝土简支梁进行抗弯加固，通过两点对称加载抗弯试验研究加固预裂梁的受力特性和破坏模式，分析裂缝分布对加固预裂梁的剥离荷载及FRP材料利用率的影响。试验结果表明，与表面粘贴FRP加固技术相比较，采用FRP螺栓混合加固的预裂梁，抗弯极限承载能力提高30%～44%，加固后结构的破坏表现为明显的延性，改善了FRP脆性剥离破坏模式；另外，钢筋混凝土梁裂缝对FRP的剥离荷载、FRP材料的利用率及梁的破坏模式影响显著。
关键词：FRP；加固技术；预裂RC梁；对比性试验
中图分类号：TU375.1
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0027-05
利用纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic Polymer，简称FRP）对混凝土构件进行加固维修在实际工程中得到了广泛的认可，其中在桥梁加固工程中表面粘贴FRP加固技术（EBFRP）应用最为广泛[1-3]。大量试验研究表明[4-7]，粘贴FRP加固的梁荷载作用下易发生剥离脆性破坏，使得FRP的利用率仅有15%～35%，FRP材料的高强性能难以充分发挥。因此，为提高FRP材料的利用率，学者们对相应新型加固技术展开了大量的研究[8-14]，其中FRP固件联合加固技术正受到重视。Wu等[15]采用FRP锚钉联合加固技术的试验研究表明，锚钉的垂直压力作用对界面黏结强度提高有较大的贡献。据此，山东大学对FRP锚钉联合加固技术进行了改进，在FRP两侧埋置高强螺栓，将钢板、CFRP布和混凝土表面粘结在一起，并拧紧螺母对粘结界面施加预压力，通过在CFRP布和混凝土之间增设的垂直压力，达到约束CFRP布、防止其大面积剥离破坏的目的[16-18]。前期试验结果表明，FRP螺栓加固技术是一种更有效的混凝土结构加固方法。本文结合在役钢筋混凝土桥梁的损伤特点，对采用EB-FRP及HB-FRP加固的预裂钢筋混凝土简支梁进行对比性试验研究，据此对2种加固技术对带裂缝工作钢筋混凝土简支梁的抗弯加固效果（受力性能、变形特征和破坏模式等）进行对比分析，明确其工作特点。
1试验概况
1.1试验梁设计
设计7根相同钢筋混凝土梁进行抗弯加载试验，其中BM1为完整梁且未加固，作为参照梁；BM2、BM3、BM4为预裂梁，采用EB-FRP加固；BM5、BM6、BM7为预裂梁，采用HB-FRP加固。试验梁尺寸为150 mm×250 mm×2 700 mm。主筋为2Φ12，架立钢筋为2Φ10，采用HRB335，箍筋为6@100，采用HPB235，混凝土强度等级C40。试验梁尺寸与钢筋构造见图1。
1.2试验梁制作
采用同一批次的商品混凝土一次性浇筑7根试验梁。混凝土到达设计强度以后，选取其中1根试验梁（BM1）进行抗弯承载能力试验，确定试验梁的极限抗弯承载力；然后，对其余6根试验梁分两组按极限承载力50%、70%、90%进行加载预裂，测量预裂荷载、裂缝条数及最大裂缝宽度；最后，对2组预裂后的梁分别采用EBFRP（BM21、BM22、BM23）和HBFRP（BM31、BM32、BM33）进行抗弯加固。
EB-FRP加固采用配套树脂类黏结材料在梁底粘贴两层60 mm宽的碳纤维布，其型号为UT7030，计算厚度0.167 mm，抗拉强度3 430 MPa，弹性模量为2.35×105 MPa，极限伸长率为1.72%；HBFRP加固（加固系统如图2）除在梁底粘贴两层60 mm宽的碳纤维布外，还在梁底用锚固件即钢板和螺栓对碳纤维布进行锚固，锚固间距为160 mm。其中螺栓采用直径10 mm的45号钢高强螺栓，用环氧树脂锚固，锚固深度为50 mm；钢板的尺寸为120 mm×60 mm×5 mm，采用环氧树脂粘贴钢板于CFRP表面，并通过螺母对螺栓施加10 kN预紧力。试验梁详细参数见表1，制作完成EBFRP及HBFRP加固梁如图3。
采用EB-FRP法加固的3根预裂梁的破坏形式相似，即随着荷载的增加，试验梁原有裂缝继续沿梁高方向开展延伸，新裂缝不断出现，当加载达到极限荷载时，FRP在混凝土表面突然剥离。但各试验梁裂缝分布特征不同，致使FRP初始剥离的位置存在差别。预裂度较小的试验梁（BM2-1预裂度为50%），梁底部主要分布垂直微小裂缝，加载破坏时，FRP剥离从跨中裂缝向梁端进行；预裂度较大的试验梁（BM2-2预裂度为71%、BM2-3预裂度为83%），除梁底部纯弯段分布有垂直裂缝外，梁端斜弯段存在显著的斜裂缝，裂缝宽度较大，加载破坏时，FRP剥离从梁端斜裂缝向跨中快速发展。
采用HB-FRP法加固的预裂梁的破坏形式与采用EB-FRP法加固的预裂梁的破坏形式存在显著不同。虽然随荷载的增大，试验梁原有裂缝仍在发展，新裂缝也不断出现，锚固钢板之间的FRP也发生局部剥离，但由于预紧螺栓的锚固作用，有效的限制了FRP片材的整体自由变形，试验梁达到极限破坏时，锚固钢板下的FRP和混凝土基本没有发生剥离，保证了FRP和钢筋混凝土梁的协调工作，有效提高了FRP材料的利用率和预裂梁抗弯承载能力。最终试验梁呈现斜截面剪压破坏（BM3-1）或锚固钢板之间的FRP断裂破坏（BM3-2、BM3-3）。同时HB-FRP加固的预裂梁的破坏形式也不尽相同，究其原因主要是由于试验梁预裂度的不同，致使其裂缝分布的特征存在差异。BM3-1预裂度为51%，梁底部主要分布垂直微小裂缝，宽度较小，梁的整体刚度较大，试验梁在HB-FRP法加固后，其正截面抗弯能力较强，最终因试验梁斜截面强度不足而造成梁体斜截面剪压破坏。对于预裂度为71%、91%的BM3-2、BM3-3，预裂时梁底加载点附近出现宽度较大的垂直裂缝和斜裂缝，试验加载时，该处裂缝继续开展并向上延伸（见图6），致使FRP所承受拉力急剧增大，最终导致该处的FRP部分被拉断。 此外，加固后试验梁FRP与混凝土之间发生初始剥离时的荷载如图7所示。由图可知：对于预裂度相近的试验梁，2种加固方法的粘结界面初始剥离荷载基本相同；随试验梁预裂度的增大，粘结界面初始剥离荷载减小。可见，梁体裂缝对FRP的剥离具有明显的促进作用。
2.2荷载挠度曲线
根据图8所示荷载跨中挠度曲线可知，试验梁的受力状态基本相同，可分为3个工作阶段：1）第1阶段，从开始到曲线的第1个转折点，该阶段梁体受拉侧裂缝开展较小，各试验梁处于整体工作阶段，荷载-挠度曲线的斜率较大且相近，即抗弯刚度基本相同；由于外贴FRP离中性轴最远，且其延伸率较小，因此其承担较大拉力；2）第2阶段，随荷载增加，FRP所承担拉力增大，所需FRP与混凝土表面的层间粘结力增大，同时因梁体受拉侧裂缝加剧发展，FRP开始剥离，梁体的整体抗弯能力降低；不同FRP黏贴方式下，FRP退出工作的极限荷载明显不同，采用钢板螺栓联合锚固后FRP的利用率得到显著提高（M3-1、BM3-2、BM3-3承受的极限荷载比BM2-1、BM2-2、BM2-3承受的极限荷载分别提高30%、44%、44%）；3）第3阶段：对于EB-FRP加固后试验梁，当FRP与混凝土间界面剪应力峰值达到其界面粘结强度极限时，继续加载会导致试验梁挠度急剧增大，梁体破坏时预兆不明显，具有一定脆性破坏特性；HB-FRP加固技术中，通过胶体、钢板、螺栓的联合锚固，能够大幅提高粘结截面剪应力容许值，因此加固后梁体的极限抗弯承载力显著增大，破坏时梁体挠曲变形较大，利于及时发现、补强，增大了加固后结构物的延性。
从图9可以看出：HB-FRP加固的试验梁FRP的利用率部分达到100%（试验中FRP表现为断裂），EB-FRP加固的试验梁FRP的利用率最大仅为49%，可见前者加固后试验梁的FRP利用率明显高于后者。同时，对HB-FRP加固的试验梁，预裂度越大，FRP的利用率越大；而对EB-FRP加固的试验梁，预裂度越大，FRP的利用率越小（对预裂度为83%的试验梁BM2-3，其FRP的平均利用率仅为21%）。可见，HB-FRP较EB-FRP是一种更为有效的预裂钢筋混凝土梁加固方式，能够充分发挥FRP材料的高强性能，有效避免混凝土裂缝导致的FRP剥离破坏。
3结论
根据EB-FRP及HB-FRP加固预裂简支梁的对比性试验研究，得出以下结论：
1）较EB-FRP加固技术，HB-FRP加固技术是一种更有效的预裂梁加固方式，不仅能够显著提高预裂梁的极限承载能力，而且能够改善预裂梁的破坏模式，显著提高预裂梁破坏时的延性特征。
2）由于螺栓对钢板下FRP预紧锚固作用及层间胶体的粘结作用，HB-FRP加固预裂梁能够有效阻止锚固钢板下FRP的剥离，显著提高FRP和结构物间的层间抗剪能力，因此FRP的利用率得到显著提高，利于FRP材料高强性能的发挥。
3）裂缝的发展程度和分布特征对于FRP加固后钢筋混凝土结构物的抗弯承载能力和受弯破坏形式具有显著影响，为提高FRP的利用率，建议进行加固设计时对原有裂缝进行适当处理。
参考文献：
[1]滕锦光，陈建飞，S T史密斯，等.FRP加固混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2]叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006，39（3）：24-36.
[3]JTG/T J22—2008 公路桥梁加固设计规范[S].北京：人民交通出版社，2008.
[4]Fahsi B，Benrahou K H，Krour B，et al.Analytical analysis of interfacial stresses in FRP-RC hybrid beams with time-dependent deformations of RC beam [J]. Acta Mechanica Solida Sinica， 2011，24（6）：519-526.
[5]Rahimi H，Hutchinson A.Concrete beams strengthened with externally bonded FRP strips [J].Journal of Composites for Constructions，ASCE，2000，4（2）：65-74.
[6]Nguyen D M，Chan T K，Cheong H K.Brittle failure and bond development length of CFRP-concrete beams [J].Journal of Composites for Construction， ASCE， 2001，5（1）：12-17.
[7]Wang Z Y，Wu Y F，He W.A numerical model for hybrid-bond FRP strengthened beams[C]//第四届海峡两岸结构与岩土工程学术研讨会论文集，2007：503-517.
[8]徐涛，唐春安，张永彬，等.FRP混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟[J].固体力学学报，2011，32（1）：88-94.
[9]Lamanna A J，Bankl L C，Scott D W.Flexural strengthening of RC beams by mechanically attaching FRP strips [J]. ASCE Journal of Composites for Construction， 2004，8（3）：203-210.
[10]Bank L C，Arora D.Analysis of RC beams strengthened with mechanically fastened FRP （MF-FRP） strips [J].Composite Structures，2007，79：180-191.
[11]Ekenel M，Rizzo A，Myers J J，et al.Flexural fatigue behavior of reinforced concrete beams strengthened with FRP fabric and precured laminate systems [J].ASCE Journal of Composite for Construction， 2006， 10（5）： 433-442.
[12]Grace N F.Improved anchoring system for CFRP strips [J].Concrete International ACI， 2001， 23（10）： 55-60.
[13]张普，朱虹，孟少平，等.混杂FRP混凝土T形组合梁受弯性能试验研究[J].东南大学学报：自然科学版，2010，40（3）：548-553.
[14]刘涛，桂钰，王兆清. FRP抗弯加固方法的研究进展[J].山东建筑大学学报，2009，24（4）： 356-361.
[15]Wu Y F，Huang Y.Hybrid bonding of FRP to reinforced concrete structures [J].ASCE Journal of Composites for Construction， 2008， 12（3）： 266-273.
[16]管延华，苗海涛，宋修广.FRP螺栓联合加固技术锚固参数的研究[J].山东大学学报：工学版，2010，40（3）：128-132.
[17]张峰，牛平霞，李树忱，等.FRP螺栓联合加固RC梁粘结性能试验研究[J].土木建筑与环境工程，2010，32（6）：7-13.
[18]管延华，蒋斌松，宋修广.FRP螺栓联合加固RC梁抗弯试验研究[J].中国矿业大学学报，2011，40（2）：202-206.
（编辑王秀玲）
关键词：FRP；加固技术；预裂RC梁；对比性试验
中图分类号：TU375.1
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0027-05
利用纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic Polymer，简称FRP）对混凝土构件进行加固维修在实际工程中得到了广泛的认可，其中在桥梁加固工程中表面粘贴FRP加固技术（EBFRP）应用最为广泛[1-3]。大量试验研究表明[4-7]，粘贴FRP加固的梁荷载作用下易发生剥离脆性破坏，使得FRP的利用率仅有15%～35%，FRP材料的高强性能难以充分发挥。因此，为提高FRP材料的利用率，学者们对相应新型加固技术展开了大量的研究[8-14]，其中FRP固件联合加固技术正受到重视。Wu等[15]采用FRP锚钉联合加固技术的试验研究表明，锚钉的垂直压力作用对界面黏结强度提高有较大的贡献。据此，山东大学对FRP锚钉联合加固技术进行了改进，在FRP两侧埋置高强螺栓，将钢板、CFRP布和混凝土表面粘结在一起，并拧紧螺母对粘结界面施加预压力，通过在CFRP布和混凝土之间增设的垂直压力，达到约束CFRP布、防止其大面积剥离破坏的目的[16-18]。前期试验结果表明，FRP螺栓加固技术是一种更有效的混凝土结构加固方法。本文结合在役钢筋混凝土桥梁的损伤特点，对采用EB-FRP及HB-FRP加固的预裂钢筋混凝土简支梁进行对比性试验研究，据此对2种加固技术对带裂缝工作钢筋混凝土简支梁的抗弯加固效果（受力性能、变形特征和破坏模式等）进行对比分析，明确其工作特点。
1试验概况
1.1试验梁设计
设计7根相同钢筋混凝土梁进行抗弯加载试验，其中BM1为完整梁且未加固，作为参照梁；BM2、BM3、BM4为预裂梁，采用EB-FRP加固；BM5、BM6、BM7为预裂梁，采用HB-FRP加固。试验梁尺寸为150 mm×250 mm×2 700 mm。主筋为2Φ12，架立钢筋为2Φ10，采用HRB335，箍筋为6@100，采用HPB235，混凝土强度等级C40。试验梁尺寸与钢筋构造见图1。
1.2试验梁制作
采用同一批次的商品混凝土一次性浇筑7根试验梁。混凝土到达设计强度以后，选取其中1根试验梁（BM1）进行抗弯承载能力试验，确定试验梁的极限抗弯承载力；然后，对其余6根试验梁分两组按极限承载力50%、70%、90%进行加载预裂，测量预裂荷载、裂缝条数及最大裂缝宽度；最后，对2组预裂后的梁分别采用EBFRP（BM21、BM22、BM23）和HBFRP（BM31、BM32、BM33）进行抗弯加固。
EB-FRP加固采用配套树脂类黏结材料在梁底粘贴两层60 mm宽的碳纤维布，其型号为UT7030，计算厚度0.167 mm，抗拉强度3 430 MPa，弹性模量为2.35×105 MPa，极限伸长率为1.72%；HBFRP加固（加固系统如图2）除在梁底粘贴两层60 mm宽的碳纤维布外，还在梁底用锚固件即钢板和螺栓对碳纤维布进行锚固，锚固间距为160 mm。其中螺栓采用直径10 mm的45号钢高强螺栓，用环氧树脂锚固，锚固深度为50 mm；钢板的尺寸为120 mm×60 mm×5 mm，采用环氧树脂粘贴钢板于CFRP表面，并通过螺母对螺栓施加10 kN预紧力。试验梁详细参数见表1，制作完成EBFRP及HBFRP加固梁如图3。
采用EB-FRP法加固的3根预裂梁的破坏形式相似，即随着荷载的增加，试验梁原有裂缝继续沿梁高方向开展延伸，新裂缝不断出现，当加载达到极限荷载时，FRP在混凝土表面突然剥离。但各试验梁裂缝分布特征不同，致使FRP初始剥离的位置存在差别。预裂度较小的试验梁（BM2-1预裂度为50%），梁底部主要分布垂直微小裂缝，加载破坏时，FRP剥离从跨中裂缝向梁端进行；预裂度较大的试验梁（BM2-2预裂度为71%、BM2-3预裂度为83%），除梁底部纯弯段分布有垂直裂缝外，梁端斜弯段存在显著的斜裂缝，裂缝宽度较大，加载破坏时，FRP剥离从梁端斜裂缝向跨中快速发展。
采用HB-FRP法加固的预裂梁的破坏形式与采用EB-FRP法加固的预裂梁的破坏形式存在显著不同。虽然随荷载的增大，试验梁原有裂缝仍在发展，新裂缝也不断出现，锚固钢板之间的FRP也发生局部剥离，但由于预紧螺栓的锚固作用，有效的限制了FRP片材的整体自由变形，试验梁达到极限破坏时，锚固钢板下的FRP和混凝土基本没有发生剥离，保证了FRP和钢筋混凝土梁的协调工作，有效提高了FRP材料的利用率和预裂梁抗弯承载能力。最终试验梁呈现斜截面剪压破坏（BM3-1）或锚固钢板之间的FRP断裂破坏（BM3-2、BM3-3）。同时HB-FRP加固的预裂梁的破坏形式也不尽相同，究其原因主要是由于试验梁预裂度的不同，致使其裂缝分布的特征存在差异。BM3-1预裂度为51%，梁底部主要分布垂直微小裂缝，宽度较小，梁的整体刚度较大，试验梁在HB-FRP法加固后，其正截面抗弯能力较强，最终因试验梁斜截面强度不足而造成梁体斜截面剪压破坏。对于预裂度为71%、91%的BM3-2、BM3-3，预裂时梁底加载点附近出现宽度较大的垂直裂缝和斜裂缝，试验加载时，该处裂缝继续开展并向上延伸（见图6），致使FRP所承受拉力急剧增大，最终导致该处的FRP部分被拉断。 此外，加固后试验梁FRP与混凝土之间发生初始剥离时的荷载如图7所示。由图可知：对于预裂度相近的试验梁，2种加固方法的粘结界面初始剥离荷载基本相同；随试验梁预裂度的增大，粘结界面初始剥离荷载减小。可见，梁体裂缝对FRP的剥离具有明显的促进作用。
2.2荷载挠度曲线
根据图8所示荷载跨中挠度曲线可知，试验梁的受力状态基本相同，可分为3个工作阶段：1）第1阶段，从开始到曲线的第1个转折点，该阶段梁体受拉侧裂缝开展较小，各试验梁处于整体工作阶段，荷载-挠度曲线的斜率较大且相近，即抗弯刚度基本相同；由于外贴FRP离中性轴最远，且其延伸率较小，因此其承担较大拉力；2）第2阶段，随荷载增加，FRP所承担拉力增大，所需FRP与混凝土表面的层间粘结力增大，同时因梁体受拉侧裂缝加剧发展，FRP开始剥离，梁体的整体抗弯能力降低；不同FRP黏贴方式下，FRP退出工作的极限荷载明显不同，采用钢板螺栓联合锚固后FRP的利用率得到显著提高（M3-1、BM3-2、BM3-3承受的极限荷载比BM2-1、BM2-2、BM2-3承受的极限荷载分别提高30%、44%、44%）；3）第3阶段：对于EB-FRP加固后试验梁，当FRP与混凝土间界面剪应力峰值达到其界面粘结强度极限时，继续加载会导致试验梁挠度急剧增大，梁体破坏时预兆不明显，具有一定脆性破坏特性；HB-FRP加固技术中，通过胶体、钢板、螺栓的联合锚固，能够大幅提高粘结截面剪应力容许值，因此加固后梁体的极限抗弯承载力显著增大，破坏时梁体挠曲变形较大，利于及时发现、补强，增大了加固后结构物的延性。
从图9可以看出：HB-FRP加固的试验梁FRP的利用率部分达到100%（试验中FRP表现为断裂），EB-FRP加固的试验梁FRP的利用率最大仅为49%，可见前者加固后试验梁的FRP利用率明显高于后者。同时，对HB-FRP加固的试验梁，预裂度越大，FRP的利用率越大；而对EB-FRP加固的试验梁，预裂度越大，FRP的利用率越小（对预裂度为83%的试验梁BM2-3，其FRP的平均利用率仅为21%）。可见，HB-FRP较EB-FRP是一种更为有效的预裂钢筋混凝土梁加固方式，能够充分发挥FRP材料的高强性能，有效避免混凝土裂缝导致的FRP剥离破坏。
3结论
根据EB-FRP及HB-FRP加固预裂简支梁的对比性试验研究，得出以下结论：
1）较EB-FRP加固技术，HB-FRP加固技术是一种更有效的预裂梁加固方式，不仅能够显著提高预裂梁的极限承载能力，而且能够改善预裂梁的破坏模式，显著提高预裂梁破坏时的延性特征。
2）由于螺栓对钢板下FRP预紧锚固作用及层间胶体的粘结作用，HB-FRP加固预裂梁能够有效阻止锚固钢板下FRP的剥离，显著提高FRP和结构物间的层间抗剪能力，因此FRP的利用率得到显著提高，利于FRP材料高强性能的发挥。
3）裂缝的发展程度和分布特征对于FRP加固后钢筋混凝土结构物的抗弯承载能力和受弯破坏形式具有显著影响，为提高FRP的利用率，建议进行加固设计时对原有裂缝进行适当处理。
参考文献：
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[18]管延华，蒋斌松，宋修广.FRP螺栓联合加固RC梁抗弯试验研究[J].中国矿业大学学报，2011，40（2）：202-206.
（编辑王秀玲）