原作者:东南大学土木工程学院 许清风 蒋永生 张晋 出处:
【论文摘要】：通过使用粘FRP板加固法，来克服粘钢加固法中钢板易腐蚀粘结力易降低的缺点。在已有试验基础上，对粘FRP板加固梁受弯承载力和受剪承载力提高程度进行进一步的研究，分析了各因素对粘FRP板加固梁承载力的影响，提出了相应的施工建议。
0 概 况
当结构构件不能提供足够的强度和使用性能时，必须进行加固。根据实际情况，可选用不同的加固方法，如预应力加固、喷射混凝土加固、聚合物浸渍加固、粘钢加固等。其中粘钢加固由于具有方便快速、增加自重少、所需施工场地小等优点，因而得到较广泛的应用。但其最大缺点是钢板的腐蚀(重工业厂房内钢板的腐蚀更为严重)会导致钢板与混凝土之间粘结力的削弱，这对结构的使用性能和安全性能是不利的。为了消除腐蚀带来的不利影响，可用FRP板代替钢板。
FRP(FiberReinforcedPlastic)为纤维增强塑料，它具有与混凝土的线胀系数接近、比强度高、耐腐蚀性强、电磁绝缘性能好、易于成型和粘贴、可用于不规则平面的加固等优点。FRP板的力学性能与纤维的种类及其布置方向有关，通过改变纤维的布置方向可在某一特定方向上得到预期的加固效果。在梁的受拉面粘贴FRP板可明显提高梁的受弯承载力；在梁的剪压区粘贴FRP板可明显提高梁的受剪承载力，且这两方面是相关联的。
1 用FRP板进行抗弯加固
试验的加载如图1所示，试件的截面示于图2A。试验结果表明，粘FRP板加固梁的开裂荷载比未加固梁的开裂荷载略大。且一般情况下，加固梁的裂缝间距较小、分布较均匀且裂宽较小，这对结构更好地完成使用性能有利。对于粘贴FRP板较短的加固梁，首先在FRP板的端部出现裂缝，然后沿与纵筋成45°的方向发展，并沿纵筋方向延伸，在纯弯区发生破坏之前，板端开始破坏，最后发生由于FRP板端部的局部粘结破坏而引起的试件破坏。当FRP板全长粘贴或在板端部锚固时，板的应力达到屈服。在试件破坏前，由于纵筋的屈服应变比FRP板的屈服应变低较多，大多数加固梁的纵筋可达到屈服。粘FRP板加固梁的抗弯强度和刚度明显提高，特别是在梁的配筋率较低的情况下，提高更加明显。在正常使用状态下试件的抗弯刚度约提高17%～99%。加固梁的抗弯强度亦有明显提高，正常使用状态下提高约19%～99%，极限状态下提高约28%～97%。
图1 试验加载示意
图2 试件截面尺寸
影响粘FRP板抗弯加固的因素有FRP板的长度、FRP板的厚度、试件的配筋率及锚固手段等。
1.1 FRP板长度的影响
FRP板较短时，加固梁易在FRP板的端部发生局部粘结破坏导致试件的破坏；而选用全长的FRP板进行加固时效果较好，施工也较方便。
1.2 FRP板厚度的影响
试件的破坏机构与板的厚度密切相关。当FRP板较簿时，板端的正应力、剪应力均较小；而当FRP板较厚时，板端的正应力和剪应力相对较大。即随着板厚的提高，FRP板端的正应力和剪应力均提高，导致板滑移和混凝土沿着纵筋方向出现撕裂引起的过早破坏，即FRP板与混凝土之间粘结面的过早破坏。
1.3 试件配筋率的影响
当试件配筋较少时，试件的破坏表现为FRP板的拉断。由于充分发挥了FRP板的作用，因而配筋较小时粘FRP板的加固效果较好。
1.4 板端锚固措施的影响
由试验结果可知，选用I型套筒由于其提供了较好的锚固，因而使试件即使在FRP板较厚时也能避免发生沿对角拉裂的脆性破坏。试验结果表明，I型套筒锚固比其它锚固方法有效。
2 用FRP板进行抗剪加固
进行了图3中A～D方案的试验研究，其中A方案为未加固的对比梁。由试验结果可知，图3的B、C、D三种加固方案中，D方案(在梁腹和梁底均粘贴FRP板)的加固效果明显好于另两种加固方案(在剪跨内梁的腹部粘贴FRP条带、仅在梁腹粘贴FRP板)的效果。因为D方案在梁腹和梁底均粘贴FRP板(又称为“U”型粘贴加固方案)，梁底的FRP板不仅增强梁腹FRP板与混凝土的粘结性能，防止FRP板与混凝土过早的滑移破坏；而且与梁腹的FRP板形成半封闭的体系，加强对梁混凝土的约束，提高梁的受剪承载力。同时，在梁底粘贴FRP板还可提高梁的受弯承载力，因而实际的梁在加固时必须使其满足“强剪弱弯”的原则。
本文着重讨论采用“U”型加固方案进行抗剪加固梁的性能。方案如图3中的D～H所示，试件的变化参数包括FRP板的厚度及高度、纤维的布置方向、箍筋的间距和板端的锚固等。为了保证试件发生剪切破坏，在试件设计时加大了试件抗弯钢筋的数量。试验的加载示意图与抗弯加固的加载图相同，见图1；试件的截面尺寸示意如图2B所示。
由试验可知，粘FRP板抗剪加固能大幅度提高钢筋混凝土梁斜截面的受剪承载力和变形能力，改善梁的延性，改变梁的破坏模式。这种非封闭式的加固几乎可达到封闭式加固的效果。且在试验加载后期，FRP板发出叽叽声，进而出现撕裂及起皱现象，给人们以警告，大大改善了脆性破坏的突然性，这一点对抗震减灾是很有实用价值的。
图3 粘FRP板抗剪加固方案示意
影响加固梁加固效果的因素很多，包括FRP板的厚度、纤维的布置方向、箍筋的间距、板端的锚固措施和加固前试件是否开裂等。
2.1 FRP板板厚的影响
由试验结果可知，在保证FRP板与混凝土粘结完好的情况下，加固梁的受剪承载力与FRP板的厚度成正比。但当FRP板的厚度过大时，试件的破坏会越来越表现出脆性性能，且当FRP板过厚时可能导致板的滑移破坏或FRP板与纵筋之间混凝土的撕裂破坏，这是应该避免的。粘FRP板加固所用FRP板的最佳厚度为2～4mm。
2.2 箍筋间距的影响
与普通钢筋混凝土梁相似，粘FRP板加固梁的受剪承载力与箍筋的间距成反比。当箍筋加密区的箍筋过密影响梁的施工时，可粘贴FRP板。这样即使增大箍筋间距也不会降低梁的受剪承载力，同时方便了施工。
2.3 板端锚固措施的影响
通过两种梁(FRP板端部进行锚固加强的梁和FRP板端部未进行锚固加强的梁)的对比试验结果可知，在板端进行了锚固加强的粘FRP板加固梁的加固效果比未进行锚固加强梁的加固效果要好。
2.4 加固前是否开裂的影响
由试验结果可知，加固前未开裂梁的加固效果比加固前已开裂梁的加固效果好。
3 FRP板纤维排列方向对加固效果的影响
FRP板直到破坏均表现出线弹性特征，其力学性能与加固纤维的种类和纤维的排列方向有关，因而可通过改变纤维的排列方向得到某一特定方向上最大的材料强度。粘FRP板进行抗弯加固和抗剪加固的加固效果均与FRP板纤维的布置方向有关［7～8］。
由试验可知，对于抗剪加固，当纤维布置方向与受剪斜裂缝垂直时，FRP板所起的加固效果最优［9］。方案G的加固效果虽稍好，但其垂直纤维布置方向上的性能较差，且施工时纤维布置方向不能颠倒。为方便施工，一般取纤维布置方向为±45°，即取图3中的方案F和H。相应的，抗弯加固应取纤维的布置方向与弯曲裂缝的方向垂直，即沿试件的纵筋方向布置。
4 施工建议
粘FRP板的施工工艺分以下几个步骤：首先用喷砂机打磨混凝土表面，去掉1～2mm表面疏松层；然后用喷气机清除混凝土表面的混凝土碎屑；环氧树脂和固化剂按一定的比例混合，然后均匀地涂于FRP板的板面和混凝土梁的表面上，粘贴时要赶出气泡并压平；粘贴后对粘贴面施加压力，直到粘结剂养护完成。本文建议粘FRP板加固用的FRP板的厚度取为2～4mm，且FRP板与加固的梁等长。从加固的效果出发，进行抗弯加固时，宜在梁的受拉面粘贴FRP板；进行抗剪加固时，宜在梁的底面和侧面粘贴FRP板以形成U型加固方案，提高试件的延性。为了保证加固梁的FRP板与混凝土在使用过程中粘结完好，还可在FRP的端部采用锚固加强措施。
5 结 语
由粘FRP板的抗弯加固和抗剪加固的试验研究可知：在对梁进行加固时，一般可同时提高梁的受弯承载力和受剪承载力，亦即抗弯加固和抗剪加固是相关联的。在进行结构加固时，应针对结构的具体情况，重点进行某一方面的加固。
由于FRP板应力应变曲线没有屈服平台，存在脆性性能，因而加固梁的延性问题被提出来了。但只要设计合理，粘FRP板加固梁的延性可以得到满足。且粘FRP板加固对提高承受重复荷载的构件(如吊车梁)的正截面和斜截面疲劳强度效果都较好，尤其是对斜截面疲劳强度的提高效果更大［11］。粘FRP板不仅可用于梁的加固，而且可用于柱和砌体的加固；还可用于新结构的设计。通过改进FRP板的材料性能和粘结剂的性能可进一步提高粘FRP板的加固效果。粘FRP板技术是一种有效的结构加固形式，值得推广。
