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CFRP加固钢筋混凝土梁可靠度分析

摘要：CFRP作为一种具有高强度和较强耐腐蚀性的加固材料，在当前的建筑混凝土施工中已经得到了一定的应用，取得了较为理想的结果。因此，本文就选取6根不同强度的CFRP加固钢筋混凝土梁展开了深入的试验和探索，对CFRP的极限荷载以及混凝土强度对最终加固效果的影响进行可靠度分析，获取相关数据，为后续建筑施工提供有力支撑。

关键词：CFRP；加固钢筋混凝土梁；可靠度

在我国大型建筑施工中常常存在着这样的问题，即荷载标准提高、环境腐蚀、设计和施工初期存在缺陷等，使得后续的建筑改造加固工作面临着巨大的任务。而随着科技的不断发展，各种新工艺、新材料出现，20世纪90年代开始，纤维复合材料逐渐应用到我国，其在土木工程建设中的应用也逐渐成为行业研究的热点。随着技术的不断进步，碳纤维材料出现，其因质量轻、施工容易、耐腐蚀、耐用性强等优势，在建筑结构加固方面得到了大范围的应用。所以，对不同强度登记下碳纤维加固钢筋混凝土梁的可靠性进行研究是非常必要的。

1试验概况

1.1试验梁设计和过程

针对不同强度下碳纤维钢筋混凝土，均利用矩形的截面梁展开试验，梁跨度为1600mm，净跨1500mm，在试验过程中，需要制作6根相同规格（100*200）的截面梁，且分别对应C25、C30、C40、C50、C60、C70不同的混凝土强度。梁底纵筋2C14，配筋率为1.78%，满足配筋率标准和要求[1]，箍筋A6@200。

本次研究中用到的碳纤维布是型号为CFW300的单向碳纤维布，质量300g/㎡，抗拉强度标准值3800MPa，拉伸弹性模量为2.37×105MPa。在以往试验过程中发现，对CFRP加固梁进行不同形式的包裹，呈现出来的极限应力也会出现不同的结果，可见，包裹方式对极限应力有很大的影响，所以，为了确保试验和实际工程中的加固情况最大程度的契合，试验过程中所采取的加固方法都是在梁底贴上一层碳纤维布，侧面不再考虑。

本次试验在压力机上进行，具体如图1所示。因为碳纤维混凝土梁的强度等级不同，所以，试验过程中每级荷载设计也不同：C25~C40梁每级荷载为5kN；C50~70梁每级荷载为10kN。当荷载作用下的变形稳定后记录相应数据，之后展开下一级荷载试验，每级荷载试验加载持续时间应保持10min以上。

图1 试件加载装置图

1.2不同强度等级梁混凝土的配比

对于C25、C30、C40这三种普通强度的加固混凝土试件，采用42.5号的水泥，以47.5MPa的强度为标准，坍落度在35-50mm；对于C50、C60、C70这三种具有较高强度的混凝土试件，采用52.5号的水泥，以57.5MPa的强度为标准，混凝土坍落度为35-55mm，其中，对于C60、C70这两种强度相对较大的试件，在试验过程中需增加一种减水率在20%左右的减水剂，并掺入30%的Ⅰ级粉煤灰，以解决高强度试验梁混凝土的和易性情况，确保试验与施工中的实际情况相符。不同强度等级的试件配合比和实际测量指标如下表：

表1 不同等级试件混凝土配合比和水灰比分析

混凝土标号	亚里士多德柏拉图含量/（kg·m-3）					水灰比
混凝土标号	水	水泥	砂	碎石	粉煤灰	水灰比
C25	175	278	717	剧毒章鱼被当宠物卖 1221	02009年7月1日	0.63
C30	175	318	667	1238	0	0.55
C40	发展业务175	417	546	1274	0	0.42
C50	195	453	555	1180	0	0.43
C60	157	406	658	1075	174	0.38
C70	119	480	605	1176	205	0.25

表2 不同等级试件混凝土实际测量指标（MPa）

混凝土标号	立方体抗压强度	轴心抗压强度	混凝土弹性模量
C25	30.1	18.9	28400
C30	34.6	22.4	30500
C40	43.8	29.2	32800
C50	54.5	34.6	34700
C60	63.3	40.7	36300
C70	65.5	41.6	36800

2试验结果和可靠度分析

2.1试验梁的破坏情况和实际测得的极限承载力

对于C25、C30、C40这些普通强度等级的加固混凝土试件，在临近破坏荷载的状态下，梁底裂缝出现后很快延伸至受压区，但是，从此时的应变读数上可以看出，C25、C30梁的两票系统

受拉筋尚未达到极限状态，C40梁的钢筋屈服，此时碳纤维布的应变增长仍然处于匀速状态，速度并未出现迅速增加的情况；最后，受压区的混凝土突然压碎，且试件也出现了不同程度的受损，脆性明显，与矩形截面超筋梁被破坏的形态相似，而在这一整个过程中，碳纤维布在梁底部均未出现断裂的情况，并且和混凝土一直保持较好的粘结状态[2]。

而对于强度等级相对较高的C50、C60、C70试件，加载后期受拉区出现了非常明显的横向八字裂缝，受拉钢筋和碳纤维布的应力也在持续增加，达到最终屈服状态。当受拉钢筋屈服后，发现试验梁的挠度有了明显的增加，梁底部碳纤维布的应变也非常明显，而且，荷载持续增加的过程中还出现了一些细微的纤维丝拉裂情况，拉应力逐渐过渡到梁底的碳纤维布上。具体来看，C50梁承受最大荷载后受压混凝土被压碎，此时已经达到极限破坏荷载，梁底的碳纤维布有部分撕裂的情况；而C60和C70梁最终的混凝土仍然完整，只是梁底部的碳纤维布有明显破坏情况，碳纤维布以及混凝土的保护层呈现出纵向脱落的状态，粘结失效。

表3 不同强度等级试件的数据

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混凝土标号	破坏时跨中挠度/mm	设计极限荷载/kN	破坏荷载/kN	破坏荷载和极限荷载比值	承载力破坏形式
C25	7.81	77.1	86.3	1.12	混凝土被压碎
C30	7.46	82.3	95.1	1.16	混凝土被压碎
C40	6.91	90.2	108.3	1.20	混凝土被压碎
C50	6.22	93.6	116.8	1.25	界限破坏
C60	4.95	96.2	127.5	1.33	粘结失效
C70	4.66	98.9	131.6	1.33	粘结失效

通过对上表数据的分析发现，强度等级越高的试件梁，其破坏荷载和设计极限荷载之间的比值越高，这就表明，强度越高的构件与碳纤维的协同效果更好，二者的结合才能将各自的优势充分发挥出来，实现碳纤维材料的高强抗拉性效能，最终达到较为理想的加固效果。

2.2可靠度计算方法

由于配筋率不同梁的弯矩破坏形式出现了受拉破坏、界限破坏、受压破坏三种破坏形式。CFRP筋受拉破坏、受混凝土压破坏之间存在临界点，简单来说就是CFRP筋拉断时混凝土压碎，此时受压区混凝土压应变、受拉区CFRP筋拉应变达到极点。

现阶段，在试验梁可靠性分析上，JC法已经成为对结构安全性分析中普遍采用的一种方法，在这种方法下，随机变量可以在任何结构分布下对其可靠指标进行进一步求解，分析方法相对简单，计算精度也能满足具体工程情况的需求。所以，在分析CFRP加固混凝土钢筋梁可靠性的过程中，结合相关数据，通过JC法得出不同强度等级下试验梁的可靠度指标，如表4所示。

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