卫军，杜永潇，梁家熙，黄敦文，陈涛



多种纤维层间混杂黏贴对钢筋混凝土梁延性影响的试验研究

卫军，杜永潇，梁家熙，黄敦文，陈涛

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

针对碳纤维黏贴的钢筋混凝土梁的强度增强和延性改善不一致的现象，采用多种纤维层间混杂黏贴方式对钢筋混凝土梁进行处理，通过三分点加载试验研究纤维的种类、黏贴顺序以及混杂比例对试验梁抗弯承载力、变形能力以及延性的影响。研究结果表明：纤维材料的极限拉伸强度越大，配布量越大，对试验梁极限承载力提高越明显，与无加固梁相比提高了38.8%~65.3%；纤维材料的断裂延伸率越大，加固梁的变形能力就越好；各试验方案中，芳纶/玄武岩/碳纤维层间混杂黏贴的方式对试验梁的延性提升作用最明显，其综合延性指标和能量延性指标相比于碳纤维梁分别提高了44.8%和125.0%，该混杂纤维加固方式可为有抗震要求的加固设计提供参考。

层间混杂纤维；钢筋混凝土梁；试验研究；变形能力；延性

碳纤维(CFRP)黏贴加固技术已在国内外得到广泛应用，虽然经CFRP加固后受弯构件的承载能力能够显著提升，但其延性却没有获得同比例的增加，难以满足抗震设防需求[1]。由此，国内外学者尝试将碳纤维与其他高延伸率纤维混杂(HFRP)加固钢筋混凝土梁，延性均有了一定的提高[2−9]，但效果不明显。目前，针对纤维的种类、混杂比例以及黏贴顺序对受弯构件延性影响的研究仍存在较多的空白和不足。基于此，本文以碳纤维、高强玻璃纤维、玄武岩纤维以及芳纶纤维为原材料，制作了16组不同组合的层间混杂纤维，通过纵向拉伸试验来研究混杂规律对材料延性的影响[10]。挑选具有代表性的6组混杂方式黏贴钢筋混凝土梁，拟通过三分点加载试验遴选最佳延性增强方案，并对比研究纤维的种类、混杂比例以及黏贴顺序对钢筋混凝土梁抗弯承载力、变形能力以及延性的影响，以期为HFRP加固技术的应用和推广提供可靠的试验依据。

1 延性评判标准

1.1 传统的延性系数

传统的延性系数是在钢筋混凝土构件的受力性能基础上建立的，为极限变形与屈服变形之比，针对所研究的情况，可分为曲率延性系数、转角延性系数和位移延性系数。对于受弯构件，曲率是对应截面变形，转角一般是针对构件局部，挠度是针对整个构件。能量延性系数为极限变形能与屈服时变形能之比。它不仅反映构件的变形储备还能反映承载力储备。但对于无明显屈服点的材料和构件，延性的定义都无法直接应用。

1.2 改进的延性系数

由于传统延性系数对无明显屈服点的构件不适用，就有学者对传统的延性进行了改进。Abdelrahman等[11]在研究FRP筋预应力混凝土梁的基础上，提出一个改进的延性系数：

1.3 变形性系数及综合性能指标

Mufti等[12]明确提出了变形性的概念，并给出了一套性能指标，其中包括一个反映受弯构件综合性能指标[13]：

对于受弯构件，冯鹏等[14]建议采用综合性能指标来全面反映各种不同类型构件的受力性能，该指标综合考量了承载力、变形性和吸收能量这3方面的构件延性。综合性能指标为：

1.4 基于能量的延性指标

FRP加固混凝土梁中反映结构延性或耗能的非弹性残余变形比钢筋混凝土结构的要小得多。因此，采用能量的观点来定义FRP加固混凝土结构的延性指标将更适宜[15]：

式中：el和tot(tot=pl+el)的符号意义见图1。

对于HFRP梁，荷载−变形曲线一般可由开裂点(1,Δ1)、钢筋屈服点(2,Δ2)和极限破坏点(u,Δu)来刻画，如图1所示。为获得混凝土梁的弹性能以及非弹性能，需要得到极限荷载时的卸载曲线。本文提出混凝土梁的卸载刚度为：

式中：k为卸载刚度斜率，k1，k2和k3分别为荷载−变形三阶段的斜率。

为研究多种纤维层间混杂黏贴对钢筋混凝土梁延性的影响，本文采用综合性能指标和能量延性指标表征梁的延性，对HFRP梁进行试验研究和 分析。

2 模型试验研究

2.1 材料力学性能

表1为单一纤维布复合材料的力学性能。表中，C代表碳纤维；S代表高强玻璃纤维；A代表芳纶纤维；B代表玄武岩纤维。

表1 纤维布力学性能

从上述4种纤维中选取2种或者3种进行层间混杂并制成试件，并对多种纤维层间混杂复合材料的纵向拉伸性能进行了试验研究[10]。试件尺寸为：宽度15 mm，间距130 mm和夹持长度50 mm[16]。试验分为16组，每组4个试件。拉伸试验选用DNS100拉伸试验机(准确度等级为0.5)、CRIMS引伸计(标距为50 mm)，采用连续加载直至试件破坏的方式，加载机制为位移控制，加载速度为2 mm/min。选取部分具有代表性的纤维混杂黏贴方式及其拉伸试验结果见表2。表2中，混杂方式//表示黏贴，和纤维各一层，其中，和纤维可选C，S，A和B 4种。

表2 混杂纤维加固材料的力学性能

图2所示为部分具有代表性的混杂纤维应力−应变曲线。由图2可见：在拉伸过程中，HFRP中的碳纤维首先断裂，其承载力随着碳纤维的断裂而迅速下降，之后缓慢上升，上升阶段由延性更好的纤维复合材料承载，随后承载力上升直至某一高点后，HFRP被拉断。由此可预见，将多种纤维层间混杂应用于混凝土梁上，可以充分发挥各种纤维的优势，不同种纤维混杂也会对加固梁的延性有不同的影响。

2.2 试验梁设计

试验设计7片矩形截面钢筋混凝土梁，其中1片为无纤维黏贴的标准梁，1片为碳纤维黏贴梁，其余5片为不同黏贴方式的HFRP梁。混凝土等级为C35，试验梁的尺寸、配筋及加载方式如图3 所示。

(a) S/B/C；(b) A/B/C

单位：mm

2.3 加固方案

梁编号B-0表示不进行加固处理，作为对照组；梁C-1黏帖2层碳纤维；梁S/C-2黏帖高强玻璃、碳纤维各黏帖一层；梁A/C-3黏帖芳纶、碳纤维各一层；梁B/C-4黏帖玄武岩、碳纤维各一层；梁S/B/C-5黏帖高强玻璃、玄武岩、碳纤维各一层；梁A/B/C-6黏帖芳纶、玄武岩、碳纤维各一层。黏帖顺序为由里到外纤维弹性模量逐步增大。加固量见表2。

纤维复合材料沿梁纵向黏帖至支座边缘，宽度为150 mm。为减小纤维复合材料端部的剥离应力，黏帖时采用长度递缩的方式，并在梁底纤维材料延伸长度范围内设置碳纤维U型箍[17]，最后在U型箍上端黏帖纵向压条予以锚固，如图4所示。

2.4 观测内容及测点布置

试验观测的主要内容包括：承载力、荷载-挠度曲线、纯弯段及跨中的钢筋、混凝土和纤维布应变等。应变片、位移计测点布置分别如图5和图6所示。静力加载中及时记录应变、挠度及裂缝的发展情况。

单位：mm

单位：mm

单位：mm

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态

图7所示为试验梁纯弯段的破坏形态图。无加固对比梁B-0为适筋梁破坏，裂缝发展最充分，受压区裂缝贯穿后，混凝土被压碎。加固试验梁均为纤维加固材料断裂破坏。受拉钢筋屈服前加固试验梁的裂缝发展过程与无加固梁接近；受拉钢筋屈服后裂缝在混凝土受压区内表现出不同程度的横向发展，裂缝发展受到明显的抑制。破坏时，梁C-1，S/C-2，A/C-3和B/C-4的裂缝并未在混凝土受压区有横向发展的趋势；梁S/B/C-5裂缝已有横向发展的趋势；梁A/B/C-6裂缝已有横向发展并且受压区混凝土被局部压碎，破坏形态最接近适筋梁破坏。接近破坏时，受拉区混凝土裂缝发展最密集处纤维加固材料与混凝土表面发生剥离。

3.2 荷载-挠度曲线

加载过程的荷载−挠度曲线图绘制如图8所示，并提炼试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及受拉钢筋屈服时和试验梁破坏时的跨中位移，如表2所示。

由图8可知，受拉钢筋屈服前，梁B-0与HFRP梁的刚度相差不大；受拉钢筋屈服至梁达到极限承载力这个阶段，HFRP梁相比于B-0的刚度有明显的提高；在纤维分层破坏逐步断裂阶段，梁A/B/C-6的刚度与B-0相差不大，在这阶段碳纤维已断裂基本退出工作，仅靠芳纶、玄武岩纤维保持承载力，当达到玄武岩纤维的断裂延伸率时，HFRP发生断裂，试验梁破坏。

由表2可知，与无加固梁相比，HFRP梁的极限荷载提高了38.8%~65.3%，但开裂荷载无明显提高，屈服荷载也仅提高了3.6%~9.5%。

3.3 承载能力分析

结合表1和表2分析后发现，纤维材料的极限拉伸强度越高，配布量越大，对极限承载力的提高作用就越明显。如A/C的极限拉伸强度与A/B/C相近，但梁A/B/C-6的配布量比A/C-3多35.3%，梁A/B/C-6的极限承载力提高幅度比A/C-3大了18.57%；梁C-1的配布量与B/C-4几乎相同，但CFRP的极限拉伸强度比B/C高31.0%，梁C-1的极限承载力提高幅度比B/C-4大了21.3%。由此可见，提高HFRP受弯构件极限承载力的黏贴方式有2种：1) 在配布量不变的情况下，由混合定则可知，可提高高强高弹模纤维(如碳纤维)的混杂比例以提高纤维材料的极限拉伸强度；2) 在混杂比例不变的情况下，可增大黏贴面积或增加黏贴层数以增大配布量。

(a) B-0；(b) C-1；(c) S/C-2；(d) A/C-3；(e) B/C-4；(f) S/B/C-5；(g) A/B/C-6

图8 荷载-挠度曲线

3.4 变形能力分析

结合表2和图7分析后发现，HFRP梁的变形能力大小主要受纤维材料的断裂延伸率这个因素的影响。而层间混杂纤维材料的断裂延伸率主要受纤维种类、混杂比例以及黏贴顺序的影响。为便于讨论，按单一组分纤维加固材料的断裂延伸率进行分类，本文将高强玻璃、芳纶纤维归类为高延伸率纤维，将玄武岩纤维归类为中延伸率纤维，将碳纤维归类为低延伸率纤维。

表3 试验梁的抗弯承载力和位移

由表2和图7可知，梁S/C-2，A/C-3和B/C-4的跨中极限位移和纤维材料的断裂应变与C-1相差不大，说明碳纤维层断裂后HFRP就立即发生断裂，中、高延伸纤维层的性能均未得到充分发挥，高、低延伸率纤维混杂和中、低延伸率纤维混杂的黏贴方式对HFRP梁变形能力的提高作用并不明显；梁A/B/C-6的跨中极限位移相比于C-1和A/C-3增大了50.8%和54.3%，纤维材料A/B/C的断裂应变相比于A/C增大了70.2%和78.3%，说明玄武岩纤维层在碳纤维层断裂时减弱了应力集中的影响，使应力平稳转移到玄武岩和芳纶纤维层，HFRP能够继续承受荷载，直至达到玄武岩纤维的断裂延伸率才发生断裂，使HFRP梁的变形能力得到大幅度提高；梁S/B/C-5的跨中极限位移和纤维材料的断裂应变与C-1和S/C-2相差不大，但与A/B/C-6相比跨中极限位移、断裂应变分别降低了43.3%和41.2%，虽然在高、低延伸率纤维层之间有玄武岩纤维层，但由于高强玻璃纤维的抗冲击韧性差于芳纶纤维，在碳纤维层断裂时无法吸收梁刚度突变所产生的冲击能，高强玻璃和玄武岩纤维层瞬间一起发生断裂，未能有效提高HFRP梁的变形能力。

由此可见，芳纶/玄武岩/碳纤维这3种延伸率不同的纤维混杂的黏贴方式能在碳纤维层断裂后继续承载，提高了纤维材料的断裂延伸率，从而提高了加固梁的变形能力。

4 延性分析

4.1 综合性能指标分析

依据式(6)~(8)计算得到试验梁的综合性能指标如表4所示。根据定义，综合性能指标越大试验梁的延性就越好。由表3可知，梁A/B/C-6与C-1相比延性提高了44.8%，延性的提高效果十分显著；梁A/B/C-6与B-0相比延性仅增大了10.1%，其延性已与钢筋混凝土梁几乎处于同一个水平。而其余的混杂纤维黏贴方式的延性提高效果不佳，其余HFRP梁的延性与CFRP梁相差不大。

表4 试验梁的综合性能指标

提高受弯构件延性是采用混杂纤维黏贴加固的首要目的，其次才是考虑对极限承载力、刚度的提高效果。从延性提高效果优劣的角度去考虑，芳纶/玄武岩/碳纤维混杂的黏贴方式在本试验中无疑是最优的，这种黏贴方式对极限承载力和刚度的提高效果也已接近于传统的碳纤维黏贴方式。由表2可知，从承载力方面看，梁A/B/C-6与B-0相比极限承载力提高了58.8%，且已接近于C-1，3种纤维的混杂黏贴增大了黏贴层数，使极限承载力有较大的提高；从变形能力方面，芳纶和玄武岩纤维的共同作用使混杂纤维材料的断裂延伸率有较大的提高，提高了HFRP梁的变形能力。

4.2 能量延性指标分析

通常，混凝土梁荷载−变形曲线一般可由开裂点、钢筋屈服点和极限破坏点将曲线分为3阶段，而采用芳纶/玄武岩/碳纤维黏贴方式的梁A/B/C-6在碳纤维层断裂后继续承载，故而其荷载−变形曲线由开裂点(1,Δ1)、钢筋屈服点(2,Δ2)、碳纤维层断裂点(3，Δ3)和极限破坏点(u,Δu)将曲线分为4阶段(见图8)。此时，梁的卸载刚度由式(11)改写为：

依据式(10)~(12)计算得到试验梁的能量延性指标如表3所示。根据定义，能量延性指标越大试验梁的延性就越好。由表3可知，梁A/B/C-6与C-1相比能量延性指标提高了125.0%，延性的提高效果十分显著；梁A/B/C-6与B-0相比能量延性指标降低了46.4%，而其余的混杂纤维黏贴方式的延性提高效果不佳，其余HFRP梁的延性与CFRP梁相差不大。从能量的角度看，芳纶/玄武岩/碳纤维混杂(A/B/C-6)的黏贴方式的优点在于：碳纤维层断裂后，芳纶/玄武岩纤维能有效地吸收梁刚度突变所产生的冲击能，使加固梁在继续承载的基础上，提高了其变形能力。

通过综合性能指标和能量延性指标分析，均可以看出，芳纶/玄武岩/碳纤维混杂的黏贴方式能在大幅度提高延性的前提下保证受弯构件具有较高的极限承载力和刚度，是本试验中最优的黏贴加固方式，其延性相比于CFRP加固梁提高显著，能为有抗震要求的加固设计提供参考。

5 结论

1) 本试验中HFRP梁的极限荷载相比于无加固梁提高了38.8%~65.3%，加固效果显著。HFRP梁的极限承载力主要受纤维材料的极限拉伸强度和配布量的影响，极限拉伸强度越高，配布量越大，HFRP梁的极限承载力就越高。

2) HFRP梁的变形能力主要取决于纤维材料的断裂延伸率，断裂延伸率越大，变形能力就越好。芳纶和玄武岩纤维共同作用下的应力平稳转移使混杂纤维材料的断裂延伸率相比于CFRP提高了70.2%，从而使芳纶/玄武岩/碳纤维混杂黏贴方式的HFRP梁的跨中极限位移相比于CFRP梁提高了50.8%。

3) 芳纶/玄武岩/碳纤维混杂的黏贴方式能在大幅度提高延性的前提下保证受弯构件具有较高的极限承载力和刚度，是本试验中最优的黏贴加固方式，其延性相比于CFRP加固梁提高显著，能为有抗震要求的加固设计提供参考。

[1] 岳清瑞, 杨勇新. 复合材料在建筑加固、修复中的应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 196−200. YUE Qingrui, YANG Yongxin. Application of composite materials in building reinforcement and repair[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006: 196−200.

[2] LI Jianchun, Steve L Bakoss. Reinforcement of concrete beam-column connections with hybrid FRP sheet[J]. Composite Structures, 1999(47): 805−812.

[3] 褚云朋, 贾彬. 混杂纤维布加固损伤混凝土梁抗弯承载性能试验研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2016(10): 38− 42. CHU Yunpeng, JIA Bin. Experimental research on bending capacity properties of hybrid fiber reinforced damaged concrete beam[J]. China Concrete and Cement Products, 2016(10): 38−42.

[4] WU Zhishen, NIU Hedong. Recent developments in FRP strengthening techniques[C]// The 3th China FRP Academic Thesis Album, Nanjing: Industrial construction, 2004: 1−8.

[5] 杨建中. 混杂纤维复合材料的匹配及其在混凝土结构加固中的应用研究[D]. 汕头: 汕头大学, 2009: 86−87. YANG Jianzhong. Matching of hybrid fiber composites and their applied research in strengthening concrete structures[D]. Shantou: Shantou University, 2009: 86−87.

[6] 邓宗才, 李建辉. 混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验及理论研究[J]. 工程力学, 2009, 26(2): 115− 123. DENG Zongcai, LI Jianhui. Experimental and theoretical research on flexrual performance of RC beams strengthened with hybrid fiber sheets[J]. Engineering Mechanics, 2009, 26(2): 115−123.

[7] 邓宗才, 张戊晨. 混杂纤维增强RPC加固混凝土梁抗弯性能[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(9): 1199− 1205. DENG Zongcai, ZHANG Wuchen. Flexrual performance of reinforced concrete beams reinforced with hybrid fiber reactive powder concrete[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(9): 1199−1205.

[8] 王丹, 郭志昆, 邵飞, 等. 混杂纤维布加固轻骨料混凝土梁的试验研究[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2016, 36(2): 52−58. WANG Dan, GUO Zhikun, SHAO Fei, et al. Experimental study on LC beams strengthened with hybrid fiber sheets[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2016, 36(2): 52−58.

[9] 郭晓博. CFRP/GFRP层间混杂加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2014: 38−58. GUO Xiaobo. Experimental research on flexural performance of RC beams strengthened with hybrid CFRP/GFRP[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014: 38−58.

[10] 彭利英, 梁家熙, 卫军. 混杂纤维复合材料纵向拉伸性能的试验研究[J]. 世界地震工程, 2016, 32(2): 25−30. PENG Liying, LIANG Jiaxi, WEI Jun. Experimental study on longitudinal tensile properties of hybrid fiber reinforced composites[J]. World Earthquake Engineering, 2016, 32(2): 25−30.

[11] Abdelrahaman A A, Tadro G, Rozkalla S H. Test model for the first Canadian smart highway bridge[J]. ACI Structural Journal, 1995, 92(4): 451−458.

[12] Mufti A A, Newhook J P, Tadros G. Deformability versus ductility in concrete beams with FRP reinforcement[C]// Proceedings of 2nd International on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures Montreal, Quebec: CSCE, 1996: 189−199.

[13] Jaeger L G, Mufti A A, Macneill D W. Experimental verification of J-factor for steel and GFRP reinforcement in concrete T-beam[C]// Proceedings of Annual Conference of the Canadian Society for Civil Engineering Sherbrooke, Quebec: CSCE, 1997: 91−100.

[14] 冯鹏, 叶列平, 黄羽立. 受弯构件的变形性与新的性能指标的研究[J]. 工程力学, 2005, 22(6): 29−36. FENG Peng, YE Lieping, HUANG Yuli. Deformability and new performance indices of flexural members[J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(6): 29−36.

[15] Naaman A E, Jeong S M. Structural ductility of concrete beams prestressed with FRP tendons[C]// Proceedings of 2nd International RILEM Symposium (FRPRCS-2) London: E & FN Spon, 1995: 379−401.

[16] GB/T3354—1991, 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法[S]. GB/T3354—1991, Test method for tensile properties of oriented fiber reinforced plastics[S].

[17] 庄江波. 预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验研究与分析[D]. 北京: 清华大学, 2005: 14−25. ZHUANG Jiangbo. Experimental study and analysis of RC T-beams strengthened with prestressed CFRP sheets[D]. Beijing: Tsinghua University, 2005: 14−25.

(编辑 蒋学东)

Experimental study on the effect on the ductility of multi fiber interlayer hybrid reinforced concrete beams

WEI Jun, DU Yongxiao, LIANG Jiaxi, HUANG Dunwen, CHEN Tao

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In view of the phenomenon that the strength and ductility of the reinforced concrete beam bonded with carbon fiber are inconsistent, the reinforced concrete beam is strengthened by a variety of fiber hybrid methods. The effect of fiber type, pasting sequence, and mixing ratio on the bending capacity, deformation capacity, and ductility of the test beam was investigated by a three-point loading test. The test results show that the greater the ultimate tensile strength of the fiber material and the greater the amount of the distribution, the more significant the ultimate bearing capacity of the test beam is, which is increased by 38.8%~65.3% compared with the non-reinforced beam; the greater the elongation at break of the fiber material, the better the deformability of the reinforcing beam; in all experimental schemes, the aramid/basalt/carbon fiber interlaminar hybrid method has the most obvious effect on the ductility of the test beam. The comprehensive ductility index and energy ductility index increase by 44.8% and 125.0% respectively compared to the carbon fiber beam. The hybrid fiber reinforcement method can provide reference for the reinforcement design with seismic requirements.

interlayer hybrid fiber; reinforced concrete beam; experimental study; deformation capacity; ductility

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.023

TU375

A

1672 − 7029(2019)05 − 1282 − 09

2018−06−15

国家自然科学基金资助项目(51378501，51578547，51778628)

卫军(1957−)，男，河南新乡人，教授，从事土木工程结构设计及混凝土结构加固技术研究；E−mail：juneweii@163.com