关于粘贴纤维复合材进行受弯构件正截面加固计算的探讨

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——用到的规范 ——

《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，简称砼规

《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2013，简称加固规范

《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》DG/TJ08-012-2017，简称上海规程

《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003，简称协会标准

《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB50608-2010，简称纤维复合材规范

基础知识

普通钢筋混凝土受弯构件正截面破坏的三种类型：

适筋破坏：受拉区纵筋先屈服，然后受压区混凝土被压碎，属于延性破坏。

超筋破坏：受拉区纵筋未屈服而受压区混凝土先被压碎，属于脆性破坏。受拉纵筋配置越多，混凝土受压区高度越大，为防止超筋破坏，规范要求控制相对受压区高度ξ≤ξb，而高抗震等级要求高延性，对应ξ的上限值也就更低。相对界限受压区高度ξb是以受拉钢筋屈服，同时受压区混凝土达到极限压应变

εcu而被压碎的临界状态确定的。

少筋破坏：受拉区纵筋先屈服，虽然常用的热轧钢筋属于有明显屈服点的材料，但由于配筋量少，钢筋应力水平迅速达到强度极限u而发生破坏，此时受压区混凝土尚未破坏，此情况也属于脆性破坏。为防止少筋破坏，根据钢筋混凝土受弯构件的破坏弯矩等于同样截面的素混凝土受弯构件的破坏弯矩的原则，规范确定纵筋最小配筋率ρmin。

Q

“加固规范”第10.2.10条限制受弯承载力的提高幅度不应超过40%，如何理解？

其实不止对于受弯承载力，对于受剪和受压承载力的提高幅度，不同规范中也做了不同限制，目的都是避免加固量过大导致破坏形式呈脆性，具体要求见下表。本文仅展开讨论受弯情况。

钢筋混凝土构件采用粘贴碳纤维工法进行抗弯加固后，可能发生的四种破坏形式及其控制措施如下：

1.加固量很大，受拉钢筋应力水平低，钢筋达到屈服之前，受压区混凝土先被压碎破坏，类似于普通钢筋混凝土构件超筋情况（ξ>ξb），属于脆性破坏。为避免之，各规范对构件加固后的受压区高度进行限制：“协会标准”要求受压区高度x≤0.8ξbh0， “加固规范”和“上海规程”规定相对界限受压区高度ξb,=0.85ξb；“纤维复合材规范”则要求加固前的相对受压区高度ξ≤0.8ξb。

ξb,为纤维片材达到允许拉应变与混凝土受压破坏同时发生时的相对界限受压区高度，因为粘贴纤维片材粘贴于构件下表面，所以计算时分母应取截面全高h而非h0。

2.加固量略大，受拉钢筋先屈服，然后受压区混凝土压坏，此时碳纤维片材未达到允许拉应变[εf]。由于碳纤维片材从受拉开始直至破断，力-变形关系均呈线性，无明显屈服预警，所以规范控制允许拉应变为极限拉应变[εfu]的2/3倍。

本条适用于加固后构件相对受压区高度ξb,<ξ≤ξb的情况，由于受压区高度超过了第1条所述规范规定，所以仅“协会标准”给出了针对此情况的承载力计算公式，后续实施的各规范均按“超过限值，则取限值”的偏安全的做法执行。也就意味着，加固量在本条范围内的受弯构件，采用“协会标准”计算得到的正截面承载力会比其他三本规范得到的数值更大。

3.受拉钢筋先屈服，然后碳纤维片材达到或超过允许拉应变[εf],此时受压区混凝土尚未压坏。本条适用于加固后构件相对受压区高度ξ≤ξb,的情况，各规范都提供了明确的承载力计算公式，且能避免纤维片材发生断裂，如“加固规范”引入了强度利用系数ψf，并要求ψf≤1.0。

4.构件达到抗弯承载力极限之前，碳纤维片材与混凝土发生剥离，属于脆性破坏，规范通过加强锚固措施等构造要求来避免。

可以看出，在控制受弯构件出现以上典型破坏时，规范的要求与承载力提高幅度并无明确对应关系。

上限40%的提出，规范条文说明解释为综合考虑了构件加固后的裂缝、变形和抗剪承载力需求。四本规范中最早发行的“协会标准”说得直接：“因为缺乏成熟的研究成果，考虑到碳纤维片材的加固应用经验尚有不足之处，本规程对加固后受弯承载力的提高程度作了限制”。在其后发行的“上海规程”第4.2.6条和“纤维复合材规范”第4.2.11~4.2.12条，分别给出了构件加固后挠度变形和裂缝宽度的计算方法。两者都是依照“砼规”的计算原则而定，并遵循“砼规”的限值，与40%的界限无直接对应关系。而抗剪承载力的验算，规范一直都有明确的规定。

至此，构件进行抗弯加固时需要控制的7项内容均有了明确应对措施：

1.构件正截面加固后承载力的提高幅度，与初始受压区高度有关，如果加固前已经接近或超过，则构件的承载力提升空间已很小，应考虑改变加固工法。相反的，初始受压区高度越小，潜在提高幅度越大。具体来说，满足初始承载要求且受拉筋配筋率较低的梁，如果配置了等量或略小的受压钢筋，即可得到较小的初始受压区高度，而配筋率低意味着截面初始状态的抗剪储备相对较足。此时即使抗弯承载力目标提高幅度超过40%，截面依然可以通过增大加固量，满足承载力需求。

2.加固后构件裂缝和挠度的计算，均以受拉筋和纤维片材始终保持等应变为原则，将纤维片材面积换算为受拉钢筋面积。由于两者弹性模量相近，设计强度却相差数倍，导致一方面纤维片材换算成的钢筋面积很小，另一方面钢筋在屈服时，纤维片材的高强性能远未充分发挥。而规范对这两项指标的控制均要求钢筋处于弹性状态，所以如果以控制挠度和裂缝为目标，相对于粘贴钢板（换算面积大），粘贴纤维片材的工法是低效的。

大胆设想，当构件满足前述受弯破坏的第3种形式时，应该可以按钢筋屈服后的内力分布状态控制挠度和裂缝。也许正是出于这些考虑，“加固规范”选择了相对简单粗暴的做法，不告知如何计算挠度和裂缝，也不要求按照“砼规”计算和控制，只说是考虑了这些因素，所以限制了承载力的提高幅度。而当构件本身抗弯刚度和配筋面积储备不足时，受限于纤维片材加固的低效，加固后对构件挠度和裂缝的改善效果是极为有限的。换言之，如果不去具体验算，即使构件承载力提高幅度不超过40%，也有可能是不满足“砼规”中挠度和裂缝限值的。

综上，限制混凝土受压区高度、复核截面抗剪能力、控制挠度和裂缝，只要满足了这几项混凝土受弯构件正截面加固的关键内容，承载力的提高幅度或许可以不做限制。

中元建筑一院结构

本文转自中国中元国际工程有限公司