局部箍筋缺失对GFRP加固RC梁承载性能与裂缝演化的影响

《Buildings》：Effects of Local Stirrup Deficiency on Load-Bearing Performance and Crack Evolution in GFRP-Strengthened RC Beams

　　

为了解决现有钢筋混凝土（RC）梁中局部箍筋不足的问题，对玻璃纤维增强聚合物（GFRP）加固梁进行了三点弯曲试验。共设计8组16个试件，比较研究了两种箍筋配置（全长均匀分布箍筋和跨中300 mm箍筋缺失区）在0至3层GFRP加固下的承载力、荷载-挠度曲线特征、延性和裂缝演化。结果表明，跨中箍筋缺失显著削弱了GFRP的加固效率。与箍筋缺失梁相比，全长箍筋梁的极限承载力高出6.1%–15.1%；全长箍筋梁能更好地发挥多层GFRP的加固效率，截面刚度改善更显著，峰后下降段更平缓。箍筋缺失对延性的劣化效应明显，全长箍筋梁的延性系数高出6.6%–18.1%。该研究揭示了箍筋与GFRP之间的协同机理。对于全长箍筋梁，GFRP对主裂缝具有优越的约束性能，并导致更均匀的裂缝分布，而箍筋缺失梁则表现出更大的裂缝宽度和非均匀裂缝分布。

在既有钢筋混凝土（RC）梁的加固工程中，外贴纤维增强聚合物（FRP）技术已得到广泛应用。然而，现有研究和设计规范通常假定被加固梁具有完整的横向箍筋配置。实际上，许多早期建造的RC梁因设计标准低、施工质量缺陷或长期腐蚀，常存在箍筋不足、间距过大甚至跨中局部箍筋缺失的问题。以往针对FRP加固梁的研究多采用四点弯曲加载，形成纯弯段；但大量服役构件如次梁、人行天桥和涵洞板等，通常承受跨中集中荷载，弯矩呈三角形分布并在跨中达到峰值，与局部箍筋缺失段重合，形成不利受力状态。此外，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）的弹性模量低于碳纤维增强聚合物（CFRP），其界面粘结性能对基体裂缝缺陷更为敏感，因此跨中箍筋缺失的影响机理不能直接由既有CFRP研究结论外推。为此，研究人员设计了两种箍筋配置（全长均匀分布箍筋S系列和跨中300 mm箍筋缺失N系列），结合0至3层GFRP加固，通过三点弯曲试验系统研究局部箍筋缺失对加固梁承载性能和裂缝演化的影响。

研究人员共设计并制作了16根RC试验梁，分为8组。试验梁采用C30混凝土，受拉纵筋为2根直径10 mm的HRB335带肋钢筋，配筋率1.21%；架立筋和箍筋均采用直径6 mm的HPB300光圆钢筋。GFRP片材由海宁安捷复合材料有限公司提供。试验采用三点简支静力弯曲加载，在跨中通过手动液压千斤顶施加集中荷载，并设置荷载稳定弹簧和荷载传感器；采用阶梯加载持荷方案，每个荷载等级稳定后由数据采集系统以10 Hz频率同步采集荷载和跨中挠度，同时用裂缝宽度仪测量裂缝宽度并记录裂缝分布与扩展过程。GFRP粘贴按照相关技术规范进行，粘贴后在室温下养护7天再开展加载试验。

研究结果与分析如下：

**3.1 承载力指标与刚度对比**
通过对比8组试件的平均特征荷载发现，外贴GFRP能有效提高RC梁的开裂、屈服和极限荷载，且提高幅度随GFRP层数增加而单调增大。跨中箍筋配置对加固效率有显著影响。未加固梁中，S系列的屈服荷载和极限荷载分别比N系列高5.6%和6.1%。经1~3层GFRP加固后，S系列屈服荷载提高42.1%~59.6%，极限荷载提高37.1%~52.9%，均高于同层数N系列的增幅（屈服荷载37.0%~53.7%，极限荷载31.8%~40.9%）。S系列GFRP单层极限应力和强度利用率也优于N系列，表明全长箍筋能分散裂缝处界面剪应力，与GFRP形成协同约束系统，抑制混凝土侧向膨胀，延缓纵筋塑性发展。在截面刚度方面，以跨中挠度5 mm处的割线刚度为指标，S系列1~3层加固梁的刚度较未加固梁提高22%~46%，N系列提高19%~40%；同层数下S系列刚度比N系列稳定高10%~15%，且峰后下降段更平缓。

**3.2 延性系数对比**
延性系数定义为μ_Δ = Δ_u/Δ_y，其中Δ_u为荷载下降至峰值85%时对应的跨中挠度，Δ_y为受拉纵筋屈服时的等效屈服挠度。未加固梁S系列延性系数为3.56，N系列为3.34，前者高6.6%。随GFRP层数增加，两系列延性均下降；但同层数下S系列延性系数始终优于N系列，相对增幅从1层时的7.6%增至3层时的18.1%，表明局部箍筋缺失对延性的不利影响随GFRP层数增加而放大。

**3.3 裂缝演化特征对比**
**3.3.1 两种箍筋配置下的破坏形态**
所有试件均以受拉钢筋屈服为先导，随后GFRP在主裂缝处产生应变集中，部分纤维束达到极限拉应力后断裂，断裂沿片材纵向劈裂扩展，少数试件出现由弯曲裂缝引发的界面剥离（IC debonding）。总体呈弯曲主导的混合破坏模式。对比破坏时的裂缝形态，同层数下S系列梁裂缝数量更多、单条宽度更小、分布更均匀；N系列梁裂缝宽度更大、分布不均匀。此外，随GFRP层数增加，N系列梁的斜裂缝逐渐明显，有斜拉破坏倾向，而S系列未出现该趋势，说明全长箍筋能有效抑制斜裂缝发展并维持弯曲破坏模式。

**3.3.2 跨中主裂缝宽度对比**
在相同荷载水平下，GFRP层数越多，跨中主裂缝宽度越小。未加固梁在峰值荷载下主裂缝宽度S系列为1.0 mm，N系列为1.3 mm。同荷载下，1~3层加固梁的裂缝宽度在S系列分别为0.22 mm、0.17 mm、0.09 mm，在N系列分别为0.24 mm、0.18 mm、0.10 mm。整体上S系列主裂缝宽度比N系列小5.6%~10%，表明全长箍筋配置能更有效地抑制主裂缝宽度的发展。

讨论与结论：研究表明，全长箍筋能与外贴GFRP形成协同增效的约束系统，既充分发挥GFRP的加固效率，又保持构件合理的延性储备。箍筋完整性是保证FRP加固构件承载力和变形能力的关键结构前提。针对局部跨中箍筋缺失的情况，应补充外贴FRP U型箍或侧条带、粘贴钢板、增大截面并增设箍筋等抗剪增强措施。试验结果为既有结构中箍筋缺陷薄弱段的FRP加固设计和服务性能评估提供了直接参考。未来研究需考虑地震或往复循环荷载工况。