0 引言

随着建筑功能的改变、材料的老化和结构的损伤等，需要对既有建筑结构进行改造与加固。目前，国内外应用最广泛的加固材料是钢材和纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)，许多学者对钢材和FRP加固钢筋混凝土结构做了大量的研究。Thamrin和Sari^[1]对腹板粘贴钢板加固RC梁的抗弯性能进行了试验研究，结果表明：腹板粘贴钢板加固RC梁的承载力和刚度均得到了有效提高，提高幅度在6~28%。陆新征等^[2]对FRP加固RC梁受弯剥离破坏进行了有限元分析，提出了受弯剥离的双重剥离破坏准则以及相应的界面黏结滑移关系，并开发了相应的FRP-混凝土界面单元模型。Hawileh等^[3]采用外部粘结CFRP薄板对抗剪强度不足的RC梁的承载力进行了试验研究，结果表明：加固梁的抗剪承载力提高了10~70%，纵向受拉钢筋配筋率对RC梁的抗剪强度有显著的影响。毛德均等^[4]对钢板-混凝土组合加固RC梁抗弯承载力计算方法进行了对比分析，基于3种界限状态下的截面应变分布分析，推导了每种状态下加固钢板和受拉钢筋的应力确定方法，建立了加固梁的抗弯承载力计算公式。以上研究均表明了钢板与FRP材料加固钢筋混凝土结构均能不同程度地提高构件的截面承载力及延性，但同时加固材料也存在着自身的局限性。粘贴钢板加固时，需要对钢板表面进行防腐处理，要长期进行维护，且使用范围受环境影响具有一定的局限性。FRP是脆性材料，破坏具有突然性，不宜加固节点区域。

相比以上两种材料，铝合金具有良好的耐腐蚀性和延展性，在低温下，强度随温度的降低而增大且无脆性，适用范围广，可将其作为加固材料应用于工程结构加固^[5]。因此，国内外学者围绕铝合金加固钢筋混凝土结构进行了研究，Abuodeh等^[6]对螺栓锚固和环氧树脂胶粘结铝合金板加固RC梁的受弯性能进行了试验研究，结果表明：与环氧树脂胶加固的RC梁相比，用螺栓锚固的RC梁的强度、延性分别增加了24%, 84%。Rasheed等^[7]进行了粘铝合金板抗弯加固RC梁可行性和有效性的试验研究，试验参数包括铝合金板的厚度和端部是否进行锚固，结果表明：梁底粘铝合金板可以有效提高钢筋混凝土梁的强度和延性。许颖等^[8]对7根不同加固方式和预加载程度的RC梁进行了试验研究及数值模拟分析，结果表明：45°侧面倾斜粘贴对于混凝土梁的抗剪加固效果最适宜。柳红滨^[9]进行了26根粘贴铝合金板加固RC梁的抗弯性能试验研究，试验参数包括截面形式、黏结长度、铝合金板的宽度、加劲肋高度，结果表明：铝合金板加固RC梁可有效提高梁的承载力，从界面剪应力入手建立了板端弯剪破坏的破坏准则和计算公式。杨立军等^[10]完成了4根RC基准梁和10根铝合金板加固RC梁的抗弯性能试验研究，试验参数主要考虑了铝合金板和RC梁的3种连接方式：结构胶、结构胶+螺栓连接和结构胶+U形箍连接，结果表明：所有试验梁均呈延性破坏，整个过程中铝合金板与RC梁协调变形、共同承载，截面平均应变符合平截面假定。为研究铝合金板与混凝土的界面黏结性能，姜德文等^[11]完成了45个构件的双面纯剪试验，试验参数包括混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板黏结长度和黏结宽度，通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板-混凝土黏结滑移本构曲线，结果表明：铝合金板-混凝土黏结滑移本构曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。陈钰等^[12]进行了48个铝合金板-混凝土试件的界面双剪试验，分析了铝合金板厚度、铝合金板黏结长度以及结构胶种类对界面破坏机理、剥离承载力、黏结剪应力及滑移演化规律的影响。为了给铝合金板和RC梁的连接设计提供依据。杨立军等^[13]对铝合金板-混凝土界面剪应力开展了理论和试验研究，试验考虑了铝合金板厚度和U形箍连接等影响因素，结果表明：板端界面剪应力随铝合金板厚度和板端与支座距离变大而增大，最大界面剪应力随结构胶厚度增大而增小，设置U形箍连接时，界面剪应力变小。由于国内外对于外粘铝合金板加固混凝土结构的研究相对较少，而影响铝合金板加固RC梁抗弯性能的因素多，对粘铝合金板抗弯加固RC梁的受力机理与设计方法尚未形成统一的认识。故本研究将通过16根铝合金板加固RC梁的抗弯性能试验，重点研究铝合金板厚度及端部U形铝合金箍板构造对RC梁破坏机理及抗弯性能的影响。

1 试验概况 1.1 试件设计及制作

设计制作了9组试件，每组2个试件，包括：2根适筋RC梁和16根铝合金板加固RC梁，试件设计参数包括：梁底加固用铝合金板厚度及端部U形铝合金箍板构造，如表 1所示。

试验梁的截面尺寸为b×h=120 mm×200 mm，跨度L=1 650 mm，净跨L₀=1 500 mm，纵向受拉钢筋采用212，弯剪段箍筋按8@100配置，纯弯段不配置箍筋。梁顶架力筋采用28，为了避免架立筋的影响，将纯弯段架力筋截断，试件尺寸及配筋情况如图 1所示。梁底加固用铝合金板宽、长分别为50 mm，1 300 mm，端部设置了3块U形铝合金箍板，宽、厚分别为80 mm，3 mm，相邻箍板净间距为40 mm。

1.2 材料力学性能

混凝土设计强度等级为C30，其质量配合比为m_水泥∶m_砂∶m_石∶m_水=1∶1.90∶3.52∶0.60；铝合金板型号为6061-T6；结构胶采用瑞士某公司生产的Sika-30CN双组份的、无溶剂的、触变性环氧树脂结构胶；钢筋强度等级为HRB400级。各材料的材性试验结果如表 2所示。

1.3 试验装置与加载方案

根据GB/T 50512—2012《混凝土结构试验方法标准》，试验采用分级加载，分为预加载和正式加载两个阶段。为保证试验装置与构件紧密接触、各个测试仪器正常工作，正式加载前先进行预加载。试验梁开裂前采用力控制加载方式，梁开裂后采用位移控制加载，加载直至试件出现典型的破坏征兆。试验加载装置如图 2所示。

当试件出现下列破坏标志时，停止加载；(1)试件板端出现剥离破坏；(2)纯弯段梁顶受压区混凝土压坏；(3)梁底受拉钢筋拉断或铝合金板拉断；(4)梁底受拉钢筋或铝合金板的应变达到0.01；(5)梁底受拉钢筋处裂缝宽度达到1.5 mm；(6)挠度达到跨度的1/50。(7)斜截面出现剪切破坏。

1.4 测点布置

通过在梁跨中截面的顶面、侧面粘贴应变片来测量混凝土的应变变化规律，混凝土应变测点布置如图 3所示。通过在梁底铝合金板的表面粘贴应变片来测量铝合金板的应变变化规律，铝合金板应变测点布置如图 4所示。通过在梁底跨中、梁顶两端支座布置百分表来测量梁的位移变化规律，位移测点布置如图 2所示。

2 试验结果及分析 2.1 主要试验结果及破坏形态

试验结果如表 3所示。由表 3可知：试件破坏形态主要包括适筋破坏、端部铝合金板与结构胶剥离、端部铝合金板与梁剥离及中部铝合金板剥离这4种情况，通过端部设置U形铝合金箍板可以有效防止端部铝合金板发生剥离。

试件L₀是未采取任何加固措施的对比试件，呈适筋破坏特征，其受力全过程如下：当荷载加至12 kN时，试件底部出现了两条细微的裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm。当跨中挠度达到5.98 mm时，荷载为54 kN，此时裂缝基本出齐。当跨中挠度达到8.20 mm时，荷载-跨中挠度曲线出现明显的转折，此时试件屈服。当跨中挠度达到19 mm时，受压区混凝土有少量压碎剥落现象。当跨中挠度达到44 mm时，受压区混凝土被压溃，荷载大幅度下降，试验结束。

试件L₁~L₄没有设置端部U形铝合金箍板，均发生端部剥离破坏。以试件L₂为代表，其破坏过程如下：当荷载加至22 kN时，试件跨中底部出现几条细微的竖向裂缝。此后采用位移控制加载，随着试件跨中挠度的增加，试件底部不断有新的裂缝出现，且裂缝不断向上沿伸，宽度也不断增加。当跨中挠度达到6.60 mm时，此时荷载为82.25 kN，端部铝合金板与混凝土梁发生剥离，试验结束。

试件L₆，L₈设置了端部U形铝合金箍板，破坏时钢筋和铝合金板先屈服，然后是受压区混凝土被压碎，呈典型适筋破坏特征，以试件L₆为代表，其破坏过程如下：当荷载加至22 kN时，试件纯弯段出现几条细微的竖向裂缝。此后采用位移控制加载，当跨中位移达到12.4 mm时，荷载-挠度曲线出现明显的拐点，此时试件已经屈服。当跨中位移达到15.2 mm时，试件受压区混凝土开始剥落，此时荷载达到104 kN。随着跨中挠度的继续增加，试件受压区混凝土逐渐被压溃，试件的承载力迅速下降，试验结束。

试件L₅，L₇设置了端部U形铝合金箍板，但出现了跨中铝合金板剥离现象，以试件L₅为代表，其破坏过程如下：当荷载加至20 kN时，试件底部跨中部位出现几条细小的垂直裂缝，此后采用位移控制加载。当跨中位移达到13 mm时，此时荷载为94.75 kN，跨中铝合金板发生剥离，试件的承载力开始下降，但是由于端部U形铝合金箍板的锚固作用，试件仍能够继续承载，最后钢筋、铝合金板屈服后受压区混凝土被压碎。

通过分析以上破坏形态可知：(1)黏铝合金板加固RC梁会由于在梁底铝合金板端部处有应力集中现象而发生端部界面剥离破坏^[13]。(2)当梁端采用U形铝合金箍板对梁底铝合金板进行锚固时，能有效防止梁端铝合金板的界面剥离，从而增加RC梁的承载力及延性。(3)需要注意的是，当梁端设有可靠的U形铝合金箍板锚固措施时，试件最终也可能会发生中部铝合金板的界面剥离破坏，因此实际工程加固中，为避免梁中部铝合金板发生界面剥离破坏，建议设置中部U形铝合金构造箍板。

2.2 荷载-跨中挠度曲线

图 5(a)~(b)分别为端部未设置铝合金箍板试件、端部设置铝合金箍板试件的荷载-跨中挠度曲线。由图 5(a)可知：对比试件L₀，试件L₁~L₄的荷载-挠度曲线无明显破坏阶段，抗弯承载力仅提高了3%~16%，说明端部无铝合金箍板时粘铝合金板加固RC梁的效果不理想，且加固后试件的延性明显变差，试件呈脆性破坏特征，主要是因为RC梁端部未设置U形铝合金箍板，破坏始于端部铝合金板的剥离，材料性能没有得到充分利用。由图 5(b)可知：对比试件L₀，试件L₅~L₈的荷载-挠度曲线呈适筋梁3阶段破坏特征，抗弯承载力提高了38%~97%，试件承载力随铝合金板厚度的增加而明显增大。对比图 5(a)~(b)可知：端部设置U形铝合金箍板能有效提高试件的承载力和延性。

2.3 钢筋与铝合金板荷载-应变曲线

图 6(a)~(b)分别为端部未设置铝合金箍板试件、端部设置铝合金箍板试件的钢筋与铝合金板的荷载-应变曲线。由 图 6(a)可知：试件L₁~L₄的钢筋与铝合金板荷载-应变曲线可以分为两段：(1)开裂前，钢筋和铝合金板的荷载-应变曲线基本重合，应变随荷载的增加而缓慢地增长，这表明钢筋与铝合金板协同工作性能较好。(2)开裂后，钢筋与铝合金板的荷载-应变曲线发生分离，在同一荷载级下，铝合金板应变均大于钢筋应变，由于试件破坏始于端部铝合金板剥离破坏，故钢筋和铝合金板均未屈服。由 图 6(b)可知：试件L₅~L₈的钢筋与铝合金板荷载-应变曲线可以分为3段：(1)开裂前，荷载-应变关系均呈直线，且基本重合，钢筋与铝合金板处于弹性工作阶段，且协同工作性能较好。(2)开裂后，荷载-应变关系出现拐点，但仍呈直线，钢筋与铝合金板均未屈服。(3)铝合金屈服应变远大于钢筋屈服应变，在钢筋与铝合金板先后屈服后，荷载无明显增加，但应变迅速增大，由于端部设置了U形箍板，最终破坏时钢筋和铝合金板均已屈服，试件的延性和承载力得到了明显的改善。对比 图 6(a)，(b)可知：端部设置U形铝合金箍板可有效提高铝合金板与混凝土梁的协同工作性能，充分发挥铝合金板的材料性能，从而提高RC梁的承载力和延性。

2.4 受压区混凝土荷载-应变曲线

图 7(a)~(b)分别为端部未设置铝合金箍板试件、端部设置铝合金箍板试件的受压区混凝土荷载-应变曲线。由图 7(a)可知：对比试件L₀，试件L₁~L₄的受压区混凝土荷载-应变曲线可以分为两段：(1)开裂前，荷载较小，受压区混凝土处于弹性阶段，混凝土荷载-应变曲线基本呈线性增长。(2)开裂后，应变随荷载增加而增大，由于端部未设置U形铝合金箍板，试件均发生了端部剥离破坏，最大压应变均小于2 000×10^-6。由图 7(b)可知：对比试件L₀，试件L₅~L₈的受压区混凝土荷载-应变曲线呈适筋梁这3阶段分布特征，加载初期受压区混凝土荷载-应变曲线均呈直线，表明混凝土处于弹性工作阶段，混凝土应变达到1 500×10^-6后，混凝土应变随荷载的缓慢增长而迅速增加，最大压应变达到了3 600×10^-6。对比图 7(a)~(b)可知：端部设置了U形铝合金箍板的RC梁，其混凝土的材料性能得到了充分发挥。

2.5 跨中截面沿高度方向的应变分布规律

图 8(a)~(d)分别为不同破坏形态试件(L₁为端部铝合金板与结构胶剥离破坏、L₂为端部铝合金板与梁剥离破坏、L₅为铝合金板中部剥离破坏、L₆为适筋破坏)跨中截面沿高度方向的应变分布图。由图 8可知：开裂前，试件中和轴位置基本保持不变，粘贴铝合金板加固RC梁跨中截面沿高度方向的应变分布基本符合平截面假定。对比图 8(a)~(b)、图 8(c)~(d)可知：随着铝合金板厚度的增加，中和轴位置向下移动的幅度也随之增加，这是因为梁底粘贴铝合金板等效于增加受拉纵筋的面积，梁的中和轴位置也随之向下移动。对比图 8(a)与(c)、图 8(b)与(d)可知：当铝合金板厚度相同时，在相同荷载级下，端部设置U形铝合金箍板的试件，其底部受拉区铝合金板和混凝土应变较小，顶部受压区混凝土应变较大，表明端部设置U形铝合金箍板可有效提高铝合金板与混凝土的协同工作性能，充分发挥铝合金板的抗拉性能，从而提高试件的承载力。

2.6 裂缝分布规律

试件的裂缝分布如图 9所示。由图 9可知：所有试件纯弯段内弯曲裂缝分布比较均匀，弯剪段内的裂缝数量较少。试件L₀的裂缝出现时间较早，且裂缝的数量较多，发展得比较充分。对比试件L₁~L₈的裂缝分布图可以看出，铝合金板抑制混凝土梁裂缝发展的能力随铝合金板厚度的增加而提高，表明梁底粘贴铝合金板可有效提高梁的开裂荷载，抑制裂缝的发展。端部设置U形铝合金箍板后，试件弯剪段裂缝数量明显变少，纯弯段裂缝发展也更加充分，表明梁端部粘贴U形铝合金箍板可有效抑制梁弯剪段裂缝的发展。

2.7 参数分析

图 10(a)对比分析了端部设置U形铝合金箍板情况下铝合金板厚度对试件开裂荷载与极限荷载的影响。由图 10(a)可知：对比试件L₀，试件L₅~L₈的开裂荷载分别提高了67%，83%，100%，150%，试件屈服后的极限荷载分别提高了38%，51%，72%，97%，试件抗裂性能与承载能力随铝合金板厚度的增加而提高，表明粘铝合金板加固RC梁效果较好。

图 10(b)对比分析了端部设置U形铝合金箍板对试件开裂荷载与极限荷载的影响。由图 10(b)可知：在铝合金板厚度相同的情况下，端部设置U形铝合金箍板对试件的开裂荷载无明显影响，但可有效提高试件的极限荷载，这是因为端部设置U形铝合金箍板可有效防止端部铝合金板发生剥离，提高铝合金板与混凝土的协同工作性能，充分发挥铝合金板的抗拉性能，从而有效提高试件的承载力。

3 铝合金板加固梁的正截面承载力公式 3.1 基本假定

基于以上试验研究结果，对粘铝合金板加固梁的受弯承载力计算引入以下基本假定：

(1) 在梁加载至破坏的过程中，截面始终保持平面。

(2) 不考虑受拉区混凝土的作用。

(3) 混凝土的应力应变关系采用经典的抛物线上升段与水平段的分段函数^[14]，极限应变值取0.003 3。

(4) 钢筋的应力应变关系采用经典的弹塑性模型^[14]，极限应变值取0.01。

(5) 铝合金板的应力应变关系采用经典的弹塑性模型^[15]，极限应变值取0.01。

(6) 试件加载过程中，铝合金板与混凝土界面不发生剥离破坏。

3.2 不同破坏模式的相对受压区高度

根据平截面假定，界限破坏时，RC梁的相对界限受压区高度ξ_b、粘铝合金板加固RC梁的相对界限受压区高度ξ_cab计算式分别如式(1)~(2)所示：

(1)

(2)

式中，ε_ca，ε_cu，ε_y分别位铝合金板屈服拉应变、混凝土极限压应变、钢筋屈服拉应变；x_b，x_cb，x_cab，x_{ca, cb}分别为RC梁的界限受压区高度、界限破坏时的中和轴高度，粘铝合金板加固RC梁的界限受压区高度、界限破坏时的中和轴高度；x_b=β₁x_cb，x_cab=β₁x_{ca, cb}，其中β₁为混凝土受压区高度系数，按文献[16]进行取值；h₀，h_a分别为钢筋合力点至截面受压区边缘的距离、铝合金板合力点至截面受压区边缘的距离。

通过将试件参数及铝合金设计指标^[17]代入式(2)中可知，粘铝合金板加固RC梁的相对界限受压区高度ξ_cab恒小于RC梁的相对界限受压区高度，即ξ_cab < ξ_b。

根据ξ与ξ_cab, ξ_b的关系，粘铝合金板加固RC梁的破坏模式可以分为5种情况：

(1) 当ξ < ξ_cab，钢筋屈服后，铝合金板屈服，随后受压区混凝土被压碎，这种破坏模式发生在钢筋与铝合金板配置适中的情况之下，此时钢筋和铝合金板的材料性能得到了充分利用，呈适筋破坏特征。

(2) 当ξ=ξ_cab，钢筋屈服后，铝合金板屈服的同时受压区混凝土被压碎，这种破坏模式属于界限破坏。

(3) 当ξ_cab < ξ < ξ_b，钢筋屈服后，受压区混凝土被压碎，而铝合金板未屈服，铝合金板的材料性能未充分利用。

(4) 当ξ=ξ_b，钢筋屈服的同时受压区混凝土被压碎，而铝合金板未屈服，铝合金板的材料性能未充分利用。

(5) 当ξ>ξ_b，受压区混凝土被压碎，而此时钢筋和铝合金板均未屈服。由于钢筋与铝合金板配置均过多，钢筋和铝合金板的材料性能均未充分利用。

3.3 不同破坏模式的抗弯承载力

(1) 第1种破坏模式发生时，受压区混凝土的压应变ε_c=ε_cu，钢筋应变ε_s>ε_y，铝合金板应变ε_a>ε_ca，加固梁正截面的抗弯承载力计算简图如图 11(a)所示。

力平衡方程：

(3)

对铝合金板合力点取矩的力矩平衡方程：

(4)

式中，a_s为梁底最外侧混凝土到钢筋合力点之间的距离；α₁为等效矩形应力图系数，按文献[16]进行取值；b，x为试件的宽度、受压区高度；A_a, f_a为铝合金板的面积、抗拉强设计值；A_s, f_y为钢筋的面积、抗拉强设计值；f_c为混凝土抗压强度设计值。

(2) 当第2种破坏模式发生时，受压区混凝土的压应变ε_c=ε_cu，钢筋应变ε_s>ε_y，铝合金板应变ε_a=ε_ca，加固梁正截面的抗弯承载力计算简图如图 11(b)所示。

力平衡方程：

(5)

对铝合金板合力点取矩的力矩平衡方程：

(6)

(3) 当梁发生第3种破坏模式时，受压区混凝土的压应变ε_c=ε_cu，钢筋应变ε_s>ε_y，铝合金板应变ε_a<ε_ca，加固梁正截面的抗弯承载力计算简图如图 11(c)所示。

力平衡方程：

(7)

其中，x与σ_a可按式(8)计算：

(8)

(9)

对铝合金板合力点取矩的力矩平衡方程：

(10)

式中，σ_a为铝合金板的应力；E_a为铝合金板的弹性模量。

(4) 当第4种破坏模式发生时，受压区混凝土的压应变ε_c=ε_cu，钢筋应变ε_s=ε_y，铝合金应变ε_a < ε_ca，加固梁正截面的抗弯承载力计算简图如图 11(d)所示。

力平衡方程：

(11)

其中，x可按式(12)计算：

(12)

对铝合金板合力点取矩的力矩平衡方程：

(13)

式中ε_s为受拉钢筋应变。

(5) 当第5种破坏模式发生时，钢筋和铝合金板的强度均未充分利用，破坏时无明显征兆，呈超筋破坏特征，工程中应该避免此类情况的发生。加固梁正截面的抗弯承载力计算简图如图 11(e)所示。

3.4 试验与计算结果对比

表 4给出了本研究试验与引入文献试件的抗弯承载力的计算值(P_cal)与试验值(P_exp)的对比，对比结果表明：当试件出现钢筋、铝合金板屈服后受压区混凝土被压碎，即适筋破坏特征时，试件抗弯承载力的计算值与试验值比值均在1以下，且计算值与试验值的偏差在20%以内。因此，在实际工程中，本研究所推导的铝合金加固混凝土梁正截面承载力计算公式具有较好的普适性，能够有效预测铝合金板加固RC梁的抗弯承载力，可为工程实际设计提供参考。

4 结论

本研究通过16根粘铝合金板加固RC梁的抗弯性能试验，得到了试件的4种破坏模式，包括适筋破坏、端部铝合金板与结构胶剥离、端部铝合金板与梁剥离及中部铝合金板剥离，研究了铝合金板厚度与端部U形铝合金箍板构造对RC梁破坏机理及抗弯性能的影响。基于该研究内容，得到了如下结论：

(1) 应在RC梁端部设置U形铝合金箍板。当端部设置U形铝合金箍板时，可有效抑制端部铝合金板发生剥离，钢筋与铝合金板的材料性能得到充分发挥，试件承载力与延性明显提升；当铝合金板厚度分别为2~6 mm时，试件承载力随铝合金板厚度的增加而提高。

(2) 宜在RC梁中部设置U形铝合金构造箍板。端部设置U形铝合金箍板可有效防止端部铝合金板发生剥离，但试件仍可能会出现中部铝合金板剥离现象，建议实际工程加固中在RC梁中部设置U形铝合金箍板防止中部铝合金板剥离。

(3) 基于试验得到的破坏机理，引入合理的基本假定，推导出不同破坏模式下铝合金板加固RC梁的正截面承载力计算式，并将其与引入文献中的试验结果进行对比分析，结果表明本研究所提计算式具有明显的规律性和适用性，可为工程实际设计提供参考。