粘貼竹板加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的試驗(yàn)研究

許清風(fēng) 李向民 陳建飛 貢春成

(1 上海市工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200032)

(2 上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200032)

(3 貝爾法斯特女王大學(xué)建筑土木工程學(xué)院，英國(guó)貝爾法斯特BT7 1NN)

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(簡(jiǎn)稱(chēng)預(yù)制空心板)在我國(guó)應(yīng)用廣泛.結(jié)構(gòu)累積損傷和使用荷載的增加，可能導(dǎo)致預(yù)制空心板承載力不足，需進(jìn)行加固.國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)粘貼CFRP 布、內(nèi)嵌CFRP 板、粘貼型鋼、內(nèi)嵌鋼筋、板底植筋并噴射混凝土等方法加固預(yù)制空心板進(jìn)行了試驗(yàn)研究［1－6］.

竹材是一種低碳可再生的可持續(xù)材料，具有抗拉強(qiáng)度高、材質(zhì)均勻、高強(qiáng)重比、穩(wěn)定性好、耐磨等突出優(yōu)點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域一直有所應(yīng)用.許清風(fēng)等［7］和朱雷等［8］進(jìn)行了粘貼竹片加固木梁和混凝土梁的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，粘貼竹片加固木梁和RC梁均為低碳高效的加固技術(shù).

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了粘貼竹板加固預(yù)制空心板力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，為預(yù)制空心板樓面的維修加固提供技術(shù)依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行了9 塊粘貼竹板加固預(yù)制空心板的對(duì)比試驗(yàn).其中，未加固對(duì)比試件3 個(gè)，編號(hào)為S1～S3.粘貼竹板加固預(yù)制空心板試件6 個(gè)，分別為:①試件S4，板底跨內(nèi)粘貼1 層5 mm 厚的橫壓竹板;②試件S5，板底跨內(nèi)粘貼1 層5 mm 厚的側(cè)壓竹板;③試件S6，板底跨內(nèi)粘貼1 層20 mm 厚的側(cè)壓竹板，且竹板兩端設(shè)置200 mm 寬的CFRP箍，其厚度為0.167 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm;④試件S7，板底跨內(nèi)粘貼1 層5 mm 厚的側(cè)壓竹板和1 層5 mm 厚的橫壓竹板，且竹板兩端設(shè)置200 mm 寬的CFRP 箍，其厚度為0.167 mm，搭接長(zhǎng)度為100 mm;⑤試件S8，板底跨內(nèi)沿板軸粘貼1 層300 mm 寬、5 mm 厚的側(cè)壓竹板;⑥試件S9，板底跨內(nèi)粘貼2 條150 mm 寬、5 mm 厚的側(cè)壓竹板，其間距為60 mm.

試件的詳細(xì)尺寸及特征如圖1所示.

圖1 試件尺寸及特征(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用上海市建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《120 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(冷拔低碳鋼絲φb4、φb5)》［9］中的YKB-5-39-3 型預(yù)制空心板.預(yù)制空心板名義高度為120 mm，實(shí)測(cè)厚度為110 mm.混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30;實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為52.4 MPa;冷拔低碳鋼絲的實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度為773 MPa.

試驗(yàn)用竹板由機(jī)器加工而成.竹板拉伸試驗(yàn)圖見(jiàn)圖2.3 根5 mm 厚的橫壓竹板的抗拉強(qiáng)度平均值為101 MPa，彈性模量為9 236 MPa;3 根5 mm厚的側(cè)壓竹板的抗拉強(qiáng)度平均值為100 MPa，彈性模量為9 530 MPa.選用吳江八都得力建筑結(jié)構(gòu)膠廠(chǎng)生產(chǎn)的DL－JGN 型建筑結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠，其鋼-鋼抗拉強(qiáng)度大于33 MPa，鋼-鋼抗剪強(qiáng)度大于18 MPa.

圖2 竹板材性試驗(yàn)圖

1.3 位移計(jì)和應(yīng)變片布置

為了解受力過(guò)程中預(yù)制空心板的變形情況，在試件跨中和支座布置位移計(jì);為了解混凝土和竹板的變形情況，在相應(yīng)位置布置應(yīng)變片.位移計(jì)和應(yīng)變片讀數(shù)采用DH3817 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.試件位移計(jì)布置位置見(jiàn)圖3.

1.4 加載制度

圖3 位移計(jì)布置圖(單位:mm)

本試驗(yàn)所有試件均采用三分點(diǎn)加載，支座間距為3.6 m，加載點(diǎn)之間間距為1.2 m.荷載由液壓千斤頂施加并通過(guò)分配梁傳遞，在預(yù)制空心板加載位置墊砂以使受力均勻.正式加載前進(jìn)行預(yù)加載消除系統(tǒng)誤差.正式加載采用單調(diào)分級(jí)加載，每塊預(yù)制空心板的試驗(yàn)時(shí)間為20～30 min.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 未加固對(duì)比試件

對(duì)于對(duì)比試件S1～S3，在荷載增加至極限荷載的56%～67%時(shí)，于純彎區(qū)段靠近跨中出現(xiàn)第1條豎向裂縫;隨著荷載的增加，純彎區(qū)彎曲裂縫逐漸增多;加載至極限荷載時(shí)，伴隨巨大聲響，預(yù)制空心板在跨中區(qū)域或加載點(diǎn)處突然斷裂破壞，所有縱筋均拉斷.S1～S3的開(kāi)裂荷載分別為15.3，12.7，15.0 kN，其平均值為14.3 kN;極限荷載分別為22.8，22.7，22.8 kN，其平均值為22.8 kN.對(duì)比試件S1～S3的破壞形態(tài)見(jiàn)圖4.

圖4 對(duì)比試件的破壞形態(tài)

2.2 加固試件

對(duì)于加固試件S4～S9，在荷載增加至15.0～28.0 kN 時(shí)，于純彎區(qū)跨中附近出現(xiàn)第1 條彎曲裂縫;隨著荷載的繼續(xù)增加，純彎區(qū)出現(xiàn)多條彎曲裂縫，并向上開(kāi)展.其中，試件S6的裂縫數(shù)量明顯少于試件S4～S5以及對(duì)比試件S1～S3;試件S7的裂縫數(shù)量明顯少于試件S4～S5，但多于試件S6.

當(dāng)荷載增加至極限荷載時(shí)，除試件S7外，其余試件均發(fā)出巨大聲響.試件S4于彎剪區(qū)竹板端部發(fā)生剝離，進(jìn)而在一側(cè)加載點(diǎn)外側(cè)發(fā)生剪切破壞.試件S5于一側(cè)彎剪區(qū)竹板端部發(fā)生剪切破壞，竹板外側(cè)預(yù)制空心板縱筋從混凝土中剝離.試件S6在竹板一側(cè)發(fā)生剪切破壞.試件S7伴隨撕裂聲，在一側(cè)竹板邊緣發(fā)生剪切破壞，竹板和CFRP 箍未見(jiàn)明顯破壞.試件S8在竹板一側(cè)端部發(fā)生剪切破壞，混凝土壓碎、鋼筋彎起.試件S9在跨中位置彎曲破壞，板底竹板全部拉斷，鋼筋多數(shù)拉斷，預(yù)制空心板板面出現(xiàn)貫穿裂縫.

加固試件S4～S9的破壞形態(tài)見(jiàn)圖5.

圖5 加固試件的破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件承載力

各試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.表中，Pcr為開(kāi)裂荷載;P［ω］為達(dá)到允許撓度l0/200 時(shí)的荷載，其中l(wèi)0為預(yù)制空心板跨度;Pu為極限荷載;δP［ω］，δPu分別為P［ω］和Pu的提高幅度;Δu為試件達(dá)到Pu時(shí)的位移.

表1 各試件荷載及位移試驗(yàn)結(jié)果

3.2 荷載-跨中撓度曲線(xiàn)

試件荷載-跨中撓度曲線(xiàn)如圖6所示.試件開(kāi)裂荷載和極限荷載對(duì)比結(jié)果如圖7所示.

圖6 荷載-跨中撓度曲線(xiàn)

圖7 開(kāi)裂荷載和極限荷載對(duì)比圖

由表1、圖6和圖7可知，粘貼竹板加固后，預(yù)制空心板的開(kāi)裂荷載較未加固對(duì)比試件有所提高，提高幅度為5%～96%，平均提高41%;極限荷載顯著提高83%～184%，平均提高123%.僅粘貼1層5 mm 厚竹板加固時(shí)，加固試件破壞時(shí)的限位移增加20%～103%;粘貼2 層5 mm 厚竹板或1 層20 mm 竹板加固時(shí)，極限位移減少11%～17%.

3.3 彎曲剛度

取各試件在荷載分別為0，0.4Pu時(shí)的割線(xiàn)剛度為試件初始彎曲剛度;取各加固試件開(kāi)裂后荷載-位移曲線(xiàn)的平均斜率為試件開(kāi)裂后彎曲剛度.各加固試件初始彎曲剛度和開(kāi)裂后彎曲剛度的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8.

由圖8可知，隨竹板寬度和厚度的增加，加固試件的初始彎曲剛度略有增加，開(kāi)裂后彎曲剛度明顯提高.

圖8 試件彎曲剛度對(duì)比圖

3.4 允許撓度下的荷載

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的規(guī)定，正常使用極限狀態(tài)下預(yù)制空心板的允許撓度為l0/200.本文選用預(yù)制空心板跨度l0=3 600 mm，因而跨中允許撓度［ω］=18 mm.對(duì)比試件和加固試件在跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)的荷載P［ω］對(duì)比見(jiàn)表1.

由表1可知，粘貼竹板加固后，加固試件跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)的荷載P［ω］增加8%～76%，增加幅度隨著加固竹板厚度和寬度的增加而增大，平均增加35%.因此，粘貼竹板加固預(yù)制空心板對(duì)提高正常使用極限狀態(tài)下的承載能力有明顯作用.

3.5 應(yīng)變

典型試件的跨中截面沿截面高度的應(yīng)變變化見(jiàn)圖9.由圖可知，對(duì)比試件和加固試件的跨中截面應(yīng)變隨荷載增加仍基本符合平截面假定.

圖9 試件跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

對(duì)比試件和粘貼竹板加固試件的跨中受拉邊緣和受壓邊緣的應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖10.所有試件的1#應(yīng)變片均位于跨中板頂混凝土受壓邊緣中心.對(duì)比試件S1，S3和加固試件S9的12#應(yīng)變片位于跨中板底混凝土受拉邊緣中心，其余加固試件的12#應(yīng)變片位于板底跨中竹板受拉邊緣中心;試件S8，S9的13#應(yīng)變片位于板底跨中未貼竹板處空隙混凝土的中心;試件S9的11#應(yīng)變片位于板底跨中一片竹板的中心.由圖10可知，隨著竹板寬度和厚度的增加，相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板的拉應(yīng)變和受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變均明顯降低.隨竹板厚度和寬度的增加，粘貼竹板加固試件的開(kāi)裂后彎曲剛度明顯增大.加固試件S4～S7受拉邊緣中心竹板處的拉應(yīng)變最大僅為4 × 10－3～7 ×10－3，這與試件發(fā)生剪切破壞相符.當(dāng)竹板寬度減少至300 mm，臨近破壞時(shí)受拉邊緣中心竹板的最大拉應(yīng)變達(dá)到1.4 ×10－2～1.5 ×10－2，試件S9已發(fā)生彎曲破壞.試件S8，S9的板底跨中未粘貼竹板處混凝土的拉應(yīng)變與對(duì)比試件相近.

圖10 試件跨中邊緣應(yīng)變對(duì)比圖

對(duì)比試件和加固試件的板頂和板底沿跨中寬度方向的應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖11.其中，1#～4#應(yīng)變片位于板頂跨中截面，分別距邊緣220，110，10，60 mm;10#～13#應(yīng)變片位于板底跨中截面，分別距邊緣10，125，235，65 mm.由圖11可知，對(duì)于對(duì)比試件和板底滿(mǎn)貼竹板的加固試件，其跨中截面板頂和板底在加載過(guò)程中沿寬度方向均勻受力.而對(duì)于板底粘貼條帶竹板的加固試件S8，S9，其跨中截面板頂在加載過(guò)程中沿寬度方向基本均勻受力，板底竹板沿寬度方向均勻受力，但條帶竹板和混凝土受力存在較大差異.

對(duì)比試件和加固試件的板頂和板底沿板軸方向應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖12.由圖可知，在加載過(guò)程中，所有試件的跨中純彎區(qū)段沿板軸向的板頂壓應(yīng)變和板底拉應(yīng)變均較為均勻，彎剪區(qū)顯著減小.對(duì)于板底局部粘貼竹板的加固試件S8，S9，其竹板的拉應(yīng)變顯著大于受拉邊緣的混凝土拉應(yīng)變.

圖11 試件跨中沿寬度方向應(yīng)變對(duì)比圖

圖12 試件沿板軸方向應(yīng)變對(duì)比圖

4 結(jié)論

1)破壞形態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果均表明，粘貼竹板加固預(yù)制空心板可顯著提高其承載力.未加固試件和粘貼適量竹板加固預(yù)制空心板均發(fā)生彎曲破壞，當(dāng)竹板寬度和厚度較大時(shí)則會(huì)發(fā)生剪切破壞.

2)粘貼竹板加固預(yù)制空心板的開(kāi)裂荷載平均提高41%，極限荷載平均提高123%.加固試件的開(kāi)裂荷載和極限荷載均隨竹板厚度和寬度的增加而增大.

3)粘貼竹板加固預(yù)制空心板的跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)，荷載平均增加35%，增加幅度隨竹板厚度和寬度的增加而增大.粘貼竹板對(duì)提高正常使用極限狀態(tài)下的承載能力亦有明顯作用.

4)隨著竹板寬度和厚度的增加，加固試件的初始彎曲剛度略有增加，開(kāi)裂后彎曲剛度明顯提高.

5)隨著荷載的增加，對(duì)比試件和加固試件的跨中截面應(yīng)變?nèi)曰痉掀浇孛婕俣?隨著竹板寬度和厚度的增加，相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板拉應(yīng)變和受壓邊緣中心混凝土壓應(yīng)變均有所降低.在加載過(guò)程中，跨中截面板頂沿寬度方向均勻受力.

6)竹材是一種可再生低碳生物質(zhì)材料，具有抗拉強(qiáng)度高、材料性能穩(wěn)定、易本地化、價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn).采用竹板代替其他加固材料，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向.下一步工作應(yīng)深入研究粘貼竹板加固預(yù)制空心板的作用機(jī)理、耐久性能、防火性能，并在此基礎(chǔ)上提出粘貼竹板加固預(yù)制空心板的設(shè)計(jì)方法和施工工藝.

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