CFRP板加固混凝土梁不同錨固方式受彎性能試驗(yàn)研究

趙少偉，劉福鑫，代東輝,2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.山東朗建城市設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

研究開發(fā)碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)加固補(bǔ)強(qiáng)新技術(shù)，它因具有高強(qiáng)高效、耐腐蝕、施工便捷、工期短、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1].外貼CFRP片材對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是CFRP加固技術(shù)的一項(xiàng)重要措施[2-8].梅力彪等[9]闡述了復(fù)合材料碳纖維板與混凝土的有效粘接長度和界面抗剪粘接強(qiáng)度問題，為防止碳纖維板加固混凝土梁剝離破壞提供參考.Paul JFanning[10]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)CFRP板在降低梁受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變和減小中和軸高度方面發(fā)揮了很好的作用，并且提高了試驗(yàn)梁各方面的工作性能.Spadea G，Swamy R N，Bencardino F等[11]分析了不同的錨固措施對(duì)CFRP板加固結(jié)構(gòu)梁在延性、剛度等方面的影響，使人們認(rèn)識(shí)到了錨固方式的重要性為以后不同錨固方式的研究奠定了基礎(chǔ).丁亞紅，曾憲桃等[12]開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的嵌貼加固研究，分析了不同加固方法所對(duì)應(yīng)的碳纖維板的利用效率.本文主要研究在自主研發(fā)的一套錨具的基礎(chǔ)上，研究CFRP板的不同的錨固方式對(duì)試驗(yàn)梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的影響，分析CFRP板的不同的錨固方式與混凝土受壓區(qū)應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變、CFRP板的利用效率的關(guān)系，比較加固梁的不同錨固方式，總結(jié)CFRP板不同錨固方式對(duì)試驗(yàn)梁延性、剛度、裂縫等使用性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用了4根矩形截面簡支梁,其中1根為對(duì)比梁，不進(jìn)行加固，其余3根為加固梁.截面尺寸× =250mm×350mm，全長3 800mm，計(jì)算跨度3 600mm.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，梁底主筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB335級(jí)，鋼筋直徑為22mm；架立筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB335級(jí)，鋼筋直徑為12mm；箍筋均采用HPB235級(jí)鋼筋，通長布置，保證試驗(yàn)梁不會(huì)由于抗剪承載力不足而發(fā)生破壞，即保證構(gòu)件加固前后均發(fā)生彎曲破壞.試驗(yàn)梁具體加固設(shè)計(jì)見表1，梁端錨具及現(xiàn)場加固圖見圖1，試驗(yàn)梁加固情況詳圖見圖2.

表1 加固情況對(duì)比表Tab.1 The comparison of reinforcement

圖1 梁端錨具及現(xiàn)場加固圖Fig.1 Thebeam end anchorageand locale reinforcement fig ure

圖2 試驗(yàn)梁加固情況詳圖Fig.2 The reinforcement figureof experimentalbeam

1.2 材料性能

本試驗(yàn)所采用50mm寬的CFRP板14mm厚的鋼板壓條對(duì)加固梁進(jìn)行加固，對(duì)它們進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，所得力學(xué)參數(shù)分別見表2，表3.

1.3 加載方案及測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方式，加載點(diǎn)間距120 mm，正式加載前，進(jìn)行預(yù)加載，檢查試驗(yàn)儀器是否安置穩(wěn)定，儀器是否能夠正常工作.正式加載時(shí)，小于50%試算開裂荷載時(shí)采用10 kN/級(jí)進(jìn)行加載，大于50%試算開裂荷載后改為2 kN/級(jí)進(jìn)行加載.截面開裂后小于70%試算屈服荷載時(shí)采用5 kN/級(jí)進(jìn)行加載，直至構(gòu)件破壞.梁加載示意圖見圖3，實(shí)景見圖4.

表2 碳纖維板力學(xué)性能Tab.2 TheMechanicalpropertiesof CFRPplate

表3 鋼板壓條力學(xué)性能Tab.3 TheMechanicalpropertiesof steelplate layering

圖3 加載示意圖Fig.3 The test loading schematic

圖4 加載實(shí)景Fig.4 The live-action of loading

為獲得荷載作用下沿梁高混凝土的應(yīng)變，分別在試驗(yàn)梁的跨中、三分點(diǎn)處梁底分別粘貼電阻應(yīng)變片以測量梁底混凝土拉應(yīng)變，并在三分點(diǎn)和跨中梁頂粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片測量三分點(diǎn)和跨中梁頂混凝土壓應(yīng)力，在梁側(cè)等間距粘貼6個(gè)電阻應(yīng)變片.鋼筋應(yīng)變片的粘貼在試驗(yàn)梁澆筑混凝土之前已經(jīng)完成，粘貼位置為三分點(diǎn)和跨中的梁底主筋.為了測量粘結(jié)剪應(yīng)力的分布，加固梁在CFRP板上布置了數(shù)量較多的應(yīng)變片，具體布置為自試件碳纖維板固定端錨具起500mm內(nèi)布置5×3mm應(yīng)變片5個(gè)，應(yīng)變片間距100mm，定義為錨固區(qū)域，錨固區(qū)域之外的位置布置5×3 mm的應(yīng)變片10個(gè)，間距為300 mm.為監(jiān)測試驗(yàn)過程中梁體變形情況，試驗(yàn)進(jìn)行前，預(yù)先在試驗(yàn)梁支座處、三分點(diǎn)、跨中各架設(shè)一塊百分表.測點(diǎn)布置圖見圖5、圖6.

圖5 混凝土應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.5 The strainmeasuring points figureof concrete

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)自主設(shè)計(jì)了一種綜合膠體粘結(jié)、鋼板夾持、CFRP板穿孔的混合錨固方式的碳纖維板梁端錨固裝置，很好的抑制了碳纖維板的滑移和剝離.試驗(yàn)時(shí)實(shí)測了構(gòu)件跨中位置沿截面高度應(yīng)變的變化可知構(gòu)件截面基本符合平截面假定，試驗(yàn)過程圖見圖7.

圖7 試驗(yàn)過程圖Fig.7 Theexperimentalprocess figure

2.1 試件的承載力分析

試驗(yàn)梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載見表4.由表中數(shù)據(jù)知，CFRP板加固后的混凝土梁的開裂荷載略有提高，但不顯著.然而屈服荷載和極限荷載相對(duì)于對(duì)比梁卻有不同程度的提高且效果顯著，提高幅度在30%左右.說明碳纖維板在加載初期沒有發(fā)揮多大作用，因?yàn)樘祭w維板的彈性模量較鋼筋低而抗拉強(qiáng)度高，故其發(fā)揮強(qiáng)度需要很大的變形.在試驗(yàn)梁開裂前，碳纖維板變形很小故對(duì)開裂荷載提高很少，而在試驗(yàn)梁屈服和破壞時(shí)，碳纖維板已經(jīng)有很大變形，其對(duì)試驗(yàn)梁的屈服荷載和極限荷載提高也變的明顯.而對(duì)比加固梁，經(jīng)分析可知U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式在提高試驗(yàn)梁承載力方面效果越來越好.

2.2 鋼筋、混凝土及碳纖維板應(yīng)變分析

圖8為試驗(yàn)梁的荷載—鋼筋應(yīng)變曲線，從整體看加固梁的屈服、極限荷載都得到提高，L0、L1、L2、L3在限制鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L方面作用依次增強(qiáng)，L3內(nèi)嵌式效果最好.從局部分析，混凝土開裂前的彈性階段曲線幾乎重合，說明加固后對(duì)開裂前階段鋼筋的應(yīng)變影響小，試驗(yàn)梁的開裂荷載變化不明顯.L0先進(jìn)入開裂到屈服階段，說明碳纖維板延緩了梁的開裂.而曲線的斜率可以反映出碳纖維板加固梁鋼筋應(yīng)變的增長速率，L3斜率明顯比其他大，說明碳纖維板承擔(dān)的拉力大，鋼筋的應(yīng)變相對(duì)小些并且從另一面進(jìn)一步證明了對(duì)屈服荷載提高最大.在進(jìn)入屈服到破壞階段，加固后的梁的荷載繼續(xù)增加的同時(shí)應(yīng)變?cè)鲩L相對(duì)前一階段明顯緩慢，而對(duì)比梁在荷載幾乎不變的情況下鋼筋應(yīng)變持續(xù)增加，說明鋼筋屈服后碳纖維板在承擔(dān)彎矩和抵抗鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L方面作用明顯.

圖9為試驗(yàn)梁跨中梁頂荷載—混凝土壓應(yīng)變曲線，由圖可以看出加固后的試驗(yàn)梁混凝土受壓區(qū)應(yīng)變?cè)鲩L速度降低，說明碳纖維板自身承擔(dān)了部分拉力有效的限制了混凝土受壓區(qū)高度的減小，抑制了混凝土壓應(yīng)變的增長.L0、L1、L2、L3曲線斜率增加，說明了碳纖維板自身承擔(dān)的拉力依次增加，反映了U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式在抑制混凝土壓應(yīng)變方面效果依次增強(qiáng).

圖10是試驗(yàn)梁的荷載-CFRP板拉應(yīng)變曲線，每條曲線也分為3段.梁開裂前，曲線斜率較大即碳纖維板應(yīng)變?cè)鲩L緩慢，此情形由開裂前試驗(yàn)梁變形較小，碳纖維板所提供的拉應(yīng)力較小所致.混凝土開裂后，曲線斜率下降，說明碳纖維板的拉應(yīng)力增加速度變快，因?yàn)榇穗A段試驗(yàn)梁變形較大.當(dāng)屈服后，曲線斜率再次減小，反映出碳纖維板的拉應(yīng)變?cè)黾铀俣仍俅翁岣?而在相同荷載下，L3的應(yīng)變最大，說明碳纖維板承擔(dān)的應(yīng)力最大，發(fā)揮的作用最大，因此內(nèi)嵌式加固方式效果最好.

表4 承載力對(duì)比表Tab.4 The loading capacity comparison table

圖8 荷載—鋼筋應(yīng)變曲線Fig.8 The loads-steel tensile strain curve

圖9 荷載—混凝土壓應(yīng)變曲線Fig.9 The loads-concrete compressive strain curve

圖10 荷載-CFRP板拉應(yīng)變曲線Fig.10 The loads-CFRPplate tension strain curve

2.3 剛度、延性分析

圖11 描述的是試驗(yàn)過程中試驗(yàn)梁跨中荷載-撓度曲線.內(nèi)嵌式錨固加固梁，碳纖維板除了用結(jié)構(gòu)膠黏貼外，還在底部用混凝土回填覆蓋，后澆的混凝土能有效的抑制加載后期試驗(yàn)梁底碳纖維板的剝離.而鋼板壓條式錨固加固梁的CFRP板除了用結(jié)構(gòu)膠黏貼外，沿梁長每隔一段距離通過鋼板錨固碳纖維板，通過擰緊高強(qiáng)螺栓對(duì)CFRP板施加壓力，相對(duì)于U型箍錨固對(duì)抑制后期碳纖維板的剝離效果更好.從圖中可以看出試驗(yàn)梁屈服后，同一荷載對(duì)應(yīng)的撓度內(nèi)嵌式錨固梁明顯小于其他梁，鋼板壓條式和U型箍式錨固梁撓度相差不大居于其后.因此加固后的梁明顯的提高了梁的后期剛度，減小了試件的變形.

表5記錄的是試驗(yàn)梁跨中撓度的變化.鋼筋屈服后，試驗(yàn)梁的撓度值反映了延性的大小，從表中可以看出加固后的梁的延性都不同程度降低，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌式錨固梁的延性最好，其次是鋼板壓條，最后是U型箍錨固.

2.4 裂縫分析

由表6可以看出L0對(duì)比梁與L1加固梁的裂縫開展范圍、總間距、平均裂縫間距和裂縫總條數(shù)變化不大.而L2、L3加固梁的裂縫開展范圍、總間距和裂縫總條數(shù)明顯增大的同時(shí)平均裂縫間距卻明顯減小.構(gòu)件產(chǎn)生裂縫少，局部變形大極易在薄弱區(qū)造成應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞.相比之下裂縫分布范圍廣，間距大，平均間距小，總條數(shù)多有利于結(jié)構(gòu)的整體變形和延性的增加，避免了局部脆性破壞.因此內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固方式在提高結(jié)構(gòu)耐久性的同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)正常使用功能.

圖11 荷載-跨中撓度對(duì)比圖Fig.11 The comparison of loads-m idspan deflection curve

表5 撓度對(duì)比表Tab.5 The deflection comparison table

表6 裂縫對(duì)比表Tab.6 The crack comparison table

2.5 CFRP板強(qiáng)度利用率分析

碳纖維為線彈性材料，因此可以通過變形比反應(yīng)強(qiáng)度比，了解在不同階段碳纖維分別發(fā)揮強(qiáng)度的程度.表7給出了碳纖維在構(gòu)件開裂、屈服及破壞時(shí)的應(yīng)變，并將這些數(shù)據(jù)與碳纖維材料的極限拉應(yīng)變進(jìn)行比較.從表中可以看出構(gòu)件開裂時(shí)，各構(gòu)件碳纖維板的利用率分別為0.5%、1.5%、1.3%，碳纖維板的強(qiáng)度利用率較低，幾乎沒有發(fā)揮作用.屈服時(shí)，各試件碳纖維板強(qiáng)度利用率分別為8.7%、12.5%、14.8%，試件破壞時(shí)CFRP板的強(qiáng)度利用率分別為28.3%、35.2%、35.4%，從L1到L3碳纖維板強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，從而利用率依次增加，而碳纖維板發(fā)揮強(qiáng)度主要在屈服和破壞階段，因此內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固法在發(fā)揮碳纖維板效率方面優(yōu)于U型箍錨固法.

表7 碳纖維板應(yīng)變對(duì)比表Tab.7 The strain of CFRPplate comparison table

3 結(jié)論

1）CFRP板加固混凝土梁的開裂荷載略有提高但不顯著，但U型箍式、鋼板壓條式、內(nèi)嵌式錨固方式相對(duì)于對(duì)比梁對(duì)屈服荷載分別提高了17.8%、28.9%、33.3%，而對(duì)極限荷載卻分別有17.7%、22.6%、27.4%的提高幅度，并且有效地緩解了鋼筋拉應(yīng)力和受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力的增長.經(jīng)分析比較，內(nèi)嵌式錨固方式效果最為明顯，其次是鋼板壓條式，最后是U型箍式.

2）CFRP板提高了混凝土梁的后期剛度，減小了構(gòu)件的變形，卻不同程度的降低了延性，除此之外CFRP板的利用效率也發(fā)生變化.相比之下，內(nèi)嵌式錨固的梁剛度最大，延性最好，碳板利用率達(dá)到35.4%；鋼板壓條式錨固和U型箍式錨固的梁剛度相差不大而鋼板壓條式錨固延性較好，碳纖維板利用率依次降為35.2%和28.3%.

3）在增加裂縫分布范圍，減小裂縫平均間距和有利于結(jié)構(gòu)整體變形方面，內(nèi)嵌式和鋼板壓條式錨固梁優(yōu)于U型箍式錨固梁和對(duì)比梁.

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