预应力CFRP加固钢筋混凝土梁的受力试验.pdf

第 3 4卷第 6期 2 0 1 2年 6月 人民黄河 YELL0W RI VER V0 l _ 3 4． No ． 6 J un ．， 2 01 2 【 水利水 电工程 】 预应力 C F R P加固钢 筋混凝土梁的受力试验 赵文杰， 李晓克， 赵顺波 ( 华北水 利水 电学院 土木 与交通学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 采用预应 力碳 纤维布( C F R P ) 、 非预应 力 C F R P加 固钢筋混凝 土梁与未加 固对比 梁进 行 受力试验 ， 分析 了预 应 力 C F R P加 固钢 筋混凝土 梁的破 坏 特 征 ， 研 究 C F R P预应 力和 混凝 土 预 裂对 加 固钢 筋 混凝 土 梁 的裂 缝、 挠 度 、 混 凝 土和 C F R P应变、 开裂荷载、 屈服荷栽和极限荷载的影响。结果表明： 对 C F R P施加预应力可充分发挥其高强的特性； 预应力 C F R P可明显增强加 固钢 筋混凝土梁的抗 弯性 能 ， 提 高开裂荷 载、 屈服 荷 载和极 限荷载 ， 提 高截 面抗 弯刚度 ， 增 大极 限破 坏 时的挠度 和延性 ， 减小裂缝宽度和延伸 长度 ； 混凝 土预 裂将在一 定程度上 降低 预应 力 C F R P对加 固梁抗弯性 能的增 强 作 用 。 关键词 ：钢筋混凝土梁；抗弯性能；碳纤维布；预应力；加 固；预裂 中图分类号 ：T V 3 3 2 ； T U 3 7 5 ． 1 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 4 7 Ex p e r i me n t a l S t ud y o n Lo a di ng Be ha v i o r s o f Re i n f o r c e d Co nc r e t e Be a ms St r e ng t he n i n g wi t h Pr e ． s t r e s s e d CFRP Z H A O We n - j i e ， L I X i a o — k e ， Z H A O S h u n — b o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r in g a n d C o mm u n i c a t i o n s ， N o r t h C h i n a U h i t e r s i t y of W a t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， z ^ e ， 蚴 ∞ 4 5 0 0 1 1 ，Chi n a ) A b s t r a c t ： T h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s o f l o a d i n g b e h a v i o r s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms( R C B s )s t r e n g t h e n i n g w i t h t h e p r e — s t r e s s e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c( C F R P )a n d t h e n o da l C F RP a n d t h e i r c o m p a ri n g RC B ．B a s e d o n t h e t e s t d a t a ， t h e f a i l u r e c h a r a c t e ri s t i c s o f RCB s s t r e n g t h e n i n g wi t h p r e - s t r e s s e d C FRP we r e a n a l y z e d ． F h e e f f e c t s o f t h e p r e — s t r e s s o f CF RP a n d t h e p r e — c r a c k i n g o f c a n c r e t e o n t h e c r a c k， t h e d e fl e c t io n，t h e s t r a i n s o f c o n c r e t e a n d CF RP，an d t h e l o a d s c o r r e s p o n d i n g t o c r a c k i n g o f c o n c r e t e，y i e l d o f s t e e l b a r an d u l t i ma t e d a ma g e w e r e s t u d i e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e CF RP e x e r t e d pr e - s t r e s s ma y d i s p l a y s i t s h i g h — s t r e n gth f e a t u r e ．Th e p r e — s t r e s s e d CF RP ma y o b v i o u s l y e n h a n c e t h e fl e x u r a l p r o p e r t i e s o f s t r e n gth e n e d RC B wi t h t h e h i g h e r l o a d s c o r r e s p o n d i n g t o c r a c k i n g o f c o n c r e t e ，y i e l d o f s t e e l b a r a n d u l t i ma t e d a mage ，t h e i n c r e a s e d fle x u r a l s t i ff n e s s o f c r o s s s e c t i o n，t h e l arg e r d e fl e c t i o n a n d d u c t i l it y a t f a i l u r e s t a t e，a n d t h e d e c r e a s e d c r a c k wi d t h a n d l e n g t h．T h e p r e — c r a c k i n g o f c o n c r e t e ma y r e d u c e t h e s e s t r e n gth e n i n g e ~ c t s i n s o me e x t e n t ． Ke y wo r d s ：r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m ；fl e x u r a l r e s i s t a n c e ；c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d p l a s t i c；p r e — s t r e s s ；s t r e n g t h e n i n g；p r e — c r a c k i n g 对在役钢筋混凝 土结构进行加 固改造 ， 可达 到提高其 安全 性 、 改善其适用性和延长其使用寿命 的效果 ， 从而获得良好的 技 术经济效益 。 目前 ， 采用 碳纤 维 片材 ( C F R P ) 对钢 筋混凝 土 结构进行加固已有规范可循⋯。为了充分利用碳纤维的高强 特性 ， 通过对 C F R P施加预应力加 固钢筋混凝土结构的方法成 为近年来的研究热点 - 4 j 。就钢筋混凝土梁加固技术而言， 目 前已有方法未考虑荷载对被加固梁的影响， C F R P的预应力张 拉工艺有待改进， 预应力大小对被加固梁抗弯性能的提高程度 尚未明确 ’ - 8 ] 。因此 ， 笔者结合 4根预应力 C F R P加固钢筋混 凝土梁的受力试验， 研究了其正截面抗弯性能。 1 试验概况 1 ． 1 试验梁制作 试验梁混凝土的2 8 d实测立方体抗压强度为 5 6 ． 5 M P a ， 1 3 6 采用 振捣棒 振 捣 成 型。纵 向主 筋 、 架 立 筋 均采 用 H R B 3 3 5钢 筋 ， 箍筋采用 H P B 2 3 5钢筋 ， 实测力学性 能见表 1 。 表 1 钢筋的力学性能 C F R P的主要力学性能见表 2 。粘贴采用 J G N型建筑结构 胶 ， 黏结抗剪强度实测值为 1 8 ． 4 MP a ， 满足设计抗剪强度不小 于 1 8 MP a的要求。 在试验中制作了4根试验梁， 各试验梁混凝土和钢筋的配 收稿 日期 ： 2 0 1 卜 1 2 — 0 5 基金项 目： 华北水利水 电学院研 究生教育创新课题 ( YK 2 0 1 0一o 6 ) 。 作者简 介： 赵 文杰(1 9 8 6 一 ) ， 男， 江 苏淮安人 ， 硕 士研 究生 ， 研 究方 向为工程 结 构加 固。 E— ma i l ： 8 2 7 7 0 8 7 8 @ q q e o m 人 民 黄 河2 0 1 2年第 6期 置均相同， 见图 1 ， 截面尺寸 b X h：1 5 0 m m3 0 0 mm， 全长 2 = 2 8 0 0 m m， 计算跨径 1 。 = 2 4 0 0 m m 。纵 向受拉钢筋 3尘 1 2 ， 纵 向配筋率为 0 ． 8 2 2 ％， 箍筋 6 6 @1 0 0 ， 架立钢筋 2虫 l 2 。 表 2 C F R P的主要力学性能 图 1 试验梁截面 ( 单位 ： m m) L Y- 0梁为对比梁， 不粘贴 C F R P ； L Y 一 1梁粘贴一层非预应 力 C F R P ； L Y - 2梁粘贴一层 C F R P ； L Y 一 3梁纯弯段的混凝土预裂 裂缝 最大宽度 为 0 ． 0 8 mm， 粘贴一 层 C F R P 。L Y 一 1 一L Y 4 梁 的 C F R P粘贴位置见图2 。 0一 脚 ． I I I 24 0 0 h - # 图 2 L Y- 1～L Y4 梁碳纤维布粘贴位置( 单位 ： mm) 1 ． 2试验方法 试验主要量测内容包括梁的挠度、 跨 中截 面混凝土应变、 纯弯段 C F R P受拉应变 、 裂缝分布与开展情况 、 开裂荷载和极 限荷载等。在跨中侧表面粘贴 5片应变片， 跨中及纯弯段 内 C F R P表面按 间距 2 0 0 m m分 5个截 面共粘贴 l 0片应变片 。在 两端支座 、 1 ／ 4跨 、 跨中和 3 ／ 4跨位置分别布置 1 块百分表。 试验梁采用三分点集中力加载， 千斤顶配合分配梁分荷至 两个三分点处 ， 荷载由压力传感器测定控制。 2 试验结果分析 2 ． 1 特征荷载与破坏形态 试验梁的开裂和极限荷载试验结果见表 3 。其中梁L Y - O— L Y ． 2的开裂荷载为纯弯段出现第 1 条裂缝时对应的荷载， 梁 【 JY ． 3的开裂荷载为纯弯段预裂裂缝继续延伸时对应的荷载， 各梁在受拉钢筋屈服时对应的荷载由荷载一挠度 曲线上的拐 点确定。梁 L Y一 1一L Y 一 3的开裂荷载、 屈服荷载和极限荷载均 大于对 比梁 L Y - O ， 表 明不论采用 哪种加 固方法 ， 加 固梁的抗 弯 性能均得到增强。预应力 C F R P加 固效果明显优于非预应力 C F R P加固， 尤其是开裂荷载较非预应力 C F R P的加固效果成 倍提高。梁 L Y _ 3 初始裂缝的继续延伸受到预应力 C F R P的有 效约束， 使得其开裂荷载仅略低于梁 L Y 一 2 。预裂对加固梁的屈 服荷载和极限荷载的影响很小。 对比梁 L Y - 0的破坏形 态为典型 的适筋 破坏。加载至 2 8 k N时在 纯 弯段底 部 出现 一 条宽 度 为 0 ． O 1 mm的 竖 向裂 缝。随着荷载 的增加 ， 裂缝宽度 增大 、 长度变长 且条数变 多。加载至 8 7 k N， 裂缝条数迅速增多且在钢筋位置处裂缝 最宽 ， 挠度增加显著， 钢 筋开始屈服。随后变形快 速增大 ， 裂缝 条 数基 本不 再 变 化 、 宽度 缓 慢 增 大 。加 载 至 9 5 ． 5 k N， 梁变 形 突增 ， 受压 区混 凝土 被 压碎 。梁 的破 坏 征兆 明 显 ， 呈 典 型 的塑性 破坏 。 梁 L Y 1 为 C F R P断裂 破坏 。加载至 3 6 k N时混凝土开裂 ， 随后裂缝变长 、 变宽 ， 数 量增 多 ， 裂缝 的发展 速度低 于梁 L Y ， 但条数多于梁 L Y - O 。加载至 9 8 k N时， C F R P突然出现“ 劈啪” 声， 先在一侧的C F R P箍内侧出现断口， 而后跨中C F R P出现分 条断裂现象 ， 最后 C F R P被拉断， 断口呈锯齿状。 梁 L Y - 2为 C F R P断裂破坏。加载至4 5 k N时混凝土开裂， 加载 至 1 2 1 k N时 C F R P出现小面积断裂 ， 并在梁端 附近 出现多 条斜向的裂缝( 后向上延伸) 。随荷载增加， C F R P “ 劈啪” 声增 多 ， 在梁底出现 C F R P断裂和剥离现象。破坏过程有突发性， 但伴有“ 劈啪” 声和飘丝现象。 梁 L Y． 3为 C F R P断 裂 和 剥 落 破 坏 。与 L Y 一 2梁 基 本 相 似 ， 但最终破坏表 现为跨 中混凝 土保护层少部 分随 C F R P 剥 离 。 表 3开裂和极限荷载试验结果 2 ． 2荷载一挠度 曲线 试验梁荷载一挠度曲线见图3 。梁开裂前的荷载一挠度曲 线均为直线， 但各加固梁的曲线斜率较大且基本重合 ， 说明加 固后梁的截面 刚度有所增 大 。在混凝 土开裂至钢 筋屈服 阶段 ， 梁 L Y 一 3和 L Y 一 1的曲线斜率基本重合， 说明混凝土预裂降低了 梁的截面刚度 ； 而梁 L Y一 2的曲线斜率最大， 表 明预应力 C F R P 加固未预裂钢筋混凝土梁的抗弯刚度明显增大。受混凝土预 裂的影响， 梁 L Y G在受拉钢筋屈服后的初期荷载一挠度曲线 与梁 L Y 一 1基本重合， 但随后表现出 C F R P的预应力作用， 趋向 于与梁 L Y - 2一致。在极限承载破坏时， 梁 L Y- 2和 L Y 一 3的挠 图 3 试验梁荷载一挠度 曲线 度大于梁 L Y 一 1 ， 且均大于梁 L Y- 0 。因此 ， 采用 C F R P加固的钢 筋混凝土梁的挠度均得到明显提高， 对 C F R P施加预应力进一 1 3 7 人 民 黄 河2 0 1 2年第 6期 步发挥了其在钢筋屈服后的高强性能。 2 ． 3 跨中混凝土和 C F R P的应变 对 比梁 L Y - 0和加 固梁 L Y — l的跨 中截 面混 凝 土应 变近 似 符合平截面假定。梁 L Y 一 2和 L Y 一 3在混凝土开裂前的跨中截 面应变符合平截面假定 ； 但开裂后， 在 C F R P的预应力约束效 应下， 跨中截面的混凝土应变呈非线性变化。 在混凝土开 裂前 ， C F R P的拉应 变 随着荷 载增 大 均呈线 性 增长。钢筋屈服前， C F R P的拉应变增长速度缓慢。钢筋屈服 后 ， C F R P的拉应变显 著增大 ( 见 图 4 ) 。施 加 了预应力 的 C F R P 强 度得到 了充分 利用 ， 梁 L Y - 2和 L Y 一 3的纯 弯段 C F R P总应变 已经接近极限值。未施加预应力 的 C F R P强度发挥较低， 梁 L Y一 1 破 坏时 纯 弯 段 C F R P的 最 大 平 均 拉 应 变 仅 为 8 6 0 0 x l 0 ～。开裂前 ， 梁 L Y - 2、 L Y 一 3的C F R P应变曲线基本重合， 混凝 土开裂后， 梁 L Y - 2的 C F R P应变曲线出现突变， 梁 L Y 一 3因初始 预裂而无 突变。可见 ， 施 加预应 力可有 效提 高 C F R P的使 用效 率， 充分发挥其高强和高变形能力。 ￡ l 0 图 4 试 验梁跨中 C F R P荷载一应变 曲线 2 ． 4裂缝 分 布 粘贴 C F R P可有效抑制裂缝的开展， 使加固梁的裂缝形态 明显改观 ， 表现为裂缝数量增加、 问距缩小和宽度减小， 尤其钢 筋屈服后未加固梁的裂缝迅速延伸 、 加宽， 而加 固梁在钢筋屈 服后随荷载递增 ， 裂缝长度和宽度发展速度减慢 ， 最终破坏时 裂缝状态 明显 改善 。 预应力 C F R P加固梁的裂缝发展规律与非预应力 C F R P加 固梁类似 ， 但受 C F R P预应力的约束效应影响， 预应力 C F R P加 固梁可显著提高开裂荷载 ， 裂缝宽度和间距均小于非预应力 C F R P加固梁； 受加 固梁初始预裂宽度的影响 ， 相 同荷载作用 下 ， 梁 L Y 一 3的裂缝 宽度 和 问距均 大于梁 L Y 一 2 ， 裂缝数 量减 少 。 在纯弯段 内， 梁 L Y 一 2的主裂缝为 5条 ， 梁 L Y 一 3为 4条 ； 施加 1 1 2 k N荷载时， 梁L Y 一 2的最大裂缝宽度为0 ． 8 4 ra i n ， 梁 L Y 一 3为 1 ． 2 7 mm( 见表 4 ) 。说明采用预应 力 C F R P加固后 ， C F R P对混凝土 的 预压和包裹约束作用使得裂缝间距缩小 ， 加固梁初始损伤的存 在 ， 影响 了裂缝 的产生和发展 ， 裂缝 问距增大 。 1 3 8 表 4 试验 梁的裂缝宽度和平均裂缝间距 比较 试验梁 编号 最大裂缝宽度／ ra m 平均 裂 缝 间 P： 6 5 k N P：8 1 k N P= 9 3 k N P=1 0 7 k N P=1 1 2 k N 距／ n -li v i 3 结论 采用 C F R P加固钢筋混 凝土 梁 ， 无论 是否 对 C F R P施 加预 应 力 ， 均改变 了未 加 固 前梁 的受 压 区7 昆凝 土被 压 碎 的破 坏 特 征。受拉钢筋屈服以后 ， C F R P有效承担了后续的荷载作用， 从 而明显提高了加固梁的抗弯承载力。尽管加固梁的破坏均为 C F R P断裂 ， 但是破坏时梁的变形较大， 最终破坏仍具有明显的 延性特征 。 采用预应力 C F R P加 固钢 筋混 凝 土梁 可 明显提 高 其抗 弯 承载性能 ， 受 C F R P预应力的约束效应影响， 预应力 C F R P加固 梁的跨 中截面 混凝 土应 变 呈非 线性 变 化。预 应 力 C F R P加 固 梁的裂缝发展规律与普通 C F R P加固梁类似， 但预应力约束效 应使加 固梁 的裂缝 间距 和 宽度 减 小 、 裂缝 条 数 增多 且 延 伸缓 慢。加固前混凝土预裂降低了梁的截面刚度， 预裂对加固效果 有一定的降低作用。 参考文献 ： [ t ] 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心． C E C S 1 4 6 ： 2 0 0 3碳纤维片材 加 固混凝 土结 构技术 规程[ S ] ． 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 ， [ 2 ] 田水， 谷倩． 碳纤维布预应力补强加固钢筋混凝土梁受力性能研究[ J ] ． 工 业建筑 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 9 0— 9 3 ． [ 3 ] 彭 飞飞， 江世永 ， 澍孝忠． 数值模 拟预应力 C F R P布加 固混凝 土梁不卸 载时 的抗弯承载力[ J ] ． 四川建筑科学研究， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 3 0— 3 3 ． [ 4 ] 飞渭 ， 江世永 ， 曾祥蓉． 体外预应力 F R P片材加固混凝土结构的研究 现状及 发展[ J ] 后勤工程学院学报 ， 2 O O 6 ( 4 ) ； 1 2 — 2 1 ． [ 5 ] 李世宏， 张怀东． 预应力碳纤维布加固混凝土梁试验研究[ J ] ． 工业建筑。 2 0 0 6， 5 1 ( 9)： 1 0 01—1 0 0 3 ． [ 6 ] 李庆伟， 杨勇新 ， 岳清瑞． 预应力碳纤维布加固混凝土梁锚固方式试验研究 [ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 9—1 1 ． [ 7 ] 崔士起 ， 成勃 ， 董希祥 ．预 应力碳纤维加 固钢筋混凝 土梁试验研究 [ J ] ． 四川 建筑科学研究 ， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 1 ) ： 5 1 — 5 3 ． [ 8 ] 李世宏 ． 预应力碳纤维 布加 固混凝 土粱施 工 [ j ] ． 施 工技 术 ， 2 0 0 4， 3 3 ( 7 ) ： 6 O 一6 2 【 责任编辑张华岩】