碳纤维(CFRP)布加固老化混凝土梁试验性能研究.pdf
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1、2 0 1 4年 第 1 O期 (总 第 3 0 0 期 ) Nu mbe r 1 0 i n 2 0 1 4( To t a 1 No 3 0 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH 碳纤维( C F R P) 布加固老化混凝土梁试验性能研究 庄宁 。王松 ,孙洋波 ( 1 河海大学 港V I 海岸与近海工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ;2 上海港湾工程质量检测有限公司,上海 2 0 0 0 3 2 ) 摘要: 近年来 , 碳纤维增强复合材料( c F I ) 由于其轻质、 高强等特 I生被广泛使用于大型混凝土基础
2、设施的加固、 修复和改造 中, 推动了 C F R P材料在土木工程领域中的应用。 通过室内试验对经不同碳纤维布加固的六根已老化的 昆 凝土梁进行力学性能研究 , 对 比加同前后不 同C F R P 加固方案下梁的极限承载力增长规律 、 挠度特征以及破坏方式 , 分析碳纤维布加固部位 、 锚固方式 、 加固长度 及其他 素对加固效果的影响规律 , 研究成果对于已建混凝土结构碳纤维的加固设计及施工具有指导意义。 关键词 : 碳纤维增强复合材料 ;老化混凝土梁 ;破坏方式;承载力 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0
3、 1 4 ) 1 0 0 0 2 6 0 5 E x p e r i me n t a l a n a l y s i s o f ol d c o n c r e t e b e a ms r e i n f o r c e d wi t h CF R P s h e e t ZHUANG Ni n g , WANG So n g , SUN Ya n gb o ( 1 C o l l e g e o f H a r b o r , C o a s t a l a n d O ff s h o r e E n g i n e e r i n g , N a n j i n g 2 1 0 0
4、 9 8 , C h i n a ; 2 S h a n g h a i Ha r b o r Qu a l i t y C o n t r o l a n d Te s t i n g Co , L t d , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : I n r e c e n t y e a r s , c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c ( C F R P) h a s b e e n wi d e l y u s e d i n l a
5、r g e s c a l e c o n c r e t e in f r a s t r u c t u r e S r e i n f o r c e me n t , r e n o va t i o n a n d tra ns f o r ma t i o n be c a u s e o f i t s l o w we i g h t a n d h i g h s t r e n g t h, wh i c h p r o mo t e s CFRP a pp l i c a t i o n i n t h e fie l d o f c i v i l e n g i ne
6、 e r i n gSi x o l d c on c r e t e b e a ms r e p a i r e d b y d i f f e r e n t CFRP s h e e t me t h o d a r e t e s t e d t o r e s e a r c h t h e i r me c ha ni c a l p r o p e r t y Th e ma xi mum b e a r i n g c a pa c i t y, d e fle c t i o n c h a r a c t e r a nd f a i l u r e mod e l b
7、e f o r e a n d a f t e r r e i n f o r c e me n t we r e c o mp a r e d And i n t he s a me t i me t he r e i nf o r c e me n t s e c t i o n, a n c h o r a g e me t h o d, r e i n f o r c i n g l e n gth a n d o t h e r c h ara c t e r s i n fl u e n c i n g r e i n f o r c e me n t e f f e c t a
8、r e a n a l y z e d Th e r e s u l t s a r e u s e 一 如1 t o t he d e s i g n a nd c o n s t r u c t i n g o f c o n c r e t e s t r uc t u r e whi c h a r e r e i n f o r c e d by CFRP ma t e r i a 1 K e y wo r ds : c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c( C F RP) ; o l d c o n c r e
9、t e b e a ms ; f a i l ure mo d e l ; b e a r i n g c a p a c i ty 0 引 言 碳纤维增强材料 ( C F R P ) 是 6 0年代 以来 随航 天工业 等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的新兴材 料 , 主要用于航空航天等高技术领域 , 因其具有质轻 、 高强 高效 、 耐腐蚀 、 便于施工等优 良性能 , 从 8 0 年代开始 , 基于 粘贴钢板加固土木工程结构的思想 , 同时为 了克服黏钢加 同混凝土结构 中的一些缺点 , 出现了以粘贴 C F R P材料替 代钢板作为土木工程结构补强加 固的新思路 , 在 国内外
10、钢 筋混凝土结构 的加固中得到了广泛 的推广与应用 。 目前对 于 C F R P加 固主要集 中在通过试验对混凝土梁 、 柱加固前 后的抗弯 、 抗剪及抗压性能进行研究 。 此类试 验 , 大多是针 对现浇且未在工程中使用过的室内混凝土模型梁、 柱进行 加 固前 后受力性能 的研究 , 取得 了一定 了成果 1 - 6 , 积累了 许多试验成果 _7 _ l目 。 实际工程 中 C F R P材料所加 固的混凝土结构 , 并非新 建建筑物 , 大多 已经使用并服役多年 , 力学性能 已经降低 与室内现浇模 型试样性能有所不 同, 加 固后表现出的特性 也与现浇试样有所 区别 , 对于老化后
11、的混凝土构件 , 特 别 是使用多年 自然老化 的混凝土构件 C F R P加 固研究 , 国内 外文献几乎未见相关报道 。 本试验从使用多年 的混凝土建 筑物 中截 取一组老化混凝 土梁 , 研究其经 C F R P加 固后 , 力学性能的变化规律 , 对 比加固前后不 同 C F R P加 固方式 下梁的受弯极限承载力增长规律 、 挠度特征 以及破坏方式 , 分 析碳纤 维布加 固部位 、 锚 固方式 、 加 固长度及其他 因素 对加 固效果 的影响规律 。 1 老化混凝 土梁 CF RP加 固试验 本试 验首先对六根 已经使用过 的现场混凝土试样梁 进行 四点反弯试验 , 获取老化梁未加
12、固前的加载试验 曲线。 然后将梁从试验台上移至地面, 对其进行不 同方式 的C F R P 布加固, 待养护后 , 再次将梁移至试验台进行四点反弯试 验 , 加载直至梁破坏。 研究老化梁加固前后力学性能的变化 , 及碳纤维布不同加 固方式对试验梁抗弯性能 的影响规律。 1 1 试验材料参数 本次试验共使用了 6 根老化的试验梁 , 试验 梁混凝土 收稿 日期 :2 0 1 4 一 O 4 _ 2 2 基金 项 目:国家 自然科学基金面 上项 目( 5 1 3 7 9 0 1 3 ) ; 江苏 省 自然科学基金面上项 目( B K2 0 1 3 1 3 1 7 ) 26 4 试验 梁底 面跨 中
13、局部 使用 8 0 c mx 1 5 c m 的 C F R P 布加 固, 并使用环氧树脂胶黏接 ; 梁两侧面和 1 、 2 梁一样 , 使用环氧树脂粘贴 C F R P布加固, 如图 7 。 篮 目 k Q Q J 图 7 4 梁 C F R P加固方案 ( 单位 : mm) 5 试验梁底部 通长使用 1 8 6 0 c mx l 5 c m C F R P布加 固 , 碳纤维布用环氧树脂粘 贴连接 昆 个凝土表面 , 梁两侧 不使用碳纤维布加 固, 如图 8 。 盥I 幽 图 8 5 梁 C F R P加固方案 ( 单位: mm) 6 试验梁底面跨中局部使用 8 0 c mx l 5 c
14、 m 的 C F R P 布 加 固, 用环氧树脂黏接且两端用 u形碳纤维布箍 固定 , 侧 面未使用碳纤维布加固, 如图 9 。 ( a ) 梁 加 固正视 图 1 1 0 5 0 1 0 5 0 t 2 o o t 4 0 0 L2 o o t ( b ) 柒 加 吲 侧 视 图 图 9 6 梁 C F R P加固方案 ( 单位 : mm) 2 CF RP布加 固老化梁试验结果分析 2 1 极 限承载 力分析 从 图 1 0 可以看 出, 各梁粘贴碳纤维布以后 , 梁的极 限 荷载均得到了较大幅度的提高。 1 梁、 2 梁 、 3 梁 、 4 梁、 5 梁 、 6 梁加 固后极 限荷载分
15、别较未加 固前提 高 了 1 8 - 2 、 1 9 5 、 2 5 1 、 1 1 6 、 3 2 9 、 1 8 4 k N, 其 中 5 梁极 限荷载提高 的幅度最 大 , 提高了 3 2 9 k N。 4 、 5 梁底部通长粘贴 C F R P进行加固, 梁 1 、 2 、 4 和 6 在中部 8 0 c m范围内局部进行加固。 相 比于局部加固 , 通长 加固碳纤维布跨越了纯弯区以及两侧剪切区, 同时提高了梁 的弯曲承载力和剪切承载力, 因此 4 、 5 梁加 固比较合理 , 效 果较好 ; 3 梁底面通长 C F R P 加 固, 与 5 梁相 比剪切区未使 用环氧树脂黏结碳纤维布
16、与混凝土表面 , 因此虽然 3 梁通长 加固, 但不能充分发挥碳纤维布的抗拉强度 , 提高梁剪切承 载力 , 因此增加的幅度较 5 梁小 , 这是 因为环氧树脂不仅可 以作为 C F R P布与混凝土之间的黏接剂 , 同时也作 为形成 C F R P复合材料的基体 , 提升碳纤维布的加固混凝土效果旧 。 梁 1 、 2 、 4 和 6 为局部加固的四根梁 , 2 梁较其他三 根梁承载力增长幅度相 比最大 , 因其底部碳纤维用环氧树脂 与混凝土梁黏结 , 同时在两端使用碳纤维束铆钉固定碳纤 维布, 防止碳纤维布过早脱落 , 充分发挥碳纤维布 的抗拉强 度 , 承载力增长 了 1 9 5 k N。
17、 6 梁使用 u型碳纤维箍固定碳 28 纤维布 , 承载力增长了 1 8 4 k N, 增长幅度较 2 梁略小 , 可见 碳纤维铆钉和 u型碳纤维箍都能有效 固定碳纤维布提高承 载力, 碳纤维铆钉固定效果较碳纤维 u型箍稍好 , 且 比u型 碳纤维箍更加节省材料 , 也便于在结构复杂的结构表面施 工 。 1 梁和 2 相比, 两者都使用 了碳纤维束铆钉锚 固 , 区别 为 2 梁中间 C F R P加固段未使 用环氧树脂黏结 , 因此环氧 树脂和碳纤维布未于混凝 土梁表面紧密接触 , 形成强度很 高的复合层 , 因此 1 梁承载力增长幅度小于 2 梁。 4 、 2 和 6 梁加 固方案基本相同
18、 , 都是梁底部局部加 固, 2 梁进行了碳 纤维束锚 固 , 6 梁进 行了 u型箍锚 固 , 4 没有在碳纤维布 两端进行任何锚固, 因此其承载力增长幅度 4 梁最小 , 6 梁 次之, 2 梁增长最大 , 可见对于碳纤维粘贴加固梁 , 通过锚固 能够进一步提高加固效果 , 其中碳纤维铆钉优于 u型箍锚固。 梁侧面剪切区粘贴碳纤维 布可 以控制其剪切 裂纹的 扩展 , 提高梁剪切承载力 ; 底面通长粘贴碳纤维布跨越底 部剪切区, 同样可以提高梁剪切承载力 。 5 为底面通长布置 碳纤维布 , 加 固的碳纤维布跨 越梁底部两端剪切区 , 提高 了抗弯 承载力和剪切承载力 , 4 梁通过侧面粘
19、贴碳纤维布 代替底面通长粘贴碳纤维布来提高剪切承载力。 但是 5 梁 承载力提 高 了 3 2 5 k N其 幅度 明显 大于 4 梁 的 l 】 6 k N, 可见通过侧面粘贴碳纤维布虽能提高承载力 , 但是效果 和 底面通 长粘贴碳纤维相 比, 效果不明显 。 梁 1 、 2 、 3 和 4 未加固前强度相差不大 , 加 固后 三者 承载力提高依次为 1 8 - 2 、 1 9 5 、 2 5 1 、 1 1 6 k N, 说 明四种 加固 方案 , 从 提高承载力角度看 , 3 梁最优 、 2 梁次之 , 其 次是 1 梁和 4 梁 , 3 梁加固方案优于其余三种方案 。 5 梁和 6
20、, 未加固前强度相差不大 , 加 固后 5 梁强度提高幅度较 6 梁 大 , 5 梁加 固方案优于 6 梁 。 堇 挺 _ K 嘣 1 2 3 4 5 6 图 1 0 加固前后承载力变化 2 2 荷载一挠度 关 系与破 坏模 式 从表 2可以看出 , 各组梁加 固前屈 服挠度 变化不大 , 加 固后极 限挠度相差 比较远 。 试 验加载时 , 当梁挠度达到 表 2 试验梁挠度及破坏方式 如 加 O 一 定值 时, 梁中受拉纵筋屈服 , 荷载大部分 由梁表面 C F R P 布承担 , 因此不 同的 C F R P布加 固方案对梁破坏时的极 限 挠度影 响较大 , 各梁荷载一 挠度 曲线如 图
21、1 1 所示 。 对于 1 、 2 、 4 与 6 梁底部采用局部 碳纤维布加 固的 梁 , 试验加载时两端剪切 区出现裂纹 , 裂纹 随着荷载增加 不断扩展 , 最终导致梁破坏 , 破坏模式均为剪切破坏 , 其 中 1 、 2 和 4 梁虽侧面进行了加 固, 能一定程度上控制侧面剪 切裂纹扩展 , 但是剪切承载 力和抗弯承载力提高相 比仍然 较小 , 还是发生剪 切破坏 。 而 3 、 5 试验梁 采用底 部通 长 C F R P布加 固, 虽然侧面无碳纤维布加固 , 但底部有碳纤维 布跨越剪切区 , 但仍能较大提高剪切承载能力 , 破坏时梁 跨中受弯区出现裂纹并不 断扩展导致 梁破坏 ,
22、破坏模式为 弯曲破坏, 说明梁底采用通长 C F R P加固可以有效抑制梁 的受剪破坏 。 堇 繇 握 挠度 mm ( b ) 2 梁 挠 度 mm f e ) 5 梁 图 1 1 梁荷载一 挠度曲线 1 、 2 、 4 与 6 梁破坏时 的极 限挠度较 小为 1 5 r n n l 左 右 , 且均为剪切破坏模式 ; 3 、 5 梁破坏时的极 限挠度较大 , 超过了2 5 m m, 破坏模式是弯曲破坏, 说明底部通长 C F R P 加 固可以提高梁 的承载力 , 同时较局部加 固可以更加减少 梁的脆性破坏和突然性 , 弯 曲破坏挠度较剪切破坏挠度大 。 1 、 2 、 3 、 4 梁 初始
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- 碳纤维 CFRP 加固 老化 混凝土 试验 性能 研究
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