CFRP抗弯加固负载RC梁短期裂缝宽度探究.pdf
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1、工程结构四川建筑第4 3卷第4 期CFRP抗弯加固负载RC梁短期裂缝宽度探究毛宇欣,钱永久,黄俊豪(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆4 0 0 0 6 7;2西南交通大学土木工程学院,四川成都6 10 0 31)【摘要】为研究二次受力对CFRP抗弯加固混凝土梁桥短期裂缝宽度的影响,进行了5 根RC简支梁在不同持载水平下的CFRP布抗弯加固试验,推导了考虑初始荷载的CFRP加固混凝土梁平均裂缝间距和最大裂缝宽度计算方法。试验结果显示CFRP直接加固梁的平均裂缝间距和最大裂缝宽度均显著减小,加固梁裂缝呈现“细、密、多”的特点,表明加固可显著限制混凝土梁的裂缝发展,而相比于直接加固梁,3根
2、二次受力加固梁的平均裂缝间距分别增加了3.9 1%、14.2 0%和35.9 4%,最大裂缝宽度分别增加了12.5 0%、25.00%和5 0.0 0%,表明二次受力会削弱CFRP对梁裂缝发展的限制。【关键词】CFRP;钢筋混凝土梁;二次受力;裂缝宽度【中图分类号】TU317+.10引言碳纤维复合增强材料(CarbonFiberReinforcedPolymer,简称CFRP)因其轻质高强和耐腐蚀性强等特点,被广泛应用于桥梁加固中1,而目前针对CFRP加固混凝土梁裂缝特征的研究较少。庄江波等 2 提出了CFRP布加固RC梁正常使用阶段的平均裂缝间距和受拉钢筋应力的计算公式,推导了加固梁的裂缝宽
3、度计算公式,王艳芳等 3 对CFRP加固RC梁裂缝处的钢筋应力和裂缝间钢筋及混凝土的应力分布做了理论计算分析,并根据严格的变形协调关系推导了二次受力下CFRP片材加固RC梁正常使用阶段的裂缝宽度计算公式。在上述成果中,文献 2 未考虑二次受力,研究结果仅适用于直接加固梁,而文献 3虽指出二次受力会使CFRP出现应变滞后,但仍参考了文献 2 的成果,在裂缝宽度计算公式中未计人初始荷载的影响。鉴于此,本文完成了一组CFRP加固负载RC梁的抗弯试验,以初始荷载大小为变量,分析了二次受力对加固梁裂缝形态及宽度的影响,并基于分段叠加法推导了考虑初始荷载的加固梁平均裂缝间距和最大裂缝宽度计算公式。1CFR
4、P抗弯加固负载RC梁试验1.1试验梁设计共设计5 根矩形截面RC简支梁,梁长2.3m,横截面尺寸12 0 mm200mm,混凝土强度等级为C30,受拉钢筋为2根直径12mm的HRB335级钢筋,受压区架立钢筋为2 根直径6mm的HPB235级钢筋,箍筋为直径6mm的HPB235级钢筋,弯剪段和纯弯段的箍筋间距分别为10 0 mm和16 0 mm,保护层厚度为2 0 mm。加固方式为在梁受拉面粘贴一层长190 0 mm、宽8 0 mm、计算厚度0.16 7 mm的CFRP布,试验梁设计详见图1。1.2试验工况设计5根试验梁包含1根未加固梁(基准梁)、1根直接加固172【文献标志码】A8100向下
5、加载点100700梁(对比梁)和3根加固前施加不同初始荷载的二次受力加固梁,详见表1。表1试验工况设计梁编号持载水平JZ0DB030%M uoCZ-160%Mu0CZ-290%Mu0CZ-3注:Muo为基准梁JZ的极限承载力1.3试验装置及加载方式为便于持载状态下粘贴CFRP,采用反位加载方式,本课题组研制了如图2 所示的反位加载装置。3根持载加固梁的初始荷载分别为14.4 kN、2 8.8 k N和43.2kN,均在基准梁的开裂至屈服荷载之间。采用双油管式千斤顶进行两端同步加载,可保持两端荷载一致。正式加载前按基准梁计算极限荷载的10%进行预载,卸载后按定稿日期 2 0 2 2-0 7-0
6、5【基金项目 国家自然科学基金面上项目(项目编号:51778532)【作者简介毛宇欣(1994),男,硕士,助理工程师,研究方向为装配式桥梁设计及抗震性能。4160CFRP布7002300图 1 试验染(单位:mm)不加固,直接加载至破坏无预载,直接加固后加载至破坏施加30%Muo的初始荷载,持载加固后加载至破坏施加6 0%Mo的初始荷载,持载加固后加载至破坏施加90%M.的初始荷载,持载加固后加载至破坏8x100向下加载点700加固及加载方式1202虫12 十862虫6毛宇欣,钱永久,黄俊豪:CFRP抗弯加固负载RC梁短期裂缝宽度探究2500100700地锚750700700仪器对称布置(简
7、支支座除外)支座中心线中心CFRP布试验梁R=15VC管200支墩100580传力杆反力梁千斤顶上横梁传感器百分表纵梁横撑杆下横梁反力梁千斤顶上横梁一传感器009T试验梁一传力杆横撑杆一纵梁下横梁一地锚王4000091:图2 反位加载装置(单位:mm)1kN/级加载至跨中截面出现裂缝,而后按2 kN/级加载至接近预定初始荷载,利用上横梁上表面的螺栓微调荷载至预定值后持载贴布,养护4 8 h后继续按2 kN/级加载至受拉钢筋接近屈服(通过受拉钢筋应变测值控制),继而调整为1kN/级缓慢加载至梁屈服,而后采用位移控制加载,以跨中挠度增量1mm为一级,加载至出现荷载峰值及卸载现象。记录数据时,荷载值
8、通过压力传感器的数据采集箱直接读取。试验梁两加载点及跨中截面对应梁底位置布置共3个百分表(详见图2),若测得2 个加载点下挠值分别为,和3,跨中上拱值为2,则跨中度为。=0.5,+)+2 01.4试验结果及分析各试验梁的荷载一挠度曲线见图3。24-20(u-NDIN泉中16-12-8-40根据试验梁的放置形式,绘制各根梁极限状态下的裂缝形态如图4 所示,图中加粗线条表示加固后产生的新增裂缝,数字为梁接近屈服时的裂缝宽度。加固后继续加载过程中,初始裂缝间产生一定数量的新增裂缝,新增裂缝大多斜向延伸至与初始裂缝相交,新、旧裂缝与梁受拉面间形成混凝土“三角体”。钢筋屈服后裂缝快速发展,“三角体”逐渐
9、与梁体分离,最终随CFRP布剥离。与JZ相比,DB的平均裂缝间距和最大裂缝宽度分别减小了38.5 0%和4 0.7 4%,裂缝呈现细、密、多”的特点,表明CFRP加固可有效限制梁的裂缝发展;与DB相比,CZ-1、CZ-2及CZ3的平均裂缝间距分别增加了3.9 1%、14.20%和35.9 4%,最大裂缝宽度分别增加了12.5 0%、25.00%和5 0.0 0%,且裂缝分布范围也呈增加趋势,表明二次受力会削弱CFRP对加固梁裂缝发展的限制。(a)JZ(b)DB0.14(c)CZ-10.178180.1015(d)CZ-2(e)CZ-3图4 极限状态下的裂缝形态(单位:mm)JZCZ-1DBCZ
10、-2-CZ-3510图3荷载一挠度曲线2二次受力加固梁裂缝宽度计算2.1平均裂缝间距计算取直接加固梁相邻裂缝间的区段为隔离体,如图51520跨中挠度A/mm25303540所示。0A,OA,图5 中,lm为加固梁平均裂缝间距;T。为受拉钢筋与混凝土间的粘结应力;Tct为CFRP与混凝土间的粘结应力。混凝土有效受拉截面积为Ate,则相邻裂缝间梁段隔离O.=0(a)裂缝间梁段隔离体(b)受拉钢筋隔离体(c)CFR P隔离体图5 直接加固梁平均裂缝间距计算OA,OanAdOenAar173工程结构体的受力平衡为式(1)。CsA,+A=Q2A,+QcnA+fAte分别取受拉钢筋和CFRP布为隔离体有式
11、(2)。(g.-g2)A,=T,TdlmrL(el-&c2)Aer=Tebalmf式中:bct为CFRP布粘贴宽度;d为受拉钢筋直径。联立式(1)和式(2)可得式(3)。fAte=(Tetbet+T,Td)lmf未加固梁平均裂缝间距1.由式(4)确定 4 :f.Ate=T,Tdlm则联立式(3)和式(4)可得1m文献 2 指出,(Tcr/。)在梁使用阶段主要与加固量及配筋率有关,并根据其试验结果线性回归得到式(6)。Tcf/T。=1.4(A c f/A,)+0.2本文试验表明,初始荷载较小时,加固后新增裂缝较多,裂缝间距显著减小,而初始荷载较大时,加固后新增裂缝较少,故可认为加固梁的平均裂缝间
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