碳纤维板加固钢筋混凝土梁短期挠度的试验研究.pdf
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1、第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J 0 f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo 】 2 5 NO 4 De c 2 0 08 碳纤维板加固钢筋混凝土梁短期挠度的试验研究 徐 芸 ,一 ,蔡锦堂 ,徐 荫 ,沈宝云 1 ,顾晓静 ( 1 九江学院 土木工程与城市建设学院,江西 九江 3 3 2 0 0 5 ;2 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 3 嘉兴学院 建筑工程学院,浙江 嘉兴 3 1 4 0 0 1 ) 摘要:本文对钢筋混凝土梁底粘贴碳纤维板加固
2、进行了试验研究,通过 3根未加固梁的静载对比试验,着重 探讨了6根加固的试验梁中一次和二次加载对混凝土梁刚度的影响, 并建立了C F R P板加固粱截面挠度的计算 公式。试验表明,粘贴碳纤维板可有效地加固钢筋混凝土结构,延缓了裂缝的开展和提高了梁的刚度,且计算 结果与试验结果基本一致。 关键词:碳纤维板;加固;钢筋混凝土梁;挠度 中图分类号:T U3 7 5 1 ;T U3 1 7 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 1 9 2 04 1 概述 目前,对现役结构物的加固改造已成为诸多 国家土木建筑行业 的主要研究与投资方 向。一直
3、以来,除钢板补强方法作为混凝土构件的主要加 固方法外,采用碳纤维( C F R P ) H 固的方法现也已 广泛应用于加 固修复的技术领域。特别在梁、板 的加固中,粘贴碳纤维布和缠绕碳纤维布的补强 方法 已被大量使用。然而 ,碳纤维布的粘贴方 法,因需要多层粘贴而使工程量增加,且施工难 度将增大。如选用碳纤维板 ,采用胶状环氧系粘 着剂将板粘贴在混凝土表面的简单作业就能达到 加固效果,该技术 因其具有提高构件承载力与延 性、控制裂缝开展 、增强结构刚度 以及改善其受 力性能的优点,现 已成为国际上土木工程界一个 新的研究热点。 近几年,尽管 C F R P加固钢筋混凝土梁方面 的研究工作开展较
4、多,但对 C F R P板加固梁的挠 度研究还不够深入 。尤其,钢筋混凝土结构考虑 二次受力对短期挠度影响的研究更少。虽然梁 的 挠度值是量测数据 中反映其综合性能的一项重要 指标L2 J ,但对加 固梁还未形成统一的挠度计算公 式 ,本文通过理论分析与试验相结合的方法针对 这一问题进行 了研究。 2 试验研究 2 1 试件设计 9根矩形截面简支梁,混凝土实测强度等级 为 C 2 0 ,梁截面尺寸为 b h = 1 6 0 m m2 3 0 mm, 跨度 = 1 7 0 0 i l l m,净跨 o = 1 5 0 0 mm。受力钢筋 为直径 1 6 mm 的 HR B3 3 5级钢 ; 弯剪
5、段架立筋和 箍筋为直径 6 mm 的 H P B 2 3 5级钢。钢筋混凝土 试验梁设计配筋率 =1 1 8 5 ,其配筋见图 1 。 l U 一 。 l I I I I I 6 990 1 I l I :l 1 1 1 1 1 1 1 O l 。 o【5 5 0 I 1 )0 I 5 5 0 0 0 0 0 0l 1 5 0 0 1 0 0 1 7 0 0 图 1 试验梁配筋 mm 2 2 CF R P板特性 碳纤维板为连续碳纤维单 向或多向排列、并 经树脂浸溃固化的板状碳纤维制品【 l J 。 其 自重轻、 厚度小,基本不会改变构件 的形状及重量;可裁 剪成任意长度,避免 了搭接 ;抗拉强
6、度极高;与 钢板相 比, 抗碱防腐能力较强; 抗疲劳能力突出; 施工工序简便, 1 层 C F R P板相当于 4 8 层 C F R P 布的加固效果,从而使作业更加省力:没有湿作 业,现场不需大的设施,施工 占用场地少。同时, 粘贴碳纤维板的粘结剂 ,即便是上方作业也不会 流淌,能确保作业者的安全 ,亦不必像钢板还需 收稿 日期 :2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介:徐芸 ( 1 9 7 4 一 ), 女, 江西九江人, 讲师, 博士生, 研究方向为钢结构,c l o u d y s mi l e w u h e e 1 6 3 c o m。 第 4期 徐芸等:碳纤维板加固钢筋混凝土
7、梁短期挠度的试验研究 1 9 3 用螺栓固定。 本次试验沿梁底通长布置的 2条厚 1 2 n l l n , 宽约 2 0 mmC F R P板, 其于梁底部粘贴位置如 图 2 所示。C F R P板实测的弹性模量为 1 7 1 6 GP a 。 ( a )一次受力梁底 C o )二次受力梁底 图 2 梁底部C F R P板的具体粘贴位置 2 3 试验梁的加固方式( 见表 1 ) 表 1 三组试验梁加固方式 注 :加 固梁靠近支座每端 ( 除 A - 7梁设 1道 C F R P 布箍外)均设宽 1 0 0 IT ln l 的C F R P布封闭箍 3道。 2 4 加载装置和试验方式 本次试验
8、通过分配梁实现二集 中荷载三分点 加载,剪跨 比为 2 3 6 ,在支座两端和梁跨中位置 各布设 1 个百分表, 用 以量测试验梁的跨 中挠度 。 图 3 为本次试验 的加载装置示意图。按照 G B 5 0 1 5 2 1 9 9 2 混凝土结构试验方法标准 ,确定荷 载的分级和恒载的施加时间,梁开裂前、后每级 荷载施加量分别约为极限承载力估算值的 2 O 和 1 0,直至混凝土梁破坏。 图 3 试验梁加载装置示意 3 试验结果分析 图 4为三组加 固试验梁挠度随荷载变化的比 较 图,它反映出 C F R P板加 固梁的挠度变化趋势 图 4 试验梁荷载与挠度曲线 由图和试验数据可知: ( 1
9、) 在加载初期, 三组试验梁的挠度增长都 较慢 ,荷载一挠度关系曲线基本呈线性变化,或 者说截面刚度保持不变 ,而且此 时对一次受力梁 ( 第二组) 而言,其 C F RP板1 笱未正常发挥作用 。 ( 2 ) 当受拉区混凝土开裂后,未加固梁的挠 度急剧增加,而加 固梁挠度增加相对缓慢 ,表现 为后者曲线斜率较前者有明显提高,且对于相 同 数值的外荷载作用 ,加 固梁的挠度值均小于对 比 梁 的挠度值 ,这种差异随荷载增加而增大 。分析 以为 ,C F R P板 的粘贴加 固在一定程度上可提高 梁 的抗弯刚度 。 ( 3 ) 破坏时的挠度 , 未加 固梁在 3 9 5 8 7 m n 内,第二
10、、三组加固梁分别在 8 1 4 一 l 1 6 0 mm, l 1 1 6 1 3 1 0 m i 1 内。加 固梁的极 限挠度超 出普通 混凝土梁容许挠度 ( 一般 受弯构件 = 0 2 0 0 = 7 5 ml n ;挠度有较高要求构件【 月 = 4 2 0 O = 6 0 mm)1 倍 以上 。因此 ,在正常使用条件下,C F R P 板加固 梁的抗弯性能明显优于普通混凝土梁。 ( 4 ) 观察一次与二次受力试验梁的荷载一挠 度关系曲线 :两者最显著的差别是后者最大挠度 较前者有所增加,且两者的共向特征是曲线的后 阶段有一个 明显转折点,当荷载超 出该点,挠度 迅速增加, 曲线变化表现为
11、略接近于水平的趋势。 分析认为,纵筋屈服后,尽管 C F R P板承担主要 的外荷载,但因其延性较差,仍会同混凝土梁一 起变形较大 。同时,这两类加 固试验梁 的荷载与 挠度 曲线比较吻合,即这 2 种加固方案对挠度的 控制效果是相近 的。 1 9 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8 年 4 加固梁跨中挠度计算 与普通混凝土梁一样 ,计算加固梁的挠度实 质上是梁的截面抗弯刚度的计算。刚度值总是与 建筑材料的特征常数和截面特征值有关。 在试验加载过程中,当初期荷载很小时,荷 载 一挠度关系曲线基本呈线性变化 ,截面抗弯 刚 度 接 近弹 性 刚度 ,可 取 为换算 截 面抗
12、弯 刚度 , 0 3 】 o 当达到开裂荷载时,由于受拉区混凝土存在 一 定的塑性变形,抗弯刚度略有降低,可近似取 日 s = 0 8 5 , 0 ,其中, 。 为混凝土梁荷载标准组合 下的截面抗弯刚度,简称短期刚度; 为混凝土 的弹性模量;, 0 为换算截面惯性矩 。 当受拉区混凝土开裂后,加固梁挠度的增长 比荷载的增长快,其截面抗弯刚度是一个变量, 是随着荷载增加而不断降低的。通常,钢筋混凝 土梁是处于带裂缝的正常使用状态 。 就 C F R P板加 固梁在裂缝发展稳定阶段的短 期刚度进行研究,以对 比一次梁与二次加固梁跨 中挠度的理论数值和试验值。国内外大量试验和 文献已表 明,在正常使
13、用阶段,加 固梁沿截面高 度量测的平均应变仍符合平截面假定,参照 混 凝土结构规范一般混凝土梁挠度 的计算方法, 并作近似处理后得出加固梁的短期刚度算法。在 研究两类加固梁正常使用状态极限下的最大挠度 时,选取受拉钢筋屈服时的挠度【4 】 。 4 1 一次受力梁 考虑将 C F R P板等强折算成钢筋计算。按总 力不变条件 = f f ,则 A s = f , f 由 于 C F R P板较薄 ,可以认为 = c f ,故: 。 = = A c e = 0 8 5 8 A o (c D 一 丁一 r 即 A s 】 = + 0 8 5 8 A c f =4 4 3 2 mm 。 一 次加固梁
14、的短期刚度为: : = 3 9 81 0 Pk 2 08 pk一1 4 4 2x1 0 式中: :1 1 一 0 6 5 f t k: 1 1 一1 2 5 4 x1 0 4 。 P【 e 1 t 7 s s l Pk ( 受拉区等效配筋率: 鲁 钢筋 和 C F R P板 的平均 应 力: 等 84 3 刚= M k = 3 。 5 81 。一 p 等 挠度计算式: 3 o2 -4 ( )2 -5 9 9l 0 , 旦 ( 2 ) 从数学的角度,式( 1 ) 中 A 1 A 。 ,因而,在相 同荷载作用下一次加固试验梁 的短期刚度大于未 加固梁的短期刚度 ,它表现在试验数据 中的前者 比后者
15、的挠度值要小些。 4 2 二次受力梁 结构加固往往是在非卸载状态下进行,因此 在加固前,原构件截面就会在所承受的截面内力 下处于某个初始应力应变状态 。加固后,在没有 新的荷载增量作用时, 被加固截面 内力不会变化, 故截面应力应变亦不会发生变化 ,新增加部分 ( C H 板) 会处于零应力状态。 加固工程属于二次 受力结构,决定了其短期挠度 的计算方法不同于 普通的混凝土梁,也有异于一次受力梁 。 在此情形下,梁的截面抗弯刚度应分为加固 前和加固后的截面抗弯刚度。 ( 1 ) 加 固前的短期挠度 : 按一般混凝土梁计 算,且设加固前力的初始弯矩 Mk o 。则 : = = 3 61x10”P
16、k o 同理 ,跨中最大挠度 : : 5 9 9 1 0 0 。 ( 2 )加固后梁 的短期挠度 :应考虑 C F R P 板的滞后应力,或者说钢筋的超前应力。则二次 加固梁的短期刚度为: 垦垒! : 1 1 5 2+0 2+6 aE Pl 3 9 81 0 2 0 8一 : 7 9 8p k+8 1 4pk 0 式中,裂缝间钢筋应变不均匀系数中,钢筋应力 第 4期 徐芸等 : 碳 纤维板加 固钢 筋混凝土梁短期挠度的试验研究 1 9 5 值取 C F R P板粘贴前后的应力之和 ,即 固梁的挠度无明显差距。 1 1 一 0 6 5 f = 1 0 01 xl 0 6p -t - 6 1 斗p
17、 其中,钢筋和 C F R P板 的平均应力 一 -3 0 5 8 1 0 - 3 c P k-Pk 0 , 挠度计算式: = f o +S = + 5- 99 l 4 3 跨中极限挠度计算结果与实测值得的比较 跨中极限挠度计算结果与实测值得的比较见 表 2 。 整体而言, 3组试验梁 的计算值和其对应 的 试验测得的值 比较吻合,且第一组未加固梁的短 期刚度较加固了第二、三组略微小些 ,这能够说 明 C F R P板起到了有效加固钢筋混凝土结构、提 高梁的抗弯刚度和阻止梁发生较大变形的作用 。 表 2 三组试验梁挠度 注: 初始荷载是指粘贴C F R P板时施加在钢筋混凝土 梁上的持续荷载;
18、因 A 7梁抗剪加固略差,故表中所示 的挠度计算值与实测值的比值较小。 由表 2可知,第二组一次受力梁和第三组二 次受力梁的短期刚度和挠度都很接近,因而也反 映在试验 结果中两组加固梁 的变形情况极 为相 似 。 分析可知, 第三组梁在 的早期没有粘贴 C F RP 板 ,那么它的变形应该与第一组是一致的;第二 组虽然粘贴 了 C F R P板,但在试验的早期这一加 固材料并未充分参与作用,从而导致一次受力梁 和二次受力梁在施加荷载初期梁的变形与第一组 相近,随着荷载的增加,C F R P 板的潜力才逐步 得以发挥,因而从受弯变形的角度看,这两组加 5 结语 ( 1 )C F R P板截面面积
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