粘贴CFRP提高既有钢筋混凝土T形梁的抗剪强度.pdf
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1、粘贴 C F R P提高既有钢筋混凝土 T形梁的抗剪强度 杨奎清 , 杨 尚义 , 曲建 波, 王鹏轶 , 杨则英 , 张垄 6 1 粘贴 C F R P提高既有钢筋混凝土 T形梁的抗剪强度 编 译杨奎 清 , 杨 尚义 , 曲建波 , 王鹏 轶 , 杨 则英。 。 张垄。 ( 1 枣庄市公路管理局 , 山东 枣庄 2 5 2 0 0 0 ;2 山东省交通运输厅公路管理局, 山东 济南 2 5 0 0 1 4 ;3 山东大学土建与水利工程学院, 山东 济南 2 5 0 0 6 1 ) 摘 要 : 为研究外部粘贴 C F RP加 固技 术对 增强结构抗剪强度的影响 , 制作 6 个抗 剪强度不足
2、 的 T形钢 筋混 凝土 梁, 采用不 同的形式进行加 固, 并 对其进行加载试验 。试验结果表 明: 粘贴 C F R P布能够 明显地增强梁 的抗剪 强度 ; 最有效 的加 固方式为 U 形缠绕并在端部进行锚 固。采用美 国标准和 欧洲规范计算 构件 的抗剪强 度 , 试 验与 计算结果对 比得 出 , 研究所提 出的设计方法是 可靠 和可用的。 关键 词 : 钢 筋混凝土 结构 ; T形 梁; C F R P; 抗剪强度 ; 桥 梁加 固 中图分类号 : U4 4 8 3 4 ; U4 4 5 7 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1
3、 ) 0 6 0 0 6 1 0 5 1 前 言 复合材料具有较 高的抗拉强 度、 重量 轻、 耐腐 蚀 、 耐久性强及易施工等优点。近年来, 纤维增强聚 合物( F R P ) 在钢筋混 凝土( RC ) 结构加固中应 用广 泛 。外部粘贴 F R P加固技术可用于多种类型的 R C 结构上 , 如桥墩、 梁、 桥面板 、 墙体、 隧道、 烟囱及筒仓 等 , 其能提高结构 的抗弯 、 抗剪强度 , 对于受压构件 能够提供约束力并增强延性 。 现有的许多 R C梁都存 在抗剪 强度不 足 的问 题 , 需要加固。引起抗剪强度不足的原因有: 没有足 够的抗剪钢筋或抗剪钢筋发生腐蚀而造成其强度降
4、低 ; 使用荷载的增加造成抗 剪承载力不足 ; 施工缺 陷 。为研究外部粘贴 C F R P加 固技术对 增强结构 抗剪强 度的影响 , 制作 6个抗 剪强度 不足 的 T形 R C梁 , 采用不同的形式进行加 固, 并对它们进行加 载试 验 。 2 试验 梁加 载试 验 2 1 试验梁及材料 6个 T形 RC梁配置 了纵 向受拉钢筋, 在测试 区域没有配置抗剪钢筋 以利于剪切破坏 ( 见图 1 ) 。 试验梁材料性能见表 1 。 2 2 试验梁加 固方案及加载试验 三 虹 J 3 0 5 0 l 图 1 试 验梁结构 布置示意 单位: 表 1 试验梁材料性能 材 料 m m 茎 怒 混凝土
5、钢筋 CFRP布 | D一 2 8 4 7 0 D一 1 3 3 5 0 D 一 1 0 3 5 0 t f 一0 1 6 5 | 7 3 0 2 0 0 5 3 O 2 0 0 5 3 O 2 0 0 3 7 9 0 2 2 8 B T1梁为基准梁。B T2梁在整个跨度上采用 连续粘贴单层 C F R P( U形缠绕) 布进行加 固( 在端 部没有锚固) , 纤维方向垂直于梁的轴线( 9 0 。 方向) 。 B T3梁 采 用 2层 C F R P 布 进 行 加 固, 第 1层 C F R P布与 B T2梁的一样 ; 第 2层 c F R P布粘贴于 梁的两侧 , 纤维方 向平行于梁的轴
6、线 ( O 。 方 向) 。粘 贴水平的 C F R P布 ( 水平层) 的 目的在 于通过增加 斜裂缝方向的抗剪摩擦强度 , 来研究其对梁抗剪强 度 的贡献 。 B T4 梁采用 1层 C F R P带 ( U形缠绕) 进行加 固, 带宽 5 0 mm, 带的中心距为 1 2 5 mm, 纤维方向 垂直于梁的轴线 。 B T5 梁只在梁的两侧粘贴 C F R P带进行加固, 带 的宽 度 、 间距及 纤维 的方 向与 B T 4梁 的一样 。 B T6 梁加固方式与 B T2 梁相似 , 但在 C F RP布 端部采用推荐的 U 形锚 固系统将 C F R P布锚 固在 梁 的翼缘上( 见
7、图 2 ) 。锚 固时 , 在梁翼缘转角处 开 约 1 5 mmX 1 5 mm 凹槽。加 固时首先处理和整平 混凝土表面( 包括 凹槽) , 然后将 C F R P布粘贴在混 凝土表 面及 凹槽表 面上。当环氧树脂 浸透 C F R P 布后, 在 凹槽 内注入一半凹槽高度的高粘度胶( 该胶 需能与 C F R P系统相容) , 将直径 1 0 mm 的玻璃纤 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 5 1 3 编译者简介: 杨奎清( 1 9 6 7 一) , 男 , 工程应用研究员, 1 9 8 9 年毕业于长沙理工大学公路与城市道路专业 , 获学士学位 ( E - ma i l : s g
8、lj y k q 1 6 3 c o rn) 。 豇 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 世 界 桥 梁 2 0 1 1年第 6期 图 2 U 形 锚 固体 系细 部 构 造 维( F RP ) 杆植入凹槽处并施加较轻 的压力 , 以使胶 布满 C F R P布并同时覆盖部分 F RP杆和 C F R P布 的侧面。以适 当的间距使用楔形体将 F R P杆 固定 在指定位置 , 然后使用同样 的胶将 凹槽填满并整平 表 面 。 试验梁采用 四点加载测试 , 加载装置的量程为 1 8 0 0 k N, 加载方式采用逐级增大的循环加载。每 次测试采用 4 个线性
9、差动变换器来监测不同位置的 垂直位移( 挠度) , 其 中 2个位于跨 中并分别布置在 梁的两侧 , 另外 2个布置在支座处。每片梁安装 1 0 个应变仪来测试 C F R P的应变 , 应变仪安装在梁两 侧的 C F R P布( 带) 上 , 方向与纤维方 向一致 。应变 仪都安装在剪切裂缝可能发生的位置 , 即对 B T1 梁 进行测试时观察到 的位置( 见图 3 ) 。 3试 验结 果分析 对 B T1 梁加载时, 在 1 1 0 k N荷载作用下梁的 2 个剪跨中心同时出现斜 的剪切裂缝。随着荷载的 增加裂缝变宽 , 在 1 8 0 k N荷载作用下梁发生破坏 。 B T2 梁 的破
10、坏主要是剪切裂缝处 的 C F R P布 脱落引起的, 随后在 3 1 0 k N 荷载作用下梁体发生 剪压破坏 。B T 2梁抗剪强度提高 了 7 2 , C F R P局 部最大应变为 0 0 0 4 5 mm mm, 仅相 当于 C F R P极 限应变的 2 8 。如果能避免 C F R P布脱落 , 可更好 地利用其性能, 以使梁获得更高的抗剪强度。 B T 3梁 在荷 载 达 到 3 1 5 k N 时发 生 破坏 , 与 B T 2梁破坏模式相似。与 B T2梁相 比, B T 3梁没有 明显提高抗剪强度 。当破 坏模式 由 C F R P布脱落 控制时, 增加水平层对于提高梁的
11、抗剪强度没有明 显作用。但也许对于剪跨 比较小的情况或破坏模式 由腹板破碎控制时 , 水平层可能会起到一定 的作用。 B T4 梁在荷载为 1 4 0 k N时出现剪切裂缝。随 着荷 载 增 加 , 在 剪 切裂 缝 中心 和 其 上 端 之 间 的 C F RP带脱落, 导致在剪切裂缝中心和其下端之间 的 C F RP带承担的荷载瞬时增大, 致使 C F R P带断 ( a )B T I ( 基准梁) 单位:m ( b )B T 2 ( 连续粘贴C F R P 布,U 形缠绕,端部没有锚固) ( c )B T 3 ( 垂直及水平双层粘贴) ( d )B T 4 ( 粘贴c F R P 带,U
12、 形缠绕) ( e )B T 5 ( 仅在梁两侧粘贴c F R P 带) ( f )B T 6 ( 连续粘贴C F R P 布,u 形缠绕,端部有锚固) 注: 由 为 线 性差 动变 换器, 为 应变 仪。 图 3试 验 粱加 固方 粟及 测试 装 置 布 置 示 意 裂 , 梁在荷载为 3 2 4 k N下发生剪 压破坏 , C F R P的 垂直应变 最大值 约 0 0 1 mm mm( 约 为 B T 2梁的 C F R P垂直应变的 2 倍 ) 。B T 4梁与 B T2梁的承载 能力接 近, 说 明使用 C F R P加 固时有 一个最优 用 量。基于一系列试验结果 , T r i
13、a n t a fi l l o u认为 C F R P 对 抗 剪 强度 的贡 献 与 其 轴 向 刚度 成 线 性 关 系。 C F R P轴 向刚度约为 0 4 G P a , 当其超过 0 4 GP a , 加固效果不再明显 。 B T5梁在荷载达到 1 4 0 k N 时就形成 巨大的剪 切裂缝 。随着 荷载增 加 , 剪切裂 缝 的发展 方式 与 B T 1 、 B T 4梁相似 , 当荷载达 到 2 4 3 k N时 C F R P带 脱落 , 梁 发 生脆 性 破 坏 , 随后 发 生 剪 压破 坏 。与 B T 4梁不同, B T5梁 C F R P带脱落区域主要 在剪切 裂
14、缝中心和其下端之间。B T 5梁采用 的加 固方式 能够使梁的抗剪强度提高 3 5 。 B T6 梁 的抗剪强度有了明显的提高 , 与 B T 2梁 不同, 其破坏模式为弯 曲破坏, C F R P的垂直应变最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粘贴 C F R P提高既有钢筋混凝土 T形梁的抗剪强度 杨奎清 , 杨 尚义 , 曲建波 , 王鹏轶 , 杨则英 , 张堑 6 3 大 为 0 0 0 6 3 mm mm, 即为 C F R P极 限应 变 的 4 0 ( 并非是绝对值 , 因为该值在很大程度上取决于 应变仪与裂缝的位置关系) 。图 4表示 了 B T2
15、 、 B T6 梁荷载 C F R P垂直应变 的关系。对 比 B T 2 、 B T6 梁发现 , 裂缝 的出现发生在 相 同的荷载水平 下 , 但 B T6梁能够承受更大的极限荷载及应变, 且在极限 荷载下 B T 6梁 C F R P布没有脱落( 见图 5 ) 。如图 5 所示 , 在梁发生弯曲破坏后 , 支座附近的剪切裂缝末 端的 C F R P布发生断裂。与 B TI 、 B T2梁相 比, B T6 梁的加固方法使梁的抗剪强度分别提高了 1 4 5 和 4 2 , 极限承载能力 达到 4 4 2 k N。与 B T 2梁相 比 ( 见图 6 ) , B T6梁在刚度 、 韧性方 面
16、有 了很 大 的提 高 , 该韧性的提高是由于弯曲破坏模式形成的; 破坏 时 B T 6梁跨 中挠度约为 B T 2梁的 3 倍 。 1 0 0 2 0 0 3 00 40 0 5 00 荷载 k S s gl 0 BT 6 s g 9 B T2 s gl 0 BT 2 s g 7 B T6 s g 9 B T 6 s g 7 B T2 图 4 B T 2 、 B T 6梁荷载 C F R P垂直应变关 系 图 5试验梁破坏形式 4设计 方法 4 1 C F RP加固截面的抗剪强度AC I 标准 公式( 1 ) 给出了 AC I 标准计算 RC梁截面 的名 义抗剪强度的方法 。 V = = =
17、V + V + Vf ( 1 ) 图 6试 验 梁 荷 载 跨 中挠 度 曲线 式中, V 为混凝土的抗剪强度 ; V 为钢筋的抗剪强 度 ; 为 C F R P对抗剪强度的贡献 。 设计抗剪强度 C v 是将名义抗剪强度乘以抗剪 强度折减系数 j 5 得到 的。AC I 标准规定 , 对 于钢筋 和 混凝 土 的贡献 , 取 0 8 5 ; 对 于 C F R P的贡献 , 取 0 7 。设计抗剪强度C v 为 C v 一 0 8 5 ( V +V ) + 0 7 V f ( 2 ) 4 1 1 C F R P对 抗剪 强度 的贡献 C F RP对 抗 剪强度 的 贡献为 V : 丛 ( 一
18、 V s) ( 3 ) 0 式中, A 为 C F RP面积, C F R P的总厚度 ( 由于在梁 的两侧 都使用 C F R P进 行粘 贴加 固) 取 2 , Af 一 2 t Wf , Wf 为 C F RP带的宽度 ( 见 图 7 ) 。对于连续 垂直粘贴加固的情况 , 带间距 S r 与带宽度 W 相等。 皿皿圈 。 。 图 7 CF RP粘 贴 方 式 及 相 应 指 标 为防止 C F RP由于斜压应力过大而断裂 , 公式 ( 3 ) 中确定 了抗剪强度 的极 限值 , 且 C F R P带 间距 不应 过宽 而使某些 斜裂缝 上没有 粘贴 C F RP带。 带间距不应该大于公
19、式( 4 ) 给出的最大值 。 S f Wf + d 4 ( 4 ) 公式 ( 3 ) 中, 小于 C F RP名义强度 的有效应力 由名义强度 乘以折减系数 R得到。 -厂 f e R f , ( 5 ) R根据梁 的 2种控制破坏模式确定 。破坏模式 1 指 由于应力集 中, C F R P在平均应力低 于名义强 度的情况下就发 生了 C F R P的断裂破坏 。破坏模 式 2是指 C F RP从混凝土表面脱落失效而造成梁体 破坏 。在这 2种情况下 , 必须分别确定 R的一个上 限值 , 以控制剪切裂缝 的宽度以及集料脱落损失 。 7 6 5 4 3 2 1 0 目 埘郴d 2I 5 学
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