1、第30卷第7期建筑結(jié)構(gòu)2000年7月碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加固的試驗(yàn)研究吳剛安琳呂志濤(東南大學(xué)土木工程學(xué)院南京210096)提要在20根梁的試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁后的受彎破壞特征及對(duì)梁的極限承載力、剛度等的影響進(jìn)行了研究與分析,提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法與建議,供工程應(yīng)用參考。關(guān)鍵詞受彎梁剛度碳纖維布破壞特征極限承載力Basedonthetestsoftwentybeams,theinfluenceoffailuretype,theultimatestrengthandofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithexternallybo

2、ndedfiberre2searchedandanalysed,whichcangivereferencetoKeywords:bending;beam;stiffness;carbonfiber;strength一、引言在土木工程中,、多,(CarbonFiberRein2forced簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP)用于結(jié)構(gòu)加固是一項(xiàng)新技術(shù)1,21,梁的加固方式及破2及表2。31試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容試驗(yàn)采用手動(dòng)千斤頂進(jìn)行加載,開(kāi)裂前各種材料的性能指標(biāo)梁號(hào)WLa,WLbWLcWLaWLbWLc表1。由于CFRP有很高的強(qiáng)度材料重量比,極好的耐腐蝕性能及耐久性,施工便捷等優(yōu)點(diǎn),在許多情況下比其它加固方法更有優(yōu)勢(shì)。但目前對(duì)

3、用CFRP加固的結(jié)構(gòu)的各種性能的研究還很不深入。本文對(duì)CFRP的抗彎加固作了專(zhuān)題研究,并在20根梁的試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加固后的破壞特征及對(duì)梁的受彎極限承載力、剛度等的影響進(jìn)行了研究與分析。二、試驗(yàn)介紹11材料試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30,主筋為級(jí)或級(jí)鋼,箍筋及架立筋為級(jí)鋼,實(shí)測(cè)力學(xué)性能見(jiàn)表1。碳纖維材料采用日本產(chǎn)的FTS2C1220型碳纖維布,膠為日本產(chǎn)的FR2NS(增強(qiáng)碳纖維布與混凝土的粘結(jié)力),FR2Z(修補(bǔ)、找平混凝土表面),FR2E3P(粘貼碳纖維彈性模量立方體抗壓鋼筋屈服抗拉強(qiáng)度極限應(yīng)變厚度(GPa)強(qiáng)度(MPa)強(qiáng)度(MPa)(MPa)(%)(mm)3018

4、3216混凝土3015混凝土39S1(級(jí))200S2(級(jí))200S3(級(jí))200235393372173742104211346155411561355001301310101011501111WLa,WLb,碳纖維布WLc布),以及某種國(guó)產(chǎn)的FN21膠。21試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁均為矩形截面梁,共有三種類(lèi)型,分別記為WLa,WLb,WLc。梁的截面尺寸、圖1各梁的截面尺寸、配筋、加載位置示意圖圖2兩種錨固方式示意圖3© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 各

5、梁的編號(hào)、加固方式、加固前后荷載變化值及破壞特征梁號(hào)WLa1WLa2WLb1WLc1WLc2WLc3WLc4WLc5WLc6WLc7WLc8WLc9WLc10WLc11WLc12WLc13WLc14WLc15WLc16表2Pu2膠J1J1J1J1J1J1J1J3J1J1J1J1J1J1J2J2J2J3J2加固方式先破壞,后貼一層碳纖維布先破壞,后貼兩層碳纖維布先破壞,受壓區(qū)修補(bǔ)后再貼一層未加固未加固粘貼一層碳纖維布粘貼一層碳纖維布粘貼一層碳纖維布粘貼一層碳纖維布粘貼三層碳纖維布粘貼三層碳纖維布粘貼三層碳纖維布一層,純彎區(qū)100mm,受剪區(qū)140mm先開(kāi)裂,再貼一層碳纖維布粘貼一層碳纖維布,支座

6、自錨粘貼一層碳纖維布,布錨粘貼一層碳纖維布,螺栓錨粘貼一層碳纖維布,Pcr1Py1Pu1Pcr2Py2(kN)3030(kN)(kN)3030132125128125125125125125125125125125125(kN)(kN)(kN)73100165125128165165155166185190165150155Pu2/Pu1破壞特征DSC#CCFFPFDDDFFFFFF#P404511011545404040454045401101151101201301301351201101154545404021433133112511001100113211321124113314811

7、2411421133113211201124注:梁0111%,110%,0176%,梁WLa,WLb的配箍率為0125%,梁WLc的配箍率為0147(3種),J2為日本粘貼碳纖維布用的FR2E3P膠,J3為國(guó)產(chǎn)的FN21膠。除梁WLc10140mm;WLa,WLb梁底的碳纖維布長(zhǎng)2300mm,除WLc12梁底的碳纖維布長(zhǎng)2000mm外,其它WLc梁底的碳纖維布長(zhǎng)1700mm。梁WLc10在碳纖維布被拉斷后繼續(xù)加載至混凝土受壓區(qū)被壓壞,此時(shí)的極限荷載為120kN,最終基準(zhǔn)梁的極限荷載取為125kN。Pcr1,Py1,Pu1,Pcr2,Py2,Pu2分別是試驗(yàn)時(shí)梁加固前后的開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限

8、荷載,其中梁WLc3WLc12及梁WLc14WLc17的Pu1值為根據(jù)其它基準(zhǔn)梁得到的計(jì)算值。C為受壓區(qū)混凝土壓壞;D為粘結(jié)破壞(混凝土被拉下);F為碳纖維布拉斷破壞;P為混凝土2膠界面剝離破壞。C#表示梁WLb1破壞時(shí),其受壓區(qū)位置與加固前不同;F#表示梁WLc15破壞時(shí)錨板被拉下,碳纖維布在截面削弱處被拉斷。以每級(jí)5kN進(jìn)行加載,接近破壞時(shí)以每級(jí)10kN進(jìn)行加載,其它情況以每級(jí)20kN進(jìn)行碳纖維布加固后梁的極限承載力均有較大幅度的提高,其中粘貼一層碳纖維布加固后梁的極限承載力約提高24%33%,粘貼三層碳纖維布加固后梁的極限承載力約提高48%64%。從圖3荷載2應(yīng)變關(guān)系曲線知,碳纖維布在加

9、載后期特別是鋼筋屈服后發(fā)揮了較大作用,其高強(qiáng)特性得到充分發(fā)揮。21破壞特征及其力學(xué)解釋根據(jù)試驗(yàn),碳纖維布加固后梁的破壞類(lèi)型有四種3:受壓區(qū)混凝土壓壞;碳纖維布拉斷破壞;粘結(jié)破壞(混凝土被拉下),這類(lèi)破壞是由于膠作用于混凝土表面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力的組合作用引起水平裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展,導(dǎo)致混凝土被拉下,有時(shí)甚至梁的整個(gè)混凝土保護(hù)層被拉下;混凝土2膠界面發(fā)生剝離破壞(撕下的碳纖維上粘的混凝土很加載。在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了以下的數(shù)據(jù):支座、加載點(diǎn)及跨中的位移變化值;碳纖維的拉應(yīng)變;跨中鋼筋的應(yīng)變;加載時(shí)梁兩側(cè)沿跨中截面高度上混凝土壓(拉)應(yīng)變;用刻度放大鏡觀測(cè)裂縫寬度并隨時(shí)記錄裂縫開(kāi)展情況。三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

10、(一)承載力及破壞特征11承載力分析各梁的破壞特征和承載力提高情況見(jiàn)表2。由試驗(yàn)知,由于碳纖維布很薄,在加載初期碳纖維布發(fā)揮的作用很小,所以加固后梁的開(kāi)裂荷載變化較小。貼一層碳纖維布加固后梁的屈服荷載提高很小,貼三層碳纖維布加固后梁的屈服荷載約有20%的提高。用4© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 少),這一般是由于膠的性能不理想或施工質(zhì)量不過(guò)關(guān)而導(dǎo)致破壞發(fā)生在混凝土2膠界面上。后兩種破壞有明顯的脆性。31各種參數(shù)對(duì)加固效果的影響影響CFRP加固效果的

11、參數(shù)很多,可以分為兩類(lèi)4。第一類(lèi)是加固梁本身的性能及原始情況:包括荷載情況、支撐情況、梁的高跨比、剪跨比、混凝土強(qiáng)度、配筋率、配箍率等;第二類(lèi)是加固材料(包括碳纖維和膠)的性能:包括CFRP的厚度(層數(shù))、彈性模量、錨固長(zhǎng)度與剪跨之比(L/a,圖2),膠的彈性模量、剪切強(qiáng)度、厚度、極限延伸率等。在以上影響因素中,壞特征影響較大的是配筋率、(層數(shù))、L/a的值、。,如梁WLa,貼一層碳纖固后梁的極限承載力提高143%,貼三層碳纖維布加固后梁的極限承載力提高233%以上。若加固用的CFRP較薄,在錨固區(qū)產(chǎn)生的剪應(yīng)力和正應(yīng)力就較小,一般發(fā)生CFRP被拉斷的破壞。但隨著CFRP厚度的增加,在錨固區(qū)產(chǎn)生

12、的剪應(yīng)力和正應(yīng)力也隨之增大,就有可能發(fā)生粘結(jié)破壞,如在試驗(yàn)中,粘貼三層碳纖維布加固的梁,均發(fā)生粘結(jié)破壞。同樣,L/a的值對(duì)梁的極限承載力和破壞特征也有很大的影響。在試驗(yàn)中,用日本的三種膠粘貼一層碳纖維布,均發(fā)生碳纖維布被拉斷的破壞;若僅用FR2E3P膠(如WLc16),則發(fā)生混凝土2膠界面的剝離破壞;若用國(guó)產(chǎn)FN21膠粘貼一層碳纖維布也發(fā)生混凝土2膠界面的剝離破壞。說(shuō)明膠的性能很重要。試驗(yàn)中,除膠的性能和粘貼CFRP的層數(shù)對(duì)破壞類(lèi)型有影響外,另外一個(gè)重要的影響因素是試驗(yàn)梁的抗剪能力。本試驗(yàn)所用梁的抗剪能力不是很高,試驗(yàn)時(shí)在受剪區(qū)較早出現(xiàn)彎剪裂縫,且寬度較大,導(dǎo)致錨固區(qū)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力較大,更易

13、發(fā)生粘結(jié)破壞。試驗(yàn)表明,若在受剪區(qū)貼U形碳纖維布進(jìn)行錨固(如WLc13,WLc17),不僅能對(duì)梁底的纖維起到錨固作用,而且能較大幅度提高梁的抗剪能力,抑制斜裂縫的發(fā)展,使梁發(fā)生碳纖維布被拉斷的破壞。(二)加固對(duì)梁剛度的影響加固前后梁的跨中撓度變化見(jiàn)圖4。圖3,4均表明,才發(fā)揮較大的作用,梁,屈服,屈。由于規(guī),故用這種厚度較小的碳纖維布來(lái)加固梁時(shí)不應(yīng)考慮其對(duì)梁抗彎剛度的有利影響。圖3梁WLc的荷載2應(yīng)變關(guān)系圖圖4梁WLc的荷載2撓度關(guān)系圖(三)加固對(duì)裂縫形態(tài)的影響試驗(yàn)表明,碳纖維布加固對(duì)梁的開(kāi)裂荷載影響很小,但隨著荷載的增加,碳纖維布要抑制裂縫的發(fā)展,并發(fā)揮更大的作用。圖55© 199

14、4-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 為梁加固前后的裂縫形態(tài)圖,可見(jiàn),由于碳纖維布的約束作用,加固后梁的裂縫發(fā)展較為緩慢,裂縫間距變小,數(shù)量變多,寬度變小。而且在加固后,當(dāng)作用在梁上的荷載較大時(shí),由于在混凝土2膠界面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,所以,即使在純彎段,梁底部也會(huì)產(chǎn)生一些斜裂縫,特別是三層碳纖維布加固后的梁,在純彎段產(chǎn)生近乎水平的裂縫,若荷載繼續(xù)增大,就容易發(fā)生混凝土被拉下的破壞。對(duì)20根梁統(tǒng)計(jì)分析后得到幾級(jí)典型荷載下的裂縫寬度值列于表3。表3表明,碳纖維布尤其在層數(shù)較多

15、時(shí)對(duì)裂縫發(fā)展有明顯的約束作用。裂縫寬度比較(mm)70kN110kN014011CFRP的截面,故采用時(shí)應(yīng)加以注意。四、設(shè)計(jì)方法用碳纖維材料加固后的梁的極限承載力的計(jì)算與普通混凝土梁有所不同。假設(shè):受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì);梁受彎后,混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定;混凝土、鋼筋的應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系按現(xiàn)行規(guī)范取用;碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力2應(yīng)變關(guān)系:(圖6),由f=Eff。平衡條件可得:表31700130基準(zhǔn)梁貼一層布010801圖6極限狀態(tài)應(yīng)力圖fcmbx=fyAs+ffAfMu=12ffAfh-(1)2+fyAsh0-2(2)式中:1為碳纖維材料強(qiáng)度折減系數(shù),根據(jù)材性試驗(yàn)及有關(guān)資料,并

16、考慮到現(xiàn)階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,為偏于安全,取1=015018;2為碳纖維材料與原有鋼筋的共同工作系數(shù),加固構(gòu)件屬于二次受力結(jié)構(gòu),用碳纖維材料圖5梁的裂縫形態(tài)圖(單位:10kN)(四)錨固對(duì)加固效果的影響為避免發(fā)生粘結(jié)破壞,在某些情況下需要在端部采取一些錨固措施。試驗(yàn)中采用兩種錨固方式,一種是采用碳纖維布錨固,如梁WLc13,WLc17,這種錨固方式能提高梁的抗剪承載力,減小碳纖維布端部的剪應(yīng)力和正應(yīng)力,而且錨固效果也較好;另一種是采用膨脹螺栓加鋼板的錨固方式,如梁WLc14,WLc15,采用這種錨固方式,也取得一定的效果,但這種錨固方式會(huì)破壞原有的梁,削弱6加固結(jié)構(gòu)時(shí)若原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變值太大,

17、破壞時(shí)碳纖維材料就不容易達(dá)到極限狀態(tài),為使碳纖維材料盡早地參與工作,故在實(shí)際工程加固時(shí)應(yīng)盡可能地卸載,否則,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況考慮共同工作系數(shù)2,2一般可取018110。值得特別指出的是,式(1),(2)只適用于碳纖維材料被拉斷、混凝土受壓區(qū)被壓壞的破壞類(lèi)型。為充分利用碳纖維布的強(qiáng)度,使破壞時(shí)碳纖維布能被拉斷,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施,盡量防止其它破壞類(lèi)型的發(fā)生,一般需滿(mǎn)足以下(下轉(zhuǎn)第10頁(yè))© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. CFRP加固時(shí)受彎極限承載力

18、的計(jì)算,也適用于外貼其它線彈性材料加固混凝土?xí)r的受彎極限承載力的計(jì)算。只是對(duì)不同材料,取不同的fu值。31CFRP用于加固是一項(xiàng)新技術(shù)。建議設(shè)計(jì)時(shí)CFRP極限強(qiáng)度取值在廠家提供的設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)1,1一般可取為015018,若結(jié)構(gòu)上作用的活荷載的準(zhǔn)永久值較大,1值宜適當(dāng)減少。41在實(shí)際工作中,加固構(gòu)件屬于二次受力。這種現(xiàn)象對(duì)用CFRP加固時(shí)更值得注意。若加固時(shí)原有結(jié)構(gòu)受力較大,則應(yīng)先算出加固前構(gòu)件截面上混凝土、鋼筋的應(yīng)力,然后根據(jù)平截面假定,計(jì)算。,方便,2,211051CFRP強(qiáng)度的充分發(fā)揮,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免粘結(jié)破壞的發(fā)生,如:選用性能可靠的粘貼用膠;所加固構(gòu)件的混凝土的強(qiáng)度不得小于

19、C15;在實(shí)際工程中使錨固長(zhǎng)度(上接第6頁(yè))盡可能大,同時(shí),要有可靠的錨固措施。61設(shè)計(jì)前,必須對(duì)所要加固結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)有詳細(xì)的了解,因?yàn)楦鞣N參數(shù)對(duì)梁的極限承載力和破壞特征均有很大的影響。71試驗(yàn)表明,碳纖維布加固對(duì)梁的剛度提高作用很小,加固設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。81CFRP加固結(jié)構(gòu)時(shí),施工顯得特別重要,若施工質(zhì)量沒(méi)有保證,則加固效果會(huì)大打折扣。參考11,Di,AntonioNanni.plateandsheetbondedbeams.ACI,July2August1997.1AlfarabiSharif,G.J.Al2Sulaimani,etal.Strengtheningofinitiallyl

20、oadedreinforcedconcretebeamsusingFRPplates.ACIStructuralJournal,March2April1994.31RobertsTM.ApproximateanalysisofshearandnormalstressconcentrationsintheadhesivelayerofplatedRCbeams.TheStructuralEngineer,Vol.67,June1989.41吳剛,安琳,呂志濤.碳纖維布用于鋼筋混凝土梁抗彎加固的試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu),2000,30(7).31碳纖維布用來(lái)加固結(jié)構(gòu)時(shí),施工顯得要求:膠與混凝土粘結(jié)后,破壞時(shí)需保證為混凝土破壞;原有梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C15;需保證L/a>01654,布的層數(shù)越多/的值要求越大,且在實(shí)際工程中應(yīng)使a;當(dāng)梁的抗剪力不太高,加固用的CFRP層數(shù)較多,L/a的值不是很大時(shí),均應(yīng)采取較為可靠的錨固措施。五、工程應(yīng)用的幾點(diǎn)建議11設(shè)計(jì)前,必須對(duì)所要加固結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)有詳細(xì)的了解,因?yàn)?各種參數(shù)梁的極限承載力和破壞特征均有很大的影響。21試驗(yàn)表明,用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁,對(duì)梁的剛度提高很小,故對(duì)實(shí)際工程中的構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí),除保證加固后梁的極限承載力滿(mǎn)足規(guī)范外,對(duì)其剛