碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁裂缝的试验研究.pdf

第33卷，第3期 20l2年5月 中国铁道科学 C H I N AR A ILW A YSCIEN CE V 0133 N a3 M ay2012 文章编号：1001- 4632( 2012) 030021-07 碳 纤 维 与 钢 板 复 合 加 固 钢 筋 混 凝 土 梁 裂 缝 的 试 验 研 究 熊学玉12，徐海峰1 (1同济大学建筑工程系，上海200092；2先进土木工程材料教育部萝点实验室(同济大学)，上海200092) 摘要：通过1根原梁、3根碳纤维与钢板复合加固梁和3根碳纤维加固粱的受弯性能试验，研究碳纤维与 钢板复合加固钢筋混凝土粱的裂缝发展机理及裂缝宽度计算方法。研究表明，加固粱的裂缝阅距和裂缝宽度均 小于原梁，但次生裂缝有所增加；复合加同梁的裂缝发展速度比碳纤维加同梁缓慢，说明复合加固的限裂作用 优于碳纤维；随着负载的增加，加固粱裂缝的发展速度加快，限裂作用随之减弱，最大裂缝宽度曲线出现突变， 说明负载降低了加固的限裂作用，但负载对复合加固限裂作用的影响比碳纤维加固小。基于传统裂缝计算理沦， 引入复合加固粘结作用相关系数和负载影响系数，推导出考虑复合加固粘结作用及负载影响的复合加同梁裂缝 宽度计算式。该公式的计算值与试验值吻合较好，计算方法简便，可用于工程没计。 关键词：钢筋混凝土梁；复合加固；碳纤维；钢板；负载；裂缝问距；裂缝宽度；计算方法 中图分类号：TU3751文献标识码：Adoi ：103969j i ssa1001463220120304 随着结构加固补强技术的不断发展，粘贴钢板 和碳纤维(CFRP)加固修复混凝土结构已广泛运 用，对这2种加固方式加固混凝土受弯构件的抗弯 性能和使用性能研究已有了一定成果。根据以往研 究 1。6 可知，这2种加固方式各有其缺点，C FR P 加固梁的延性大大降低，粘贴钢板加固梁对受拉钢 筋屈服后的抗弯承载力提高有限。因此，将这2种 加固方式结合，发挥各自优势，共同协调工作是一 种行之有效的方法。国内卢亦焱79 等通过试验对 复合加固受弯构件承载力进行了的研究；随后，熊 学玉10-113等对负载复合加固受弯构件的抗弯性能 做了进一步研究。但还未见针对复合加固钢筋混凝 土梁的裂缝问题的相关研究报道。 本文通过7根不同加固方式的钢筋混凝土梁在 不同加载方式下的受弯性能试验，研究复合加固梁 的裂缝开展机理以及负载和加固量对复合加固梁裂 缝间距和裂缝宽度的影响。 1试验设计 本次试验共制作了7根长26m 的钢筋混凝土 收稿日期： 基金项目； 作者简介， 矩形梁，其截面为250m i nxl 50m m ，净跨为24 m ，保护层厚度为25m m 。实测混凝土极限抗压强 度厶为476M Pa，弹性模量Ec为206G Pa，梁 内纵向钢筋采用牵12钢筋，箍筋采用壬8钢筋，未 加固梁的尺寸及配筋如图l所示。碳纤维布的极限 抗拉强度和弹性模量分别为4240M Pa和225 GPa，单层碳纤维厚度为0111m m ，加固钢板用 3m m 厚的Q 235等级钢。复合加固梁如图2所示。 FF 图1未加固梁尺寸及配筋图(单位：m m ) 2200 一m 塑卜 严一 n ) fJ I) pI 一40Ui i 700j 1400一l-、J奠 100 100100 100 100J00 图2复合加同梁(单位：m m ) 2010-10-10)修订日期：201203- 04 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 20090072110051) I 上海市建设技术发展基金资助项目(805043) ；上海 市科委科技支撑计划(09231201102) 熊学玉( 1962一)，男，安徽合肥人，教授博士。 中国铁道科学第33卷 试验梁及加固方案见表1。试验采用三分点加 载，按每级2kN 的增量逐级加载，无负载试件直 接加载至梁破坏，负载试件则先将荷载加至试验粱 极限承载力的50或70后，在不卸载的状况下 对其进行加固处理，然后继续加载至构件破坏。 裹1试验方案 2试验结果及分析 21裂缝问距分析 根据本次试验可知，纯弯作用下复合加固梁随 着荷载的增大，抗拉应力较为薄弱的截面处会出现 第1条裂缝，初始裂缝出现后，裂缝处的混凝土不 贡献拉应力，其拉应力完全转移至钢筋、CFRP和 钢板上，裂缝处的拉应力会产生突变，而钢板和钢 筋的屈服顺序与负载有关，当负载较大时，钢筋先 于钢板屈服；随着荷载的增加，钢筋与混凝土、混 凝土与CFRP、CFRP与钢板会产生相互作用的牯 结力，这些粘结力会将拉力传给裂缝周围的混凝 土，当裂缝周围混凝土的拉应力超过混凝土抗拉强 度时就会出现第2批裂缝。因此，随着荷载的增 加，裂缝陆续出现，裂缝间距逐渐变小，裂缝宽度 逐渐变大，最终趋于稳定，各试验梁纯弯段的裂缝 分布和裂缝数如图3和图4所示。 由图3和图4可知，与原梁相比，加固梁的平 均裂缝问距变小，加固梁表面产生的裂缝更加密 集，裂缝总数量明显增多加载后期很多小裂缝在 梁底向上约13处相交，发展成为主裂缝；碳纤维 层数越多，裂缝间距越小，裂缝数量越多。同时。 复合加固粱裂缝间距又比CFRP加固梁小，且次 生裂缝多，这是由于钢板的刚度较碳纤维布大得 多，两者共同加固能更有效地限制裂缝发展。加固 粱主裂缝量比原梁多，复合加固梁比CFRP加 固梁多，这说明复合加固的限裂作用优于碳纤维加 熊 赢 群 群 甚 静 蠕 蟛LL o-3棠 图3破坏时试验粱的裂缝分布 用4纯弯段裂缝数对比 固；在相同加固量下，纯弯段平均裂缝间距随着负 载的增加而增大，但裂缝数会有所降低。另外增加 加固量也会减小裂缝间距和增加裂缝数目。可见 CFRP和钢板的加固量、初始荷载的大小都会影响 裂缝的发展。 22裂缝宽度分析 各试验梁最大裂缝宽度发展如图5所示。 第3期碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土粱裂缝的试验研究23 虽大裂缝宽度，m m 图5荷载一最大裂缝宽度曲线 由图5可知，由于负载较大，LCG -2几乎不 再产生新裂缝，原有裂缝变宽并继续延伸，次生裂 缝较少，主裂缝较长，即内力臂较大；对于LC - 1， LC_2及LCel 梁，由于负载较小，主裂缝较短， 次生裂缝较多，在已有裂缝之间还会产生新的裂 缝，此时已有裂缝也有一定的发展。对于负载加固 梁，加固前与原梁基本重合，加固后裂缝宽度的发 展明显降低；同级荷载下，C FRP层数越多裂缝宽 度越小，复合加固梁的裂缝宽度比CFRP加固梁 的更小，尤其是无负载加固梁；对于复合加固梁， 初始荷载越小，相同荷载下裂缝宽度越小；无负载 梁最大裂缝宽度曲线基本上呈线性关系，这与钢筋 混凝土梁的规律类似，但负载梁最大裂缝宽度曲线 会有突变。可见加固材料能有效限制裂缝宽度，而 且复合加固的限裂作用比CFRP加固明显，但当 初始荷载较大时，限裂作用会有所降低。 3复合加固梁裂缝间距计算 根据对复合加固梁裂缝分析可知，复合加固梁 裂缝发展机理与一般钢筋混凝土梁相似，因此按照 一般裂缝理论，分析复合加固梁的裂缝间距和裂缝 分布规律。随着荷载的增加，产生的第1条裂缝截 面处的钢筋、C FRP和钢板的应力分别为仉-，锄 和巩，随着荷载增加将要产生裂缝截面处的钢筋、 CFRP和钢板的应力分别为盯葩，衄和础，受拉钢 筋与混凝土之间、碳纤维与混凝土之间以及钢板与 碳纤维之间的粘结应力分别为r 。，rd和ra。设2个 截面之间的平均粘结应力传递长度为z汕，混凝土、 受拉钢筋、碳纤维和钢板的截面面积分别为A。， A 。，Acf 和A 。，混凝土的抗拉强度为，则裂缝间 的受力分析如图6所示。 aoA , ocnAcf D b- 一 2l I。 !唑 I 图6裂缝间受力分析 呒J C e cnA c f 喁J 图中ll 截面为开裂截面，22截面为即将开 裂截面，则由已有裂缝和将要开裂裂缝之间的平衡 条件可得 炙l A ，+黜Ad+磊lA。一只A。+O r s2A 。+ 衄A cf+血A 。 (1) 图7所示钢筋隔离体的受力平衡为 (和a立)A。一rrr, d。Z曲 (2) 式中：d。为钢筋直径。 图8所示碳纤维布隔离体的受力平衡为 (咖一口砬)A cf=砧以Z血十“6d厶nh (3) 式中：6d为碳纤维布粘贴宽度。 五 oaA 。一兰生兰宝兰三兰三兰j，喀， +一三云i三；三享三i己+ 弓 图7裂缝问纵向受拉钢筋的受力 研 d缸Acr一兰盅五三赢鑫三孟孟塞i面主嘉面i| i；面，d钿4d 一一一一 毛 图8裂缝间碳纤维布的受力 图9所示钢板隔离体的受力平衡为 ( 以l d缸) A 。一r a6。Z也 (4) 式中：b。为碳纤维布粘贴宽度。 矗 沌+一=；i；i+以A 图9裂缝问钢板隔离体的受力 联业瓦1) 一瓦【4) 廿J得夏苗刁回梁半司裂 缝间距为 一篇十揣 L 、-1 吗措黜b叫 4r8( 幻+A 。cf ) 1 f ”7 式中：Ph：垒i秘为综合有效配筋率。 24 中国铁道科学第33卷 显然式(5)右边与普通钢筋混凝土平均裂缝 间距表达形式很相似。因此设普通钢筋混凝土梁平 均裂缝间距为 Im=丽f+,AAodd,而一4r鲁 ( 6) 4矗(A 。+A d+A 。)。风 “7 z。可按混凝土结构设计规范 12 给出的裂缝间 距公式进行计算，具体为 z。一19f+o08亟 IDle (7) 式中：c为混凝土保护层厚度；m 为复合加固梁受 拉钢筋有效配筋率。 对于复合加固梁的受拉钢筋有效配筋率，还应 考虑碳纤维与钢板对裂缝间距的影响，因此复合加 固梁的受拉钢筋有效配筋率为 阻=笔篙赣帮 式中：b为梁截面宽度；玩为梁受拉翼缘宽度；hf 为梁受拉翼缘高度。 由文献 13 可知，钢筋与混凝土之间的粘结 应力“与混凝土的抗拉强度成正比，其关系式为 囊21-6+07dc。+20意 雯 ( 9) 式中：c。为箍筋的保护层厚度；d。为箍筋直径； S。为箍筋间距。 由文献 14可以得到C FR P与混凝土之间 的粘结应力r d与混凝土的抗拉强度的关系为 rd=口225-瓦bd)童(125+瓮)t(10) 式中：口l为胶层影响系数，对一般胶层取15；6c 为加固梁的梁宽。 将式(9)和式( 10)带人式(5)得到复合加 固影响系数阻为 风2石A再a丽+A, 丝铅掣Ab一(11) 幻+。d 1 “ 式中：幻一毛( 4“) 为CFRP粘结作用相关系数； 五n一矗(4r 5)为复合加固粘结作用相关系数。 通过上面各式的分析可得普通钢筋混凝土梁平 均裂缝间距z。与复合加固梁平均裂缝间距z曲之间 的关系为 Z幽=Z。(1+& ) (12) 将试验测得的Z池与采用式(7)计算得到的 k值带入式(12)可以求出仇，联立式(9)一式 ( 11)可以求出复合加固粘结作用相关系忌h。由 于影响氏的因素较多，如钢筋的滑移、梁底碳纤 维和钢板剥离以及钢筋、钢板和碳纤维布用量等， 本文只考虑影响正“的主要因素即加固量和钢筋量， 采用本次试验数据和文献 8 的数据进行回归， 拟合结果如图10所示，回归关系式为 钆=005(Acf +A 。) A 。+009(13) “cf叫)他 图10h拟合结果 分析复合加固梁的试验结果可知，随着负载的 增加，复合加固梁的限裂作用会有所降低。此时纯 弯段的裂缝数量会少于无负载梁，而裂缝间距会有 所增大。因此本文在负载复合加固梁裂缝间距计算 中引入负载影响系数矗。，对本次试验数据回归拟 合结果如图11所示，回归关系式为 矗。=115矛+1 (14) 式中：行为负载量，即挖=N韧特荷藏N原粱极限荷较。 图11k拟合结果 则考虑负载的复合加固梁总的粘结作用相关系 数为k。忌h。 各复合加固梁的裂缝间距计算结果见表2。由 表z可见，对于本文和文献Es共9根复合加固 梁，其理论计算值与实测值的平均误差为0015， 标准偏差不超过3，可见本文得到的理论计算值 与试验值吻合良好。 O 9 8 7 6 5 4 3 2 l O O O O O n 0 0 O n 第3期碳纤维与钢板复合加同钢筋混凝土梁裂缝的试验研究 表2复合加固梁裂缝间距计算值与试验值对比 糯 试 件 蜥 警 德 馏 涨 ，1 日，mm 日m mTr口 日 U bl0502064 6040061401017 本文峙2 o70 20647490074600 996 If fr3 0 互064477254779l _00l 沮501380 5521048390 945 U 0 L5705125048820 953 文献U 701486412004846I020 8I LD -201380 498004839 0972 LD -30 0 5404526548171018 LE - 10 3913806240058960945 4复合加固梁裂缝宽度计算 41 复合加固梁钢筋应力计算 复合加固梁裂缝截面受力计算图如图12所示。 图中cf ，ea，e。和如分别为碳纤维、钢板、混凝土 和钢筋的应变，ei 为碳纤维布和钢板的滞后应变， 口为拉区边缘至受拉钢筋距离；h。截面有效高度。 捌力作用点 岁。 _ Z 巷 7 疗 7一r_- _ 1叫 一_二 假定复合加固梁裂缝截面的内力臂系数为砑， 同时不考虑钢板和碳纤维的厚度对截面受力的影 响，即碳纤维和钢板处于同一位置，则对混凝土合 力作用点取矩得 M 一时Acf( 咖o+口) +d。A 。咖o+瓯A。(咖o+口) 一a, A 。咖o1+DledETA d( e。E, A 。咖o) + 12e。A a(e，A ，咖o)(咖o+口) (15) 式中：日和E分别为碳纤维和钢板的弹性模量， A ，和A z分别为碳纤维和钢板利用率的折减系数。 由文献10和11的抗弯承载力试验和理 论分析可知，复合加固梁内力臂系数叩和hh。变 化不大，本文建议叩取091，hho近似取115。 由平截面假定可知 圭一年=鱼 ( 16h e。+eiecf+io 7 则钢筋应力为 一 丝曼!旦：!垒Q 璺! 一。 “091A ，ho十115(09l 0+口) 一(。12些jEaA 丛adE墨。+点；t z垒A !) (17)+Ll ，J 式中：t 按照文献153的方法计算；对于2层 CFRP，加固时A ，取075，3层CFRP加固时取 061；对于钢板A 2取085。 42裂缝宽度计算 一般钢筋混凝土梁的平均裂缝宽度为平均裂缝 间距内钢筋与混凝土平均拉伸的差值16。，因此根 据这一原理复合加固梁裂缝宽度的计算式为 W 。一085酣幽仉E5 (18) 式中：尘为钢筋应力不均匀系数；E5为钢筋的弹 性模量。 钢筋应力不均匀系数9反映的是受拉区混凝 土参与工作的程度，根据裂缝计算原理可得复合加 固梁钢筋应力不均匀系数的计算公式为 9=11065A(n。O s) (19) 式中：为混凝土抗拉强度标准值。 短期荷载下最大裂缝宽度与平均裂缝宽度之间 存在比例关系，用裂缝扩大系数口b表示，则复合 加固梁最大裂缝宽度计算式为 =085abatt l,a, a,E, (20) 根据试验可知，平均裂缝宽度与最大裂缝宽度 的比值一般在2632，由于复合加固限裂作用 较大，裂缝开展较为弥散，从而使得各条裂缝发展 程度不同，本文取口h为30，各复合加固梁裂缝的 计算结果见表3。 表3裂缝宽度计算值与试验值对比 中国铁道科学第33卷 由表3对比结果可知，复合加固梁裂缝宽度理 论计算值与实测值的平均误差为0003，标准偏差 不超过78，可见与试验结果吻合良好。 5结论 ( 1) 加固梁的裂缝间距和裂缝宽度均小于原 梁，但次生裂缝有所增加；复合加固梁的裂缝发展 速度要比碳纤维加固梁缓慢。这说明复合加固的限 裂作用明显优于碳纤维加固方式。 ( 2) 加固梁随着负载的增加，裂缝发展速度有 所加快，限裂作用随之减弱，最大裂缝宽度曲线出 现突变。这说明负载降低了加固的限裂作用。通过 对比可知，负载对复合加固梁限裂作用的影响比碳 纤维加固梁要小。 ( 3) 基于传统粘结一滑移理论和试验数据，在 CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁裂缝分析中考 虑复合加固的粘结作用以及负载对裂缝宽度的影 响，推导出了考虑负载影响的复合加固梁裂缝宽度 计算式。该公式能直观反映CFRP布与钢板复合 作用对裂缝发展的影响，且计算值与试验值吻合较 好，计算方法也较为简便，可用于工程设计。 参考 文献 11 H U SSI ENA bdelBaky，U SA M AAEbead。K E N N ET HW ，etaLFl exuralandInt erraci alB ehaviorofFR P- StrengthenedR einfor cedC oncret eBns口JournalofCom posi t e f orC onstr ucti on2006，11( 6)：629639 2程东辉，易亚敏，王天峰碳纤维布加固混凝土连续梁塑性性能试验及有限元分析J中围铁道科学，2011，32 (3)：27-32 ( C H EN GD onghui 。Y IY am i n，W A N GTi anf engPlas ticPer f orm anceT器tandFinit e日em entA nal ysi sont heCon- cr et eConti nuousBeam sSt rengt henedw i t hC FR PSheets JC hi naRai lwaySci ence，2011，32(3)：2732inChi nese) 3庄江波，叶列平，鲍轶洲CFRP布加fI混凝土梁的裂缝分析与计算J东南大学学报，2006，36(1)：8691 (ZH U A N GJi angbo，Y ELiepi ng，B A 0Y i zhouC alculationofSec t i onalSt i ffnes sofR CB eam sCrackW i dt hofRein forcedC oncret eB ( xnnsSt rengt henedw i t hCFRPSheets J Jour naloft heSoutheastUni ver sit y，2006，36(1) ； 8691i nC hinese) 4 邓江东，宗周红。黄培彦抗弯加同R C梁中FRP应变性能研究Jl 中围铁道科学，2010，31( 3)：21-27 ( D E N GJi angdong，ZO N GZhouhong，H U A N GPei yanResear ch onFR PSt ra i n Properti es oft heFlexur al St rengthenedRCBeam sJChi naRai lwaySci ence。2010，31(3)：2127inC hi nes e) 5王天稳，王晓光，刘利珍粘钢加同混凝土梁裂缝宽度验算 J武汉水利电力大学学报，199730( 2)： 102-104 ( W A N GTianw en，W A N GX i aoguang，LI ULi zhemCr ackW i dt hC al cul at i onofR CB eamwithSt eelBOndedRei n- f or eem ent JofW uM nU ni versi t yofH ydr 8LEl ec Engt 1997，30( 2) ：i 02-i 04i nC hi nese) 6欧新新，张文华，王纪峰钢筋混凝土梁粘钢加固受弯性能强度研究 J浙江工业大学学报，1999，27(1)： 23- 27 ( O UX i nxi n，Z H A N GW enhua，W A N GJifengResearchofBendingB ehaviorandBeari ngPow e roft heConcr ete Inforcem entB ea m sw i t hSt eel -130ndedRei nfor cem ent J Jour nalofZhejiangU nivers it yofTechnol ogy，1999，27 (1)：23-27i nChinese) 7卢亦焱，周婷碳纤维布与钢板复合加固钢筋混凝土粱抗弯性能试验研究J铁道学报，2006，28(1)：8087 ( L UY i yan，Z H O UTingExperi m ent alResear chonFl exuralPer for m anceofR einfor cedC oncret eBeam sC om bina。 t i onStrengthenedwithBonded CarbonFiberR einfor cedPol ym erandSt eelPlates J Journal oft heChinaRai l w ay Soci ety2006，28( 1) ：80- 87i nC hineae) 8周婷碳纤维布与钢板复合加周钢筋混凝梁抗弯性能研究D 武汉：武汉大学，2004。 ( ZH O UTingExperi m ent al R es ear chOHFl exur alPer for m anceofR einforcedConcr eteBeam sCom posi teR ehabi l i t a- t i onw i t hB OIl dedCar bonFiberR einforcedPol ym erandSt eelPl at eD W uhan：W uhanU niver si ty，2004i nChi nese) 9卢亦焱，周婷碳纤维布与钢板复合加固钢筋混凝土粱刚度分析J铁道学报，2007。29(1)：7276 ( LUY i yan，Z H O UTi ngC alculat ionofSec t i onalSt i ffnessofRCB eam sCom binati onSt r engt henedw i t hCFRPand St eelPlates J Journaloft heChi naRai l waySociety，2007。29( 1) ：7276inC hinese) i 03熊学玉，徐海峰负载下碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土粱抗弯性能试验研究及影响因素分析J建筑结构， 第3期 碳纤维与钢板复合加同钢筋混凝土梁裂缝的试验研究 2010，40(5) ：37- 41 ( X I O N GX ueya，XUH ai fengExperi m ent alResearchandParam et ri cA nalysi sonFl exural Per f or m anceofRein forcedConcr eteBeam sCom bi nati onSt r engt henedw i t h130ndedCFRPandSt ee l Pl at esunderSust ai m ngLoadLJJ B ui l di ngStr ucture，201040(5)：37。41inC hinese) 11熊学玉，徐海峰负载下碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土梁抗弯承载力研究J工业建筑，2010，40(4)： 131136 ( X I O N GX ueyu，XUHai fengRes ear chonR CBeam sCom binat i onSt r engt henedwithCarbonFiberR einfor eedPoI - 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eff icient s ofcom bi nat i onst rengt heni ngandt hei nfl uencecoef fi ci entofser vi cel oadi ngarei nt roducedtode- r ivet hefor m ul aforcal culat i ngt hecrackw i dt hofcom bi nat i onst rengt henedbeamconsi deri ngser vi cel oad i ng andadhesi vecor r elat i oncoeffici ent sThecal cul at i onr esul tofcrackw i dt hisi ngoodagreem entw i t h t estresul t Thecal culat i onm et hodi ssi m pl eand conveni entandcanbeappli edt oengi neeri ngdes ign K eyw ords：R ei nforced concr et ebeam ；C om bi nati onst rengt heni ng；C ar bonf iber ；Steelpl at e；Ser vicel oad i ng；C rackdi st ance；Crack w i dt h；Cal cul at i onm et hod ( 责任编辑吴彬)