碳纤维筋表层嵌贴加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 1 3 碳纤维筋表层嵌贴加固钢筋混凝土梁受弯 性能试验研究 邓字 。张 ( 1 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ；2 鹏 广西工学院 土木建筑工程系， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ) 摘要： 通过对4 根内嵌碳纤维筋加固钢筋混凝土梁试验研究， 在保证嵌人碳纤维筋锚同长度的前提下， 尝试采用不同位置的嵌入方式， 对 不同部位嵌入对承载力提高的影响进行分析， 并对嵌入式 F R P筋承载力进行理论分析和承载力提高计算， 提出了抗弯承载力增强计算方 法 ， 结果表明试验取得了较好的吻合效果。 关键词： 嵌入式；C F R P ；抗弯承载力；试验 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 3 7 0 2 E xpe r i m e n t a l s t u dy on f l e xu r al of RC b ea ms s t r e ng t he ne d wi t h ne a r -s ur f ac e moun t ed CF RP b ar s DENG YU1 , 2 ZHANG P e n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Xi a nU n i v e r s i t yo f Ar c h i t e c t u r e a n dT e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 2 De p a r t me n t o f C i v i l E n g in e e ri n gand Ar c h i t e c t u r e ， Gu a n g x i Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6， C h i n a ) Ab s t r a c t ： 4 RC b e a ms a r e e x p e ri me n t e d f o r s t r e n g t h e n i n g wi t h NS M c o n c r e t e C F R P b a r s A n d t h e e n o a g h a n c h o r a g e l e n gth i s g u a r ant e e d ， w h i l e mo u n t i n g i n t h e d i f f e r e n t p l a c e o f b e am s l i k e the s i d e a n d the b o t t o m o f b e a ms T h e i n f l u e n c e o f c a p a c i ty i mp r o v i n g i s s t u d i e d a c c o r d i n g t o the v a r y p o s i t i o n As a r e s u l t b e a m s i d e mo u n t i n g i s a r e a s o n a b l e s tyl e r e p l a c i n g b o t t o m mo u n t i n g O n the f o un d a t i o n o f t e s t s an d the o r e t i c a l a n a l y s i s t h e me tho d o f s h e a r and fie x u r a l c o mp u t i n g a r e p u t f o r wa r d t o e s t i ma t e t he i mp r o v i n g o f c a p a c i t y， wh i c h r e s u l t s are a lmo s t a c c o r d wi th t e s t Ke ywo r d s ： NS M( n e a r - s u r f a c emo u n t e d ) ； C F R P； fl e x u r a l c a p a c i ty； t e s t 0 引言 1 试验概 况 表层嵌入式( Ne a r S u r f a c e Mo u n t e d ， 简称 NS M) 加固方法 是 C F R P加固混凝土结构的一种新的应用形式。 该工法通常 的作法是 ： 在混凝土表面剔槽， 在槽内先注入约 1 2的黏结材 料 ， 将 C F R P筋或板条放人槽中并轻压， 使 C F R P筋被黏结材 料充分包裹 ， 再在槽内注满黏结材料并将其表面修复平整。 与 外贴 C F R P片材相比， 嵌入式加固法除同样具有高强、 高效 、 耐腐蚀等优点外 ， 还有以下几方面的优势： 减少 了混凝土 构件的表面处理工作量 ， 节省工期 ， C F R P与混凝土的黏结表 面积增加 ， 提高了 C F R P的利用率和加 固效率 ； C F R P筋材 料因内置而得到较好的保护可避免摩擦和撞击等意外荷载 的作用 ， 适用于受弯加 固； 采用表层嵌贴加固法也可利用 水泥基黏结剂取代环氧树脂 ， 因而能应用于高温 、 高湿 的加 固钢筋混凝土工程中 1 - 4 。 本研究对 4根变化配筋率 、 变化的 嵌入位置的 C F R P筋表层嵌贴加 固钢筋混凝土梁模型进行 静力试验。 通过试验及数据分析， 对 C F I ( P筋表层嵌贴加固钢筋 混凝土梁的受力过程 、 破坏形态、 破坏机理 、 极限承载力等进 行了系统的研究。 1 1 试件 设计 本次试验共设计 4根矩形截面简支梁 ， 编号从 DB L、 L D1 、 L D 2 、 L C1 。 截面尺寸： B X H= 1 5 0 x 3 0 0 mi l l 。 梁总长L - 2 7 0 0 rai n ， 计算跨度如 = 2 5 0 0 n l n l ， 混凝土抗压强度 C 3 0 。 梁底纵向受拉钢 筋 2 + 1 2 ( HR B3 3 5 ) ， 顶部架力钢筋 2 b 8 ( I- I P B 2 3 5 ) ； 剪跨 区箍筋 由 8 1 0 0 。 其中， 1 根为控制梁， 其余 3 根采用不同的嵌入方式 加固抗弯承载力。 试验梁截面参数如表 1 ， 材料力学陛能如表2 。 表 1 试验梁截面参数表 1 2 试 验 方案 本次试验试件测点布置及加载图见图 1 。 试件编号及加 固 方式见图2 。 试验采用 5 0 t 压力机作为加载系统， 由分配梁实现 两点加载， 纯弯段长 5 0 0 I I 1 1 1 ， 为保证加载精确在分配梁上安置 收稿日期：2 0 1 1 _ J 0 1 _ 2 4 基金项目：国家 自 然科学基金( 5 0 7 6 8 O O 2 ) 国家 自 然科学基金( 5 O 7 6 8 o 0 2 ) ； 广西自然科学基金重点项目( 桂科 自O 8 3 2 o 0 2 z ) ； 广西科技开发计划项目 ( 桂科攻0 9 9 2 0 0 1 1 3 ) ； 广西教育厅科研项目( 2 0 1 0 1 0 L X 2 0 5 ) 3 7 表 2 材料 的力学性能指标表 。4 - C F R P 一厂一 4 。 。l 。 。 。 l I 。 。 。 1 0 0 。2 7 0 0。 。 圈 1 试验试件测 点布 置及加载 图【 单位 ： mml Al A一 2 A一 3 A一 4 图 2 试验试 件编号及加 固方式 图 标定后的压力传感器【5 J 。 2 试验 分析 试验得出的各简支梁荷载一 挠度曲线如图 3 所示。 图 3 试验试件荷载一 挠 度曲线 由图可见 3 ， 控制梁和 C F R P筋内嵌加固混凝土梁荷载一 挠 度试验曲线变化规律可以分为 3 个阶段段来描述： 截面开裂 前阶段。 该阶段梁中弯矩很小 ， 所有试验梁荷载一 挠度试验曲线 呈线性关系， 该阶段各加固梁与控制梁开裂荷载几乎相同。 原因 是在荷载较小时， 试验梁处于弹性阶段 ， 而碳纤维筋应变小， 面 积也较小， 对开裂荷载的提高作用有限。 截面开裂后屈服前阶 段。 该阶段各梁荷载呈非线形增长， 由于截面开裂， 梁的刚度明 显下降。 荷载一 挠度曲线上出现拐点， 曲线斜率减小 ， 在纵向受 拉钢筋屈服以前， 同一试件荷载一 挠度试验曲线斜率变化不大， 且不同试件的曲线斜率大致相同。 此阶段中嵌入 C F R P筋的加 固梁的刚度较控制梁有一定的提高， 原因是 C F R P 筋虽然不能 阻止混凝土开裂， 但由于其嵌入混凝土表面 ， 所以使受拉区混 凝土开裂后裂缝扩展的趋势受到了一定的抑制 ， 试验中观察到 加固梁的裂缝形态与控制梁明显不同， 裂缝宽度小、 间距小， 发 展慢 ， 中和轴上升较慢。 屈服后至构件破坏阶段。 该阶段纵筋 屈服荷载一挠度曲线上又有一个明显的拐点 ， 曲线斜率又一次 减小， 同时C F R P筋应变突然增大。 截面刚度进一步下降， 挠度增 38 H 图 4 抗弯承载力计算简 图 3 2 开裂弯矩计算 C F R P内嵌加固混凝土的开裂弯矩计算方法与普通混凝土 梁 一致 ： M - f J o ( h o - Y o ) ( 1 ) o = + 鱼 + h A 。( _ y 0 ) f ( ) z ( 2 ) + f d f 一 ( 。 ) 式中： n = E s E ； l ,t f = Ef E ； b 混凝土矩形截面宽度； A 。 受拉区钢筋； Af 受拉区C F R P面积； 。 受拉区钢筋到受压区边缘高度； 广 一受拉区 C F R P筋到受压区边缘高度； 。混凝土换算截面抵抗矩； ， 0 混凝土换算截面惯性矩； 换算截面形心到底边的距离； E 混凝土弹性模量； E 。 钢筋弹性模量； E f c 丌 筋弹性模量； 丘混凝土 2 8 d 抗压强度。 3 3 屈服 弯矩计算 以受拉区钢筋屈服， 作为 C F R P内嵌加固混凝土梁屈服弯 矩的计算依据： = ( 4 ) 下转第 4 9页 一 陈 一 U 制 1 1 1 陈尚建， 黄聪， 侯发亮 C B F加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究f J 工业建筑， 2 0 0 6 ( 增刊) ： 1 2 4 1 2 6 1 2 蔺建廷 B F R P加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究【 D 大连 ： 大 连理工大学， 2 0 0 9 1 3 1 谭壮， 叶列平 F R P 布加固混凝土梁受剪性能的试验研究lJ J 土木工 程学报， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 2 1 8 1 4 1 李志强 ， 麻建锁， 白润山， 等 玄武岩纤维布提高钢筋混凝土梁受剪 承载力试验研究 河北建筑工程学院学报， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 3 ) ； 7 - 8 1 5 1 魏洋 F R P约束混凝土矩形柱力学特性及其抗震性能研究 D 1 南京 ： 东南大学， 2 0 0 7 1 6 1 吴刚， 魏洋 ， 吴智深， 等 玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗 震性能比较研究 J 1 _ 工业建筑， 2 0 0 7 ， 7 ( 6 ) ： 4 2 4 6 上 接第 3 8页 盯 = ( 九 - y ) ( 。 ) 2 + n f A h r y o ) y ( 5 ) ( 6 ) n A s+ n fA f ) Z + 2 b (巫 n h 4 + n fh亟 fA f ) - ( n A s+ n fA f )( 7 ) b 式 中 ： 混凝土开裂惯性 矩 ； 混凝土开裂后截面中和轴到底边的距离。 3 4 极 限承载力计算 根据平截面假定 ，在梁发生破坏时， F R P筋的有效应变可 以表示为： s f = h- x 血 S f = I ， ( 8 ) 此时由于梁的塑性发展 ， 顶部受压钢筋也已经屈服 ， C F R P 筋的有效应变可以通过截面荷载平衡得到， 即： 4 6 A ( 9 ) 将式( 9 ) 代入： 1 7 】 吴刚 ， 顾冬生， 吴智深， 等 玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土圆形柱 抗震性能比较研究 J 1 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 1 9 2 3 1 8 】 宋洋 玄武岩 F R P 筋混凝土梁受弯性能试验研究 D J _ 阜新 ： 辽宁工程 技术大学， 2 0 0 7 1 9 瑚 显奇， 董国义， 焉宏玄武岩纤维在建筑和基础设施中的应用I J J 工 业建筑， 2 0 0 4 ( 增T IJ ) ： 2 1 2 6 作者简介： 齐建林( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 硕士研究生， 主要研究方向： 新材料、 新技术、 新结构体系在土木工程中的应用研究。 联系地址： 厂州市大学城外环西路 1 0 0 号 广东工业大学土木与交通 工程学院( 5 1 0 0 0 6 ) 联系电话 ： 1 5 9 1 3 1 8 0 0 5 9 二 s 6 A ( 1 0 ) 整理得 ： 6 A 4 r A ) x - h E f A f = 0 ( I 1 ) 由此可以求得受压区高度 。 通过式( 1 1 ) 求得 C F R P筋的 有效应变， 从而确定 C F R P筋的作用大小。 抗弯承载力计算公 式为 ： M u cfE fA h 半 ( 半 )( 1 2 ， 式中： c F R lP筋的有效应变 ； m F R P筋的极限应变； 混凝土的极限压应变， 取 O 0 0 3 3 ； a 受压钢筋中心距混凝土边缘距离； 受压钢筋面积 ； 钢筋屈服抗压强度。 各梁计算结果与试验结果 比较见表 3 。 表 3 各梁计算结果与试 验结果 比较 4结 论 通过表层嵌贴碳纤维筋黏结性能和加 固钢筋混凝土梁受 弯试验研究 ， 得到以下结论 ： ( 1 ) 初步试验结果表明， 通过表层嵌贴加固加固混凝土构 件是一种有效的加固方法， 加固构件对比未加固构件承载力有 了大致 3 4 倍的提高7 】 。 同时梁侧嵌入也取得了较好的效果， 在 梁底没有条件嵌入时可以作为梁底嵌入的合理补充形式。 ( 2 ) 构件加固后刚度明显增加， 跨中挠度有所减小。 ( 3 ) 加固后梁的开裂荷载有所增大， 构件抗裂性能得到明显 改善。 F R P筋延缓和抑制了裂缝的开展， 裂缝较细， 而且比较分散。 ( 4 ) 提出了 C F R P筋 内嵌加固混凝土梁中混凝土开裂 、 非 预应力钢筋屈服、 混凝土压坏的受弯承载力计算方法， 并根据 受压区高度进行了破坏模式判别。 参考文献： 【 1 】D E L O R E N Z I S L A n c h o r a g e l e n g t h o f n e a r s u r f a c e m o u n t e d fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r r o d s f o r c o n c r e t e s t r e n gt h e n i n g a n a l y t i c a l mo d e l i n g J AC I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 3 ) ： 3 7 5 3 8 6 2 H A S S AN T， RI Z K A L L A S I n v e s t i g a t i o n o f b o n d i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s s t r e n gth e n e d wi t h B e n 3 s n r f a c e mo u n t e d c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d p o l y me t s t r i p s J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s f o r C o n s t r u c t i o n ， A S C E， 2 0 0 3 ， 7 ( 3 ) ： 2 4 8 2 5 7 【 3 D E L O RE N Z I S L ， N A NN I A C h a r a c t e r i s t i c s o f F R P r o d s a s N S M r e i n f o r c e me n t J J o u r n a l o f C o mp o s i t e s f o r C o n s t ruc t i o n ， A S C E， 2 0 0 1 ， 5 ( 2 ) ： 1 1 4 -1 21 李荣， 滕锦光， 岳清瑞 F R P 材料加固混凝土结构应用的新领域一 嵌 入式( N S M ) J3 0 固法【 J 】 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 4 ) ： 5 - 1 0 5 杨勇， 谢标云 ， 聂建国， 等 表层嵌贴碳纤维筋加固钢筋混凝土梁受 力性能试验研究 J 工程力学， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 0 6 1 1 2 6 】 梁金福， 燕柳斌 ， 赵君君 碳纤维板条嵌入式加固钢筋混凝土梁试验 研究 J j 昆 凝土， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 1 7 2 3 7 】 丁亚红， 曾宪桃 ， 王兴国 内嵌 C F R P板条加固混凝土梁试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 7 ) ： 8 9 9 1 作者简介： 邓宇( 1 9 7 8 ) ， 男， 博士生。 联系地址： 广西工学院士木建筑工程系( 5 4 5 0 0 6 ) 联 系电话 ： 1 3 7 0 7 8 0 9 3 3 8 4 9