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8 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 碳纤维布加固低强度混凝土开孔梁受力性能研究 刘盼盼， 袁广林， 聂 明， 姚建国 ( 中国矿业大学力学与建筑工程学院， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 对碳纤维布( C F R P ) 加固低强度混凝土开孔梁的受力性能进行了试验研究， 孔开设在梁剪弯段， 分为圆孑 L 和方孔两种。研究了开孔梁加固前后的承载力、 变形性能， 并与未开孔梁进行了对比。试验结果表明， 剪弯段开孑 L 后梁的承载力比未开孔梁降低 ， 开孔梁底部钢筋不能发生屈服 ， 呈明显的剪压破坏状态； 经碳纤维布加固后， 开孑 L 梁的承载力有明显的提高， 与未开孔梁基本相当； 开孔梁底部钢筋发生屈服， 与未开孔梁一样呈明显的受弯破坏状 态； 试验结果还表明， 在加固前后 ， 开圆孔的梁的受力性能均好于开方孔的梁。这些试验结果可为今后混凝土开孔 梁的进一步研究提供参考。 关键词： 混凝土； 开孔梁； 碳纤维布； 加固； 受力性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 8 2 0 4 S t u d y o n me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f l o w s t r e n g t h c o n c r e t e b e a m s wi t h o p e n i n g r e i n f o r c e d 、 t h CFRP L I U P a n p a n ， YU AN Gu a n g l i n ， N I E Mi n g ， YAO J i a n g u o ( S c h o o l o f Me c h a n i c sC i v i l E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r h a d f o c u s e d o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f l o w s t r e n g t h e o n c r e t e b e a ms w i t h r o u n d h o l e a n d s q u a r e h o l e， wh i c h w e r e r e i n f o r c e d wit h C F R P o n s h e a r b e n d i n g r e gio n T h e b e a r i n g c a p a c i t i e s ， d e f o r ma t i o n are a n a l y z e d T h e s t u d y r e s u l t i n d i c a t e s t h a t c o mp a r e d wi t h t h e be a m wit h n o o p e n i n g t h e be a r i n g c a p a c i t y o f t h e be a ms wi t h o p e n i n g i s l o we r ， a n d c u t b e n d i n g d a ma g e h a p p e n e d A f t e r t h e r e i n f o r c e me n t o f C F R P， t h e b e a r i n g c a p a c i t y i s o b v i o u s l y i mp r o v e d， a n d a l mo s t t h e s a me t o t h a t o f b e a m w i t h n o o p e n i n g Th e b e n d i n g f a i l u r e i s h a p p e n e d o n t h e b e a ms r e i n f o r c e d wit h CF RP B e f o r e o r a f t e r r e i nfo r c e me n t ， t h e me c h a nic a l p r o p e r t i e s o f b e am s w i t h rou n d h o l e a r e bet t e r t h a n t h a t o f b e a ms wi t h s qua r e h o l e Th e r e s e a r c h r e s u l t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r f u fl h e r s t u d y o f c o n e r e t e bea ms wit h o pe ni n g Ke y wo r d s ： s t r e n g t h e o n e ret e ； be a ms w i t h o p e n i n g ； C F RP； r e i nfo r c e me n t ；me c h a n i c al p r o p e rti e s 0 引 言 由于混凝土结构的老化或施工原 因， 导致混凝 土强度降低。而为了节省空间和降低造价， 在建筑 中一些管线设备需要在混凝土梁中穿过， 这就意味 着梁要开孔。梁 的开孔问题 国内外 已有一定 的研 究lL l J ， 但对于 C 1 5混凝土梁开孔后受力性能 的研 究较少 。由于开孔将影响梁的受力性能， 有必要 采取加固措施。目前， 碳纤维材料已被广泛应用于 建筑业， 与传统的加固方法相比， 碳纤维布加固具有 快速、 便捷等优点。碳纤维布对钢筋混凝土结构的 修复、 加 固也是研究 的热 门话题 。 之一 ， 而碳纤 维布加固低强度混凝土开孔梁的研究还比较少。因 收稿 日期 ： 2 0 1 2 -0 2 - 0 6 作者简介： 刘盼盼( 1 9 8 6一 ) ， 女， 山东德州人， 硕士研究生， 主要从事 钢筋混凝土结构加固、 修复方面的研究。 E ma i l ： l i u p a n c u mt 1 6 3 t o m 此本文研究了剪弯段开不同形状孔洞后， 采用碳纤 维布加固的低强度混凝土梁的受力性能， 可为今后 低强度混凝土开孔梁的加固、 修复提供参考 。 1 试验概况 1 1 试验方案 昆 凝土试块的设计抗压强度为 C 1 5 ， 2 8天实测 抗压强度为 1 7 6 MP a 。水泥采用徐州产 的巨龙牌 3 2 5 号复合硅酸盐水泥， 石子采用碎石， 最大粒径为 D = 2 0 rf lm， 砂子采用中砂。混凝土的坍落度为 9 0 1 2 0 in m， 水灰比为0 6 6 ， 砂率为3 9 。梁纵筋 为 H R B 3 3 5 ， 箍筋和架立筋均为 H P B 2 3 5 ， 钢筋力学 性能见表 1 。碳纤维布选用南京海拓复合材料有 限 责任公司生产的 H I T E X C 3 0 0型碳纤维布， 单位面 积重量为每平方米 3 0 0 g ， 厚度为 0 1 6 7 m rn 。其力 学性能参数为： 抗拉强度4 3 3 0 M P a 、 抗拉弹性模量 2 5 6 G P a 、 延伸率 1 7 。粘结胶采用 L i c a l 0 0 A B碳 纤维浸渍胶， 其性能为： 抗拉强度4 0 M P a ， 抗压强 2 0 1 3 N o 1 刘盼盼， 等： 碳纤维布加固低强度混凝土开孔梁受力性能研究 8 3 度7 0 M P a ， 抗弯强度5 0 M P a ， 延伸率1 5 ， 与混凝土的正拉粘接强度 I2 5 MP a 。 表 1 钢筋力学性能 Ta b l e 1 Th e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e i n f o r c e d 本试验共有 5个构件， 各试验梁 的截面尺寸均 为 1 2 0 mm X 3 0 0 m m， 长度 为 2 m， 试验梁 编号见表 2 ， 尺寸和配筋见图 1 。其中梁 L l为无孔梁， 梁 L 2 和 L 3为在剪弯段分别开圆孔和方孔的梁， 开孑 L 方式 为预 留孔 ， 圆孔 直 径 为 1 0 0 m m， 方 孔 边长 为 1 0 0 m m， 孔 中心距支座 的距离 为 3 5 0 m m。梁 L 4和 L 5 为开孑 L 后孔周围用碳纤维布加 固的开孔梁 ， 碳纤维 布形状为条状 ， 根据孔洞尺寸对梁抗剪承载力的影 响情况 ， 碳纤维布宽度取 1 0 0 m m， 加 固方式是 ： 混凝 土梁浇筑完成后， 养护 2 8 天， 梁表面进行打磨处理， 粘贴碳纤维布， 然后在温度大约为 2 O 的条件下养 护 7天后进行试验。 表 2 试验粱编号 Ta b l e 2 Te s t b e a m g r o u p 1 2 试验设备及加载制度 1 2 1试 验设 备 本试验采用正位加载装置， 用地锚螺栓将反力 架整体固定于刚性地面， 用液压千斤顶加载， 通过分 配梁将荷载分配到混凝 土试 验梁 ， 再对 试验梁进行 加载试验。加载装置如图2所示， 试验梁采用三分 点加载， 梁支座为简支， 净跨为 1 8 m 。应变片粘贴 在跨 中纵筋和架立筋上进行应变测量 ， 在梁跨 中和 两个加载点处设位移计来测量挠度， 荷载用荷重传 感器测量， 同时用称重显示仪读取荷载值。 1 2 2加载制度 试验采用单调静力加载制度， 每级加载为极限 荷载的 1 0 ， 在达到极限荷载的 8 0 后 ， 每级荷载 为极限荷载的5 。每级荷载稳定 1 0 m i n 左右再开 始下一级荷载。具体加载制度为： 梁 L 1 、 L 4 、 L 5每 级加载6 k N， 到4 8 k N时每级加3 k N ， 直至破坏； 梁 L 2和L 3每级加载6 k N， 到3 O k N时每级加3 k N， 直 至破坏。 一 到盈 卿 丑 L _ lI I 6 o o1 2 f)I 6 1 0 0 li 6 0 012 li l) , lJ il Q U 老 ( a 】 L1 1 2 l 1 l 2 坐 一2 8 一 卿 卿 。 l ： t l J 一 匡 画卿 。 卿 互 霸 I 2 I 1 I 2 卿-r- 虱 蜘 虱 1 2 l2 lLJI 2 2 2 8 2 8 卿 卿 丝 ( e ) L 5 图 1 各梁尺寸及配筋 Fi g 1 Di m e n s i o n a n d r e i nfo r c e m e n t o f b e a ms 图 2 试 验加载装置 Fi g 2 Fr o nt vi e w of l oa di ng de v i c e 根 据 G B 5 0 1 5 2 - - - 9 2 混 凝 土结 构 试验 方 法标 准 规定 ， 当试验加载到出现下列情况之一时， 认为 梁达到了荷载极限值， 应立即终止加载： 1 ) 主筋应 力达到屈服强度， 受拉应变达到0 0 1 ； 2 ) 受拉主筋 处最大垂直裂缝宽度达到 1 5 m m； 3 )挠度达到跨 度的 1 5 0 ； 4 ) 受压区混凝土压碎； 5 ) 受拉主筋拉断。 2 试验结果分析 2 1 试验现象及破坏情况 2 1 1 粱 L l 梁 L 1的破坏情况如图 3 ( a ) 所示 。在竖 向总荷 四川建筑科学研究 第3 9卷 载为2 2 5 k N时， 梁剪弯段开始出现斜裂缝， 为斜截 面开裂荷载 ， 随着荷载的继续增加 ， 斜裂缝不断出现 并向加载点方向延伸； 当荷载为5 4 7 k N时， 梁跨中 裂缝宽度达到 0 3 mm； 当荷载为 6 7 0 k N时， 梁 上 方混凝土被压碎 ， 梁破坏。 2 1 2梁 L 2和 L 4 梁 L 2和 L 4的破坏情况分别如图 3 ( b ) 和 3 ( d ) 所示。在竖 向总荷载 分别 为 1 7 0 k N和 3 5 7 k N 时， 二梁孔 口下方开始出现裂缝； 当荷载分别为 3 7 5 k N和 5 6 1 k N时 ， 梁跨 中裂 缝宽度达 到 0 3 m m； 当荷载分别为 4 8 0 k N和 6 9 0 k N时， 梁上方 混凝土被压碎 ， 梁破坏。 2 1 3粱 I J 3和 L 5 梁 L 3 、 L 5的破 坏情况 如图 3( C ) 、 3( e ) 所示。 当竖 向总荷载为 l 4 2 k N和 3 5 3 k N时 ， 在二梁的 孔口下方开始出现裂缝 ； 当荷载分别为 3 5 0 k N和 5 6 4 k N时， 梁跨中裂缝宽度达到 0 3 m m； 当荷载 分别为 3 8 O k N和6 8 4 k N时， 梁上方混凝土被压 碎 ， 梁破坏。 2 2 主要试验结果及分析 2 2 1 承载力 由试验现象可知 ， 梁 L l 、 L 2、 L 3 、 L 4 、 L 5开孔端 孔口处的开裂荷载分别为 2 2 5 k N 、 1 7 O k N、 1 4 2 k N、 3 5 7 k N、 3 5 3 k N。从试验数据可 以看出， 在剪 弯段开孑 L 时， 梁开孑 L 端斜截面开裂荷载明显下降 ， 且 开方孑 L 梁比开圆孔梁下降更明显。经碳纤维布加固 后， 梁开孔端斜截面开裂荷载明显提高， 并且超过了 未开孔梁， 这说明碳纤维布加固， 抑制了梁剪弯段裂 缝的开展， 对控制裂缝的产生有很好的效果。 图4为各试验梁 的极 限荷 载对 比图。可以看 出， 梁 L l 的极限荷载为 6 7 k N， 梁 L 2的极 限荷载为 4 8 k N， 与梁 L 1 相比下降了2 8 ， 梁 L 3的极限荷载 为 3 8 k N， 与梁 L 1 相 比下降了4 3 。这说明开孔对 梁的极限荷载产生 了很大影 响， 并且开方孔 比开圆 孔更不利。经碳纤维布加固后， 梁L 4的极限荷载为 6 9 k N， 与 L 2相 比提高了 4 4 ， 梁 L 5的极 限荷 载为6 8 k N， 与L 3 相比提高了8 0 ， 并且梁L 1 、 L 4 、 图3 梁 L 1 、 、 I J 3 、 L 4 、 L 5裂缝 F i g 3 Cr a c k m a p o fb e a m L1 ， L2， L 3。 L 4， L5 图4 梁的极限荷载值 F i g 4 B e am u l t i m a t e l o a d v a l u e s L 5的极限荷载基本相当， 这说明碳纤维布加固剪弯 段开孔梁， 能显著提高其承载力， 有很好的工程应用 价值。 2 2 2 荷载一 挠度曲线 图5 是各试验梁荷载 挠度对比图。 图5 试验梁荷载一 挠度曲线 F i g 5 Cu r v e o f l o a d - d e f o r ma tio n o f b e ams 刘盼盼， 等： 碳纤维布加固低强度混凝土开孔梁受力性能研究 8 5 从图 5中可以看出 ， 梁 L l 、 L 4 、 L 5的荷载一 挠度 曲线均有两个拐点 ， 分别对应着混凝 土开裂和钢筋 屈服。这表明梁正截面受弯经历了开裂前的弹性工 作阶段 、 带缝工作阶段 、 下部受拉钢筋屈服阶段 。这 说明未开孔梁与开孔后经碳纤维布加固的梁破坏时 有较大变形 ， 延性较好。 与梁 L l 、 L 4 、 相比， 梁 L 2和 L 3的荷载一 挠度 曲线 的第二个拐点不是很 明显 ， 表 明梁 的正截面受 弯只存在开裂前的弹性工作阶段和带缝工作阶段， 梁破坏时下部钢筋未能屈服 。这说明开孔后的梁破 坏时变形较小， 属于脆性破坏。 由图 5还可以看出， 最终破坏时梁 L l 、 L 4和 L 5 的挠度明显大于梁 L 2和 L 3的挠度， 这表明最终破 坏时， 未开孔梁与开孔加 固梁 比开孔梁挠度大很多 ， 剪弯段开孔后梁发生剪压破坏， 而未开孔梁和开孔 加固梁发生弯 曲破坏 ， 碳纤维布加 固使梁的破坏形 态达到了预计效果。 图 5 ( C ) 是开不 同形状孔洞的梁的荷载一 挠度曲 线， 对比梁 L 2和 L 3及 L 4和 L 5可知， 当荷载相同 时， 碳纤维布加固前后， 开方孔梁的挠度均大于开圆 孔梁的挠度。梁最终破坏时 ， 开 圆孔梁的挠度均稍 微大于开方孑 L 梁的挠度， 这说明开方孔比开圆孔对 梁的刚度和破坏形态均产生更不利的影响。 2 2 3受拉钢筋应力应变 图 6为受拉钢筋应变一 荷载图。 8 0 6 0 蚤 4 0 柱 2 0 0 0 2 00 0 4 00 0 6 o 00 8 00 0 l o 00 o 钢筋应变 图 6 试验梁钢筋应变一 荷载曲线 Fi g 6 Lo a d- s t r a i n o f r e i n f o r c e d o f b e a n m 从 图 6中可以看出， 梁 L 2、 L 3的曲线只有第一 个拐点 ， 钢筋应变在很小的情况下就不再发生变化， 说明开孔梁底部钢筋未能屈服， 梁的破坏是由剪弯 段发生剪压破坏造成的。而梁 L 1 、 L 4 、 L 5 的曲线存 在两个反弯点， 在混凝土开裂时， 纵向受拉钢筋出现 第一个拐点， 随着裂缝的开展， 钢筋应变增长变快。 当钢筋应变大约为 3 0 0 0 时， 出现第二个拐点， 此 时梁底部钢筋屈服， 说明碳纤维布加固后， 梁的破坏 形态与未开孔梁相似， 能充分满足抗弯破坏的要求， 受力性能得到很好的改善 。 3 结 论 通过对试验过程的观察及对试验结果的分析， 得到以下结论 ： 1 ) 在破坏形态方面， 梁剪弯段开孔后， 破坏时 相对未开孔梁挠度较小 ， 底部钢筋不能屈服 ， 呈剪压 破坏状态 ， 经碳纤维布加固后 ， 梁破坏时跨中挠度增 大 ， 底部钢筋发生屈服 ， 与未开孔梁一样呈明显的受 弯破坏状态 ； 2 ) 在承载力方面， 与未开孔梁相比， 剪弯段开 孔梁的承载力明显降低， 而经碳纤维布加固后的梁 与开孔未加固的梁相比， 承载力明显提高， 与未开孔 梁的承载力基本相当， 说明可采用碳纤维布对剪弯 段开孔梁进行抗剪加固； 3 ) 碳纤维布加固前后， 剪弯段开圆孔的梁的受 力性能均好于开方孔的梁 ， 方孔应力集中较明显 ， 因 此在工程中根据实际要求尽量开设圆孔。 参 考 文 献： 1 M a n s u r M A， T a n K H a n d L e e S L C o l l a p s e L o a d s o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s w i t h Ur g e O p e n i n g s J S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， AS C E， 1 9 8 4， 1 1 0 ( 1 1 ) ： 2 6 0 2 - 2 6 1 8 2 M a n s u r M A， T a n K H a n d Lee S L D e s i g n M e t h o d f o r R e i nf o r c ed C o n c r e t e B e a m s w i t h Ur g e O p e n i n g s J T h e A m e ri c an C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 8 5 ， 8 2( 4 ) ： 5 1 7 - 5 2 4 3 蔡健， 程眼云， 李静 开圆孔或方孔的钢筋混凝土梁承载 力近似计算 J 华南理工大学学报： 自然科学版， 1 9 9 5 ， 2 3 ( 1 ) ： 4 - 4 5 3 4 蔡健， 李静， 张学文 腹部开设圆孔钢筋混凝土梁的试验 研究( I ) J 华南理工大学学报： 自然科学版， 1 9 9 7 ， 2 5 ( 2 ) ： 6 8 7 2 5 蔡健， 李静， 邹扬帆， 等 腹部开设圆孔钢筋混凝土梁的试 验研究( ) J 华南理工大学学报： 自然科学版， 1 9 9 7 ， 2 5 ( 3) ： 1 0 1 1 0 5 6 蔡健， 李静， 段圣吉， 等 腹部开设圆孔钢筋混凝土梁的试 验研究( ) J 华南理工大学学报： 自然科学版， 1 9 9 8 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 0 - 5 3 7 杨玉华， 蔡健， 张学文， 等 腹部开设圆孔的钢筋混凝土梁的 试验研究( ) J 华南理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 2) ： 8 3 - 8 6 8 黄泰赞， 蔡健， 陈静芬 开矩形孔的钢筋混凝土梁的试验研 究 J 华南理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 0 ) ： 2 0 - 2 4 9 刘荣桂， 吕志涛 混凝土( R cP c ) 开孔梁试验研究与理论分 析 J 土木工程学报， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 7 ) ： 2 9 - 3 4 1 0 王苏岩， 杨玫 碳纤维布加固高强钢筋混凝土梁抗弯性能试 验研究 J 建筑科学， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 5 ) ： 3 4 - 3 8 1 1 王滋军， 刘伟庆 考虑二次受力的碳纤维加固钢筋混凝土梁抗 弯性能的试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 7 ) ： 8 5 -8 7 1 2 周戟， 赵少伟， 孙吉书 碳纤维布加固已损伤混凝土梁抗弯 刚度研究 J 河北工业大学学报， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 3 ) ： 1 1 6 1 1 8 1 3 张鑫， 李士彬， 孔祥菲 无机胶粘贴 U形碳纤维布加固混凝 土梁受剪性能试验研究 J 建筑结构学报( 增刊) ， 2 0 1 0 ： 2 5 5 25 9