碳纤维板加固钢筋混凝土梁短期挠度的试验研究.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J 0 f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo 】 2 5 NO 4 De c 2 0 08 碳纤维板加固钢筋混凝土梁短期挠度的试验研究 徐 芸 ，一 ，蔡锦堂 ，徐 荫 ，沈宝云 1 ，顾晓静 ( 1 九江学院 土木工程与城市建设学院，江西 九江 3 3 2 0 0 5 ；2 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 3 嘉兴学院 建筑工程学院，浙江 嘉兴 3 1 4 0 0 1 ) 摘要：本文对钢筋混凝土梁底粘贴碳纤维板加固进行了试验研究，通过 3根未加固梁的静载对比试验，着重 探讨了6根加固的试验梁中一次和二次加载对混凝土梁刚度的影响， 并建立了C F R P板加固粱截面挠度的计算 公式。试验表明，粘贴碳纤维板可有效地加固钢筋混凝土结构，延缓了裂缝的开展和提高了梁的刚度，且计算 结果与试验结果基本一致。 关键词：碳纤维板；加固；钢筋混凝土梁；挠度 中图分类号：T U3 7 5 1 ；T U3 1 7 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 1 9 2 04 1 概述 目前，对现役结构物的加固改造已成为诸多 国家土木建筑行业 的主要研究与投资方 向。一直 以来，除钢板补强方法作为混凝土构件的主要加 固方法外，采用碳纤维( C F R P ) H 固的方法现也已 广泛应用于加 固修复的技术领域。特别在梁、板 的加固中，粘贴碳纤维布和缠绕碳纤维布的补强 方法 已被大量使用。然而 ，碳纤维布的粘贴方 法，因需要多层粘贴而使工程量增加，且施工难 度将增大。如选用碳纤维板 ，采用胶状环氧系粘 着剂将板粘贴在混凝土表面的简单作业就能达到 加固效果，该技术 因其具有提高构件承载力与延 性、控制裂缝开展 、增强结构刚度 以及改善其受 力性能的优点，现 已成为国际上土木工程界一个 新的研究热点。 近几年，尽管 C F R P加固钢筋混凝土梁方面 的研究工作开展较多，但对 C F R P板加固梁的挠 度研究还不够深入 。尤其，钢筋混凝土结构考虑 二次受力对短期挠度影响的研究更少。虽然梁 的 挠度值是量测数据 中反映其综合性能的一项重要 指标L2 J ，但对加 固梁还未形成统一的挠度计算公 式 ，本文通过理论分析与试验相结合的方法针对 这一问题进行 了研究。 2 试验研究 2 1 试件设计 9根矩形截面简支梁，混凝土实测强度等级 为 C 2 0 ，梁截面尺寸为 b h = 1 6 0 m m2 3 0 mm， 跨度 = 1 7 0 0 i l l m，净跨 o = 1 5 0 0 mm。受力钢筋 为直径 1 6 mm 的 HR B3 3 5级钢 ； 弯剪段架立筋和 箍筋为直径 6 mm 的 H P B 2 3 5级钢。钢筋混凝土 试验梁设计配筋率 =1 1 8 5 ，其配筋见图 1 。 l U 一 。 l I I I I I 6 990 1 I l I ：l 1 1 1 1 1 1 1 O l 。 o【5 5 0 I 1 )0 I 5 5 0 0 0 0 0 0l 1 5 0 0 1 0 0 1 7 0 0 图 1 试验梁配筋 mm 2 2 CF R P板特性 碳纤维板为连续碳纤维单 向或多向排列、并 经树脂浸溃固化的板状碳纤维制品【 l J 。 其 自重轻、 厚度小，基本不会改变构件 的形状及重量；可裁 剪成任意长度，避免 了搭接 ；抗拉强度极高；与 钢板相 比， 抗碱防腐能力较强； 抗疲劳能力突出； 施工工序简便， 1 层 C F R P板相当于 4 8 层 C F R P 布的加固效果，从而使作业更加省力：没有湿作 业，现场不需大的设施，施工 占用场地少。同时， 粘贴碳纤维板的粘结剂 ，即便是上方作业也不会 流淌，能确保作业者的安全 ，亦不必像钢板还需 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 6 3 0 作者简介：徐芸 ( 1 9 7 4 一 )， 女， 江西九江人， 讲师， 博士生， 研究方向为钢结构，c l o u d y s mi l e w u h e e 1 6 3 c o m。 第 4期 徐芸等：碳纤维板加固钢筋混凝土梁短期挠度的试验研究 1 9 3 用螺栓固定。 本次试验沿梁底通长布置的 2条厚 1 2 n l l n ， 宽约 2 0 mmC F R P板， 其于梁底部粘贴位置如 图 2 所示。C F R P板实测的弹性模量为 1 7 1 6 GP a 。 ( a )一次受力梁底 C o )二次受力梁底 图 2 梁底部C F R P板的具体粘贴位置 2 3 试验梁的加固方式( 见表 1 ) 表 1 三组试验梁加固方式 注 ：加 固梁靠近支座每端 ( 除 A - 7梁设 1道 C F R P 布箍外)均设宽 1 0 0 IT ln l 的C F R P布封闭箍 3道。 2 4 加载装置和试验方式 本次试验通过分配梁实现二集 中荷载三分点 加载，剪跨 比为 2 3 6 ，在支座两端和梁跨中位置 各布设 1 个百分表， 用 以量测试验梁的跨 中挠度 。 图 3 为本次试验 的加载装置示意图。按照 G B 5 0 1 5 2 1 9 9 2 混凝土结构试验方法标准 ，确定荷 载的分级和恒载的施加时间，梁开裂前、后每级 荷载施加量分别约为极限承载力估算值的 2 O 和 1 0，直至混凝土梁破坏。 图 3 试验梁加载装置示意 3 试验结果分析 图 4为三组加 固试验梁挠度随荷载变化的比 较 图，它反映出 C F R P板加 固梁的挠度变化趋势 图 4 试验梁荷载与挠度曲线 由图和试验数据可知： ( 1 ) 在加载初期， 三组试验梁的挠度增长都 较慢 ，荷载一挠度关系曲线基本呈线性变化，或 者说截面刚度保持不变 ，而且此 时对一次受力梁 ( 第二组) 而言，其 C F RP板1 笱未正常发挥作用 。 ( 2 ) 当受拉区混凝土开裂后，未加固梁的挠 度急剧增加，而加 固梁挠度增加相对缓慢 ，表现 为后者曲线斜率较前者有明显提高，且对于相 同 数值的外荷载作用 ，加 固梁的挠度值均小于对 比 梁 的挠度值 ，这种差异随荷载增加而增大 。分析 以为 ，C F R P板 的粘贴加 固在一定程度上可提高 梁 的抗弯刚度 。 ( 3 ) 破坏时的挠度 ， 未加 固梁在 3 9 5 8 7 m n 内，第二、三组加固梁分别在 8 1 4 一 l 1 6 0 mm， l 1 1 6 1 3 1 0 m i 1 内。加 固梁的极 限挠度超 出普通 混凝土梁容许挠度 ( 一般 受弯构件 = 0 2 0 0 = 7 5 ml n ；挠度有较高要求构件【 月 = 4 2 0 O = 6 0 mm)1 倍 以上 。因此 ，在正常使用条件下，C F R P 板加固 梁的抗弯性能明显优于普通混凝土梁。 ( 4 ) 观察一次与二次受力试验梁的荷载一挠 度关系曲线 ：两者最显著的差别是后者最大挠度 较前者有所增加，且两者的共向特征是曲线的后 阶段有一个 明显转折点，当荷载超 出该点，挠度 迅速增加， 曲线变化表现为略接近于水平的趋势。 分析认为，纵筋屈服后，尽管 C F R P板承担主要 的外荷载，但因其延性较差，仍会同混凝土梁一 起变形较大 。同时，这两类加 固试验梁 的荷载与 挠度 曲线比较吻合，即这 2 种加固方案对挠度的 控制效果是相近 的。 1 9 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8 年 4 加固梁跨中挠度计算 与普通混凝土梁一样 ，计算加固梁的挠度实 质上是梁的截面抗弯刚度的计算。刚度值总是与 建筑材料的特征常数和截面特征值有关。 在试验加载过程中，当初期荷载很小时，荷 载 一挠度关系曲线基本呈线性变化 ，截面抗弯 刚 度 接 近弹 性 刚度 ，可 取 为换算 截 面抗 弯 刚度 ， 0 3 】 o 当达到开裂荷载时，由于受拉区混凝土存在 一 定的塑性变形，抗弯刚度略有降低，可近似取 日 s = 0 8 5 ， 0 ，其中， 。 为混凝土梁荷载标准组合 下的截面抗弯刚度，简称短期刚度； 为混凝土 的弹性模量；， 0 为换算截面惯性矩 。 当受拉区混凝土开裂后，加固梁挠度的增长 比荷载的增长快，其截面抗弯刚度是一个变量， 是随着荷载增加而不断降低的。通常，钢筋混凝 土梁是处于带裂缝的正常使用状态 。 就 C F R P板加 固梁在裂缝发展稳定阶段的短 期刚度进行研究，以对 比一次梁与二次加固梁跨 中挠度的理论数值和试验值。国内外大量试验和 文献已表 明，在正常使用阶段，加 固梁沿截面高 度量测的平均应变仍符合平截面假定，参照 混 凝土结构规范一般混凝土梁挠度 的计算方法， 并作近似处理后得出加固梁的短期刚度算法。在 研究两类加固梁正常使用状态极限下的最大挠度 时，选取受拉钢筋屈服时的挠度【4 】 。 4 1 一次受力梁 考虑将 C F R P板等强折算成钢筋计算。按总 力不变条件 = f f ，则 A s = f ， f 由 于 C F R P板较薄 ，可以认为 = c f ，故： 。 = = A c e = 0 8 5 8 A o (c D 一 丁一 r 即 A s 】 = + 0 8 5 8 A c f =4 4 3 2 mm 。 一 次加固梁 的短期刚度为： ： = 3 9 81 0 Pk 2 08 pk一1 4 4 2x1 0 式中： ：1 1 一 0 6 5 f t k： 1 1 一1 2 5 4 x1 0 4 。 P【 e 1 t 7 s s l Pk ( 受拉区等效配筋率： 鲁 钢筋 和 C F R P板 的平均 应 力： 等 84 3 刚= M k = 3 。 5 81 。一 p 等 挠度计算式： 3 o2 -4 ( )2 -5 9 9l 0 ， 旦 ( 2 ) 从数学的角度，式( 1 ) 中 A 1 A 。 ，因而，在相 同荷载作用下一次加固试验梁 的短期刚度大于未 加固梁的短期刚度 ，它表现在试验数据 中的前者 比后者的挠度值要小些。 4 2 二次受力梁 结构加固往往是在非卸载状态下进行，因此 在加固前，原构件截面就会在所承受的截面内力 下处于某个初始应力应变状态 。加固后，在没有 新的荷载增量作用时， 被加固截面 内力不会变化， 故截面应力应变亦不会发生变化 ，新增加部分 ( C H 板) 会处于零应力状态。 加固工程属于二次 受力结构，决定了其短期挠度 的计算方法不同于 普通的混凝土梁，也有异于一次受力梁 。 在此情形下，梁的截面抗弯刚度应分为加固 前和加固后的截面抗弯刚度。 ( 1 ) 加 固前的短期挠度 ： 按一般混凝土梁计 算，且设加固前力的初始弯矩 Mk o 。则 ： = = 3 61x10”Pk o 同理 ，跨中最大挠度 ： ： 5 9 9 1 0 0 。 ( 2 )加固后梁 的短期挠度 ：应考虑 C F R P 板的滞后应力，或者说钢筋的超前应力。则二次 加固梁的短期刚度为： 垦垒! ： 1 1 5 2+0 2+6 aE Pl 3 9 81 0 2 0 8一 ： 7 9 8p k+8 1 4pk 0 式中，裂缝间钢筋应变不均匀系数中，钢筋应力 第 4期 徐芸等 ： 碳 纤维板加 固钢 筋混凝土梁短期挠度的试验研究 1 9 5 值取 C F R P板粘贴前后的应力之和 ，即 固梁的挠度无明显差距。 1 1 一 0 6 5 f = 1 0 01 xl 0 6p -t - 6 1 斗p 其中，钢筋和 C F R P板 的平均应力 一 -3 0 5 8 1 0 - 3 c P k-Pk 0 ， 挠度计算式： = f o +S = + 5- 99 l 4 3 跨中极限挠度计算结果与实测值得的比较 跨中极限挠度计算结果与实测值得的比较见 表 2 。 整体而言， 3组试验梁 的计算值和其对应 的 试验测得的值 比较吻合，且第一组未加固梁的短 期刚度较加固了第二、三组略微小些 ，这能够说 明 C F R P板起到了有效加固钢筋混凝土结构、提 高梁的抗弯刚度和阻止梁发生较大变形的作用 。 表 2 三组试验梁挠度 注： 初始荷载是指粘贴C F R P板时施加在钢筋混凝土 梁上的持续荷载；因 A 7梁抗剪加固略差，故表中所示 的挠度计算值与实测值的比值较小。 由表 2可知，第二组一次受力梁和第三组二 次受力梁的短期刚度和挠度都很接近，因而也反 映在试验 结果中两组加固梁 的变形情况极 为相 似 。 分析可知， 第三组梁在 的早期没有粘贴 C F RP 板 ，那么它的变形应该与第一组是一致的；第二 组虽然粘贴 了 C F R P板，但在试验的早期这一加 固材料并未充分参与作用，从而导致一次受力梁 和二次受力梁在施加荷载初期梁的变形与第一组 相近，随着荷载的增加，C F R P 板的潜力才逐步 得以发挥，因而从受弯变形的角度看，这两组加 5 结语 ( 1 )C F R P板截面面积远 比钢筋小，对变形 的影响本该较小，但碳纤维板的加固可延缓裂缝 的扩展和延伸 ，从而间接提高了混凝土梁的截面 抗弯刚度 。 ( 2 ) 加固试验梁刚度的提高来 自两个因素的 作用，C F R P板 的直接贡献是其主要的因素，次 要 因素是 由于梁两端粘贴了 C F R P布封闭箍，使 得斜裂缝的开展缓慢，对提高梁刚度亦起了间接 作用。 ( 3 ) 本文提 出的一次受力梁短期挠度计算公 式 中，将 C F R P板截面面积按照等强度原则折算 成钢筋截面面积计算 比较简便 ，而且与试验数据 能较好地吻合。 二次受力梁短期挠度计算公式中， 充分考虑了实际工程大多数属于二次受力结构， 其加固材料 C F R P板只是在新增荷载时才开始受 力，导致新加部分的应力、应变滞后于原结构的 应力、应变L 5 J 这一情况，且具有一定的安全储备， 能满足实际工程应用的需要 ， 有一定的实用价值 。 ( 4 ) 本文仅仅探讨 了矩形截面简支加 固梁 的 短期挠度的计算方法，对其他截面形式以及连续 梁 的有关计算 尚需进一步讨论。同时，本次试验 研究的挠度和刚度均是指试验梁的短期挠度和刚 度 ，对于钢筋混凝土加固梁的长期挠度有待于进 一 步研究。 ( 5 ) C F R P板具有优异 的性能，使得它在土 木工程领域得 以迅猛发展。但是 ，我们也应意识 到，C F R P 板有许多不同于传统建筑材料钢 筋之处，在进行结构设计时，一方面应遵循已有 的钢 筋 混凝 土 设计 规 范 ，另 一 方面 还应 明确 C F R P 板材料的特性和适用原则，希望能将这一 效益优 良的新技术引入到更多的工程实践中。 参考文献 【 1 】 C E C S 1 4 6 ：2 0 0 3 ，碳纤维片材加 固修 复混凝 土结构技 术规程i s 【 2 】 徐有邻，周 氐混凝土结构设计规范理解与应用 M 北京：中国建筑工业出版， 2 0 0 2 【 3 】 赵彤，谢剑 碳纤维布补强加固混凝土结构新 技术【 M 天津：天津大学出版社， 2 0 0 1 【 4 】 徐德新 钢与混凝土组合梁【 M】 武汉：武汉工业大 学出版社， 1 9 9 6 ( 下转第2 2 2页) 2 2 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 【 4 】 【 5 】 【 6 】 S u b i e c t e d t o R e s t r a i n e d S h r i n k a g e ：E x p e ri me n t a l 工业出版 社， 1 9 9 7 S t u d y a n d Mo d e l i n g J J o u r n a l o f Ma t e ri a l s i n 【 7 】 A B A QU S I n c A B AQ US V e ri fi c a t i o n Ma n u a l Z C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， l 8 ( 1 ) ： 4 6 5 4 A B A QUS S y s t e m 6 4 R e l e a s e No t e s S e p t e mb e r Z d e n 6 k P B a a n t S a n d e e p B a we j a C r e e p a n d 2 0 0 3 S h ri n k a g e P r e d i c t i o n Mo d e l f o r A n a l y s i s a n d 【 8 D h i r M E A S t u d y o n t h e E f f e c t o f T e mp e r a t u r e D e s i g n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ：Mo d e l B 3 R V a r i a t i o n s o n the B o n d i n g o f C o n c r e t e O v e r l a y s J ， Co n c r e t e I n s t i t u t e ，Fa r mi n g t o n Hi l l s ，Mi c h i g a n ， ACI J o u r n a l ， 1 9 8 4 ， 8 1 ( 2 ) ： 1 7 2 1 7 9 2 0 0 0 【 9 】L a n g e D， Ra u N， Bi c e r B， e t a1 E a r l y Ag e Cr a c k i n g Ba z a n t Z P Bh a t P DEn d o c h r o n i c Th e o r y o f o f Co n c r e t e Bo n d e d Ov e r l a y s for Ai r p o rt I n e l a s t i c i t y a n d F a i l u r e o f C o n c r e t e J 1 9 7 6 ， 1 0 2 ( 4 ) ：P a v e me n t R R e p o r t S u b mi t t e d t o I l l i n o i s D OT , 7 0 1 7 2 2 1 9 9 9 王铁梦工程结构裂缝控制【 M】 北京：中国建筑 Fi n i t e El e me n t S i mu l a t i o n o f t h e S h r i n k a g e Pe r f o r ma n c e o f Ad h e r e n c e b e t we e n S e l f - c o mp a c t i n g Co n c r e t e a n d Ol d Co n c r e t e CHEN Fe ng ， ZHENG J i an l a n ，YU Bo - l i a ng ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e s ， F u z h o u U n i v e r s i t y , F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Ba s e d o n t h e t e s t r e s u l t s o f a d he r e n c e of s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e t o o l d c o n c r e t e ，t h e r e s t r a i n e d s h r i n k a g e o f a d h e s i o n b e t w e e n n e w a n d o l d c o n c r e t e i s s i mu l a t e d b y fi n i t e e l e me n t p r o g r a m AB AQ US Co mp a r e d wi t h t h e t e s t r e s u l t s t h e fin i t e e l e me n t mo d e l i s p r o v e d t o b e e f f e c t i v e T h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f a d h e r e n c e of n e w o n o l d c o n c r e t e u nd e r r e s t r a i n e d s h r i n ka g e i s s t u d i e d f r o m s t r e s s a na l ys i s I t c a n b e t a k e n a s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f s t r e n g t h e n i n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e wi th s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e a s n e w conc r et e Ke y wo r d s ：s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ；r e s tra i n e d s h r i n k a g e ；a d h e r e n c e ；d e fi n i t e e l e me n t me t h o d ；s t r e s s d i s t r i b u t i o n ( 上接第 1 9 5页) 【 5 】 毛崇华，王天稳混凝土梁粘钢加固后的挠度验算 J 建筑技术开发， 2 0 0 2 ， ( 9 ) ： 1 2 1 5 6 】 周明华土木工程结构试验与检测【 M】 南京：东南 大学 出版社， 2 0 0 2 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n S h o r t - t i me De fl e c t i o n o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms S t r e n g t h e n e d wi t h CF RP Bo a r d XU Y u nl ， CAI J i n t a ng 。 ，XU ， S HEN Ba o- y u n1，G u X i a o - j i n g l ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d U r b a n C o n s t r u c t i o n ， J i u j i a n g U n i v e r s i t y , J i i a n g 3 3 2 0 0 5 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e rin g ， W u h a n Un i v e r s i t y ， W u h a n 4 3 0 0 7 2 ， Ch i n a ； 3 C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g ， J i a x i n g U n i v e r s i t y ， j i a x i n g 3 1 4 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e e x pe rime n t a l s t u d y of RC b e am s s t r e ng t h e n e d wi t h CFRP bo ard i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r E x p e rime n t a l r e s e arc h o f s i x b e a ms s tr e n g t h e n e d wi t h CF RP b o a r d o n the i r t e n s i l e f a c e s h a s b e e n c a r r i e d o u t t o e xa mi n e t h e e f f e c t s o f fir s t a n d s e c o n da r y l oa d i n g o n the s t i ffn e s s b y c o n tra s t i n g wi t h t hr e e n on - s t r e n g t h e n e d b e a ms Th e f o r mu l a for c a l c u l a t i n g t h e s e c t i o n a l s h o r t t i me d e f l e c t i o n o f the c o n c r e t e b e a ms s tre n g t he n e d wi t h CF RP b oa r d ha s be e n es t a b l i s h e d The e x pe rime nt r e s u l t s i n d i c a t e t ha t t he RC s t r u c t u r e c a n be s t r e n g t he ne d e f f e c t i v e l y by u s i n g bo n d e d CFRP b o a r d s o th a t t h e de ve l o pme nt of c r a c k an d rig i d i t y o f b e a m c a n be c o n t r ol l e d， a nd t he r e s u l t s ma t c h we l l wi t h t h a t o f pr e d i c t e d b y the f o r mu l a Ke y wor ds ：c arb o n fibe r r e i n f o r c e d p l a s t i c s b oard ；s t r e n g the n i n g； r e i n f o r c e d c o nc r e t e be am ； d e f l e c t i o n