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复合材料FRP 加筋混凝土结构受弯性能研究

1. 试验目的

本试验拟采用适量试验, 对复合材料FRP 加筋混凝土结构受弯性能进行系统的研究, 得出一些合理的结论, 并对己有的计算公式进行修正。本次试验的目的主要包括:
1) FRP 加筋混凝土构件荷载－变形关系;

2) FRP 加筋混凝土构件破坏形式和破坏机理, 以及裂缝开展情况;

3)布筋方式和配筋率对FRP筋与混凝土之间粘结性能以及裂缝间距、 裂缝宽度、 以及最大变形的影响;

经过试验研究FRP 加筋混凝土构件在正常使用极限状态和承载力极限状态下的力学性能, 建立相应的分析模型, 给出相应的设计方法。

2. 试验方法
对于复合材料FRP 加筋混凝土结构受弯性能的研究主要集中在试验研究, 一般采用四点弯曲加载试验。采用规定的两点加载单跨简支梁模型为研究对象, 试件设计按照现行《混凝土设计规范》(GB50010- )进行。
试验考虑的研究参数:混合配筋、 粘结长度、 端部锚固、 配筋率。

3. 试验设计
3.1 构件设计分两个阶段
一、 拉拔实验( 做么? )
主要是来确定哪儿种粘结效果最好 采取混凝土立方体试件
浇注3个混凝土立方体试件, 试件尺寸为150mm*150mm*150mm
为了比年试件加载端混凝土的局部受压, 在靠近加载端用塑料套管把CFRP筋与混凝土隔开来设置未粘结段, 以减小边界处的应力集中对实验结果的真实性造成的影响。
如下图所示 加载端预留CFRP筋的长度为 mm, 自由端留出20mm, 测量CFRP筋自由端的滑移。 分别采用下列三种方式: 1、 直接插入FRP筋 2、 FRP筋上套上钢管套箍, 中间用环氧树脂胶粘结 3、 FRP筋端部用套箍, 自由端不露出 1、 2方法如下图所示 在结构实验室进行加载, 看是否增强粘结

二、 具体实验

粘结滑移规律 然后确定钢管放的具体位置端部加端板
钢管长度怎么确定? ? 钢管应该是越长越好 可是想到胶不能完全灌入, 因此选取…….mm? 多长树脂能完全灌入
1、 180mm x250mm x 1900mm

2、 150mm x300mm x 2700mm( 和老李一样大)

试验梁设计为矩形截面简支梁, 混凝土采用C30标号, 截面尺寸为b×h=150×300mm, 跨度L=2700mm, 净跨Lo=2500mm,采用四点弯曲加载, 集中荷载间距a=800mm。底部受拉纵筋为2Φ14( As=308mm2, 配筋率为0.81%) 采用HRB335钢筋;顶部架立钢筋2Φ10( A‘s=157mm2, 配筋率为0.56%) , 采用HPB235钢筋。为了保证模型梁的破坏为弯曲破坏, 在梁的弯剪区配置Φ7@100的双肢闭口箍筋( HPB235钢筋) 。纵筋保护层厚度设为30mm、 架立筋保护层厚度设为30mm。

表中BZ-1、 S-1为参照梁, 以配筋率、 锚固方式、 混合配筋情况为参数

梁编号
BZ-1
S-1
S-2
SZ-3
SD-4
HH-1
HH-1
梁配筋
1
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2Φ10 HPB235
2
2Φ14 HRB335
2-CFRP
3-CFRP
2-CFRP
2-CFRP
2-CFRP
2-CFRP
3
Φ7@100
HPB235
Φ7@100
HPB235
Φ7@100
HPB235
Φ7@100
HPB235中
Φ7@100
HPB235端
Φ7@100
HPB235
Φ7@100
HPB235
4

2根钢筋放FRP筋上面
钢筋放两FRP中间
备注
全部钢筋
2根CFRP
3根碳纤
2根碳纤
+钢套管
2根碳纤+钢箍
2根碳纤、 2根钢筋
2根碳纤1根钢筋

3.2 测点布置

本次试验测量的主要内容有: 跨中的混凝土应变; 弯曲裂缝的形态、 位置及发展; 受拉纵筋、 CFRP的应变; 跨中挠度、 集中力位置挠曲变形及支座位移随荷载的变化情况。

试件的挠度及位移用百分表来测量完成。另外, 在构件表面、 钢筋表面和CFRP上粘结电阻应变片来测量相应部位的应变。CFRP上应变片半跨布置, 应变片之间间距为100mm, 观察CFRP板条的应力变化及传递情况; 钢筋应变片布置于受拉纵筋上中点附近, 以检测构件在加载过程中钢筋的受力变化情况; 混凝土应变片布置于跨中纯弯段, 观察加载过程中混凝土的应力变化及中和轴的调整情况; 裂缝经过在梁上刷白画格的方法确定位置, 经过裂缝观察设备确定裂缝宽度。进行表面刷白, 按照50mm间距划分网格并编号。

4. 试验材料

混凝土配合比设计: 按照《普通混凝土配合比设计规程》( JGJ55- ) 的要求进行配合比设计。本次试验拟配混凝土强度为C30( 具体略) 。采用标号为42.5的硅酸盐水泥, 经过计算, 确定混凝土初步配合比为1: 1.66: 3.22, 水灰比为0.522.

5. 试验装置

5.1加载装置

试验时构件的空间搁置方案有两种, 即正位试验方案和异位试验方案。前者指试验时构件搁置位置与实际工作时的位置一致, 而后者指的是试验时构件搁置位置与实际工作时的位置不一致。异位试验时, 由于受拉区朝上, 便于持载植筋、 观察裂缝, 但对构件实际受力有所影响。

本试验拟采用正位实验方案( 具体待定) 。采用三分点方式加载。使用千斤顶进行竖向加载, 千斤顶的作用位置在梁及分配梁的中点处, 千斤顶与分配梁之间放有力传感器。力传感器与相应的测力计相连接, 用来测量并控制竖向荷载的数值。千斤顶将力传递给分配梁, 分配梁再将力传递给构件。千斤顶人工控制加载。加载方案为采用分级加荷的方式。本次试验是单调加载静力试验, 在正式加载前首先进行预加载。试件开裂前, 载级步按极限荷载的10%进行, 将近开裂时载级减半, 开裂后载级步恢复为极限荷载的10%, 接近破坏时载级再减半。每级荷载加载完毕后, 持荷5分钟后记录各项数据。

加载装置及混凝土应变片、 位移计位置示意图

5.2数据采集

计算机自动记录施加的每一级荷载, 变形情况由百分表和角标测定, 应力由电阻应变片测定并由计算机自动记录。在整个试验过程中注意观察记录试验现象。每级荷载下的荷载值及位移值由计算机采集。为采集裂缝数据, 在试验前将梁刷白, 进行表面刷白, 按照50mm间距划分网格并编号, 经过网格就能够看出裂缝的发展形态。为测定梁在受力过程中产生的界面应变, 在跨中粘贴应变片, 并按照250mm间距安装手持应变仪定位角标。记录开裂荷载及裂缝位置, 记录裂缝分布及荷载级别, 记录各级荷载下裂缝宽度, 并在梁上描绘出裂缝分布情况, 破坏形态。观察并记录构件的破坏形似, 记录试验过程中所发生的声音及任何异常情况( 如数据突变等) , 记录环氧树脂的破坏形似及破坏的发展。

6. 试验内容

6.1试件制作( 拟在施工现场进行)
( 1) 焊接并粘贴钢筋应变片并编号。
( 2) 支模: 在模板的内侧涂刷润滑油或做薄膜隔离, 以方便拆模。
( 3) 浇筑: 按照《混凝土结构试验方法标准》( GB50159-92) 中的要求进行分三层浇筑、 振捣。
( 4) 对构件养护编号并拍照。
( 5) 养护: 在施工现场28d。
( 6) 同时分三层浇筑、 振捣制作6个150×150×150立方体试块。在相同条件下养护28d。
( 应变片的焊接及粘贴在施工现场进行, 随行需带的设备有: 打磨机, 插排, 应变片, 焊锡, 焊膏, 烙铁, 导线, 502胶, , 白胶带, 绝缘品, 夹皮钳, 万能表, 卷尺, 标号笔, 相机等。)

6.2 参照梁实验
对两根参照梁刷白并在梁侧面画上纵横间距为50mm的网格线 → 定位 → 支表、 连接实验设备 → 检测初始读数 → 预加载( 本构件的理论开裂荷载为7.9KN, 对应荷载为9.9KN, 预加载的荷载值取为开裂荷载的50%, 分两级完成) → 初期加载( 以极限荷载10%为载级步, 构件加固前的设计弯矩为23KNm, 对应荷载为28.8KN, 进行数据采集) → 开裂荷载附近加载( 载级步减为原来的一半, 注意观察记录裂缝的发生及位置) → 裂缝后加载( 恢复为原来载级) → 极限荷载附近加载( 载级步减为原来的一半) → 加载至破坏 → 拍照。
裂缝开展后注意各级荷载下裂缝的位置、 发展及大小。注意整个过程数据的采集及构件异常的记录。注意确定实际的开裂荷载, 屈服荷载, 极限荷载, 注意采集应变及位移读数。

6.3一次受力构件的试验步骤同参照梁, 注意胶层的变化。

7. 主要材料需求

……..未定

8. 注意事项1) 构件、 应变片编号。2) 构件做吊钩。3) 构件制作、 养护、 开槽植筋、 加载过程中拍照。4) 参照梁试验完成后, 对收集数据进行简单分析, 确定试验过程正确后再进行后续试验。