预应力碳纤维板锚固钢筋混凝土梁抗弯试验研究.pdf

2 0 1 5年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 1 1 No v e mb e r 预应力碳纤维板锚固钢筋混凝土梁抗弯试验研究 郭 蓉 一 ， 吴二朋 ， 欧高龙 ( 1 河北工业大学土木工程学院， 天津 3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工程技术研究 中心 ， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘 要 ： 对 3根 梁进行 了试验 ， 一根 为对比梁 ， 一根 为普通碳 纤维板加 固 ， 一根 为预应 力碳 纤 维板加 固， 研 究 了 碳 纤维板 对钢 筋混凝 土梁的加 固效果。 同时设计 了一套较 为可 靠的 张拉锚 固设备 ， 制定 了一套较 完整的张拉 工艺。 通过 梁抗 弯试验 ， 对应 变、 挠度 、 承载 力进行 了研 究。试验证 明， 加 固梁的开裂荷载 均有提 高 ， 但提 高不明显 ， 极限荷 载提 高幅度较 大， 且预应 力碳纤维板加 固粱较普通碳 纤维板加 固提 高更多 ； 在增加 梁的刚度 、 降低 延性发展方 面， 预 应 力碳 纤维板加 固效果更好 ； 试验过程 中碳 纤维板 未出现 滑移 ， 锚 固效果 良好 ， 有效地 延缓 了碳 纤维板的剥 离破 坏。 关键 词 ： 预裂 ； 钢筋混凝土粱 ； 预应 力； 碳纤维板 ； 加 固； 抗 弯试验 Ab s t r a c t ： 1 l 1 e e x p e ri me n t o f t h r e e b e a ms w h i c h i n c l u d e a b e a m c o n t r a s t a n o r d i n a r y c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e me n t a n d a p r e s t r e s s e d c a r b o n fib e r r e i n f o r c e me n t 。i s c a r r i e d o u t T h e r e i n f o r c e d e f f e c t o f c a r b o n fi b e r s l a b o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m i s s t u d i e d At t h e s a me t i me ， t h e t e n s i o n a n c h o r e q u i p me n t i s d e s i g n e d ，a n d t h e c o mp l e t e t e n s i o n t e c h n o l o g y i s f o r - mu l a t e d T h r o u g h b e a m b e n d i n g t e s t ， s t r a i n ，d e fl e c t i o n a n d c a p a c i t y a r e s t u d i e d Ex p e r i me n t s h o ws t h a t c r a c k i n g l o a d o f r e i n f o r c e d b e a m i s i n c r e a s e d ，b u t n o t o b v i o u s ，u l t i ma t e l o a d i n c r e a s e i s r e l a t i v e l y i mp r o v e d ，a n d p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms i n c r e a s e s mo r e t h a n o r d i n a r y c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d ； i n t h e a s p e c t of i n c r e a s i n g s t i f f n e s s o f t h e b e a m a n d d e c r e a s i n g d u c t i l i t y ， r e i n f o r c e d e f f e c t s o f p r e s t r e s s e d c a r b o n fi b e r s l a b i s b e t t e r ； s l i p d o e s n o t o c c u r d u ri n g t h e e x p e rime n t p r o c e s s ， t h e a n c h o r e ff e c t i s g o o d ， wh i c h c a n e f f e c t i v e l y d e l a y d e b o n d i n g f a i l u r e o f c a r b o n fi b e r s l a b Ke y wo r d s ：P r e s p l i t t i n g ； Re i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m； P r e s t r e s s e d ； CF RP p l a t e ； Re i n f o r c e me n t ；B e n d i n g t e s t 中 图 分 类 号 ： TU5 2 5 9 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 1 1 6 6 0 4 0前 言 由于材料老化 、 施 工质量 、 自然 或人 为等 因素 的影响， 现有 的很多桥梁急待修复和加 固l l l 。随着材 料科学技术 的不断发展 ， 新材料 、 新工艺 、 新方法不 断 被应 用 到土木 工程 加 固行 业 中 ，碳 纤维 板 ( C F R P 板 ) 就是 典 型 的一种 l2 _ 3 J 。 C F R P板成 型 工艺是 将碳 纤 维浸渍树脂后在模具 内固化并连续拉挤成型 它具 有抗拉强度高 、 耐腐蚀性强 、 抗震性 、 抗冲击性好等 性能 。针对粘贴 C F R P板和体外预应力两种加 固 技术的特点 ，利用两种加 固技术的优势于于一体 ， 既可充分发挥 C F R P板材料的高强性能 ，又可减小 结 构 的初 始 应 力 ，限制 构件 的变 形 和裂 缝 的 发 展 ， 提 高结 构 的承 载力 6 1 。本 文 自主研 制 出一套 预应 力 一 6 6一 I 4 0 C F R P板张拉装置和锚 固装置 ，通过试验验证 了张 拉装置的可行性和锚 固装置 的可靠性 ， 通过试验梁 的抗弯试验 ， 对试验梁应变 、 刚度、 挠度 、 延性 、 裂缝 等进行了研究。 1 试验 概述 1 1 试件 设计 及 材料性 质 本试验设计 了 3根矩形截面试验梁 ， 所有构件 尺寸统一 ， 全长 5 1 0 0 mm， 截面尺寸为 b x h = 4 0 0 mmx 5 0 0 m m， 混凝土抗压强度等级为 C 5 0 。 试验所用碳纤 维板规 格 ： 厚 度 1 2 mm， 宽度 5 5 mm， 抗 拉强度标准 值 2 4 2 4 MP a ，受拉弹性 模量 1 6 9 x l 0 5 MP a ，伸长率 1 7 1 等级为高强度 1级。梁 的尺寸及具体配筋图 见 图 1 ， 试验 梁编 号加 固情 况见 表 1 。 图 1 试验梁的尺寸和配筋示意 图( 单位 ： m m) 郭 蓉 ， 吴二朋 ， 欧高龙 预应力碳纤维板锚 固钢筋混凝土梁抗弯试验研究 1 2张拉 锚 固装 置 的设 计 目前 ，国内对 C F R P板施加预应力 的张拉装置 研究较少 ， 配套设施和技术也不够成熟 。大多具有 装置 自重较大 、 施工工序繁琐 、 操作受条件 限制 、 理 想应力难以控制 、 加固效果存在缺陷等缺点。为 了 实现预应力 C F R P板的安全张拉 ，锚具作为传力 和 锚 固装置 ， 可靠的锚 固 、 充足的刚度和承载能力是 其必备条件 。 本 试 验 所 用 的 锚 具 是 在 以往 锚 具 的 基 础 上 进 行了改进而产生的铰式粘结 咬合锚 ， 设计原理是螺 栓锚 固、 胶体粘 结外加机械 咬合 ， 主要包括上齿板 和下 齿板 两 部分 。为 了克 服摩 擦力 不 足产 生 的滑移 夹具单元 张拉单元 ( 滑槽和夹具 ) ( 液压缸支架 、 挂环 和锚 固 板 ) 碳纤维板 问题 ， 把两块钢板做成像牙齿一样的咬合状 ， 并注 入胶体 ， 以增大它们之间的摩擦力 。为了克服在张 拉过 程 中出现偏 拉 的问题 把 固定 端提 供 反 力 的反 力块做 成凹状 ， 锚 固板一端做成凸状 ， 弧度稍小于 反力块 ，避免了现场设备安装误差产生 C F R P板偏 心受拉而造成预应力损失或被拉断。在总结前人研 究基础上 ， 尽量克服施工过程的不利因素 结合波 形粘 结 的锚 固方 式 。 经 反 复尝 试 最终 研 制 出了一 套 可拆卸 、 安装便捷 、 加 固效果理想 的张拉装置 如 图 2所示。 张拉装置整体可分为张拉单元和夹具单元。 张拉单元 由液压缸支架 、 挂环和锚 固板组成。夹具 单元由滑槽和夹具构成。张拉设备照片见 图 3 。 铰式锚 ( 反力块和锚 固板 ) 反力块 锚 固板 图 2张拉装置 整体设计 图 侧 面 图 底 面 图 图 3张拉设备实物 图 1 3 测点布置及试验方法 为 了分 析 构件 的受 力性 能及 应 力 应 变关 系 ， 本 试 验在 钢 筋 、 混 凝 土和 C F R P板 粘贴 了 电阻应 变 片 混 凝 土应 变 片 的规 格 为 1 0 0 m mx 5 mm钢 筋 应 变 片 的规 格 为 5 m mx 3 mm。碳 纤 维 板测 点 布 置应 变 测 点 布 置 图见 图4 。 I 二二二兰二二二 |-二二二 _二 l 一l _ _ 一 l 图 4碳 纤维板测点布置 ( 单 位 ： m m) 试 验 通 过 手 动 式 液 压 千 斤 顶 采 用 分 级 加 载 的 加 载方 案 ， 试 验 开 始前 ， 先进 行 预 加 载一 两 级 ， 检 验 百分表安装是否稳定和试验仪器能否正常工作 。等 仪器检查完成准确无误后进行卸载 静置 1 5 m i n后 进行正式加载。正式加载时。 加载制度为 ： 小于 7 0 试算开裂荷载时采用 l O k N 级进行加载 ，大于 7 0 试算开裂荷载后然后改为 5 k N 级进行加载。截面开 裂 后小 于 7 0 试 算屈 服荷 载 时采 用 2 0 k N 级进 行 加 载 ，大于 7 0 试算屈服荷载后改为 1 0 k N 级加载直 至试件受拉钢筋屈服。屈服后改为变形控制 ， 按照 试验梁跨 中挠度 l m m 级加载直至试件破坏。 每级荷 1 反力梁 ； 2 压力传 感器 ； 3 千斤 顶； 4 分配梁 ； 5 电子位移计 ； 6 混凝 土应变 片 ； 7 固定铰支座 ； 8 滑动铰支座 ； 9 安全墩 ； 1 O 一支墩 图 5 加载示意图 ( 单 位 ： m m) 一 6 7 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 5期 载加载完毕后持荷 5 mi n 观察裂缝发展情况和构件 挠度的变化 。另外 ， 在梁的支座跨 中、 支座截面以及 三分点分别布置百分表 来测量试件 的跨 中最大变 形 ，支座沉降和加载点变形 。加载装置详图如 图 5 所 示 。 2 试 验 现 象及 结果分 析 2 1 试验 现 象 试验所采用配筋率为 O 8 的适筋梁 ， 将对 比梁 L O进行静力抗弯荷载试验 ， 其试验现象与标准 的钢 筋混凝土受弯构件相吻合。当荷载施加到 6 6 k N时 ， 在试验梁跨 中纯弯段梁底出现 了第一条竖 向裂缝 ， 当加载到 3 1 0 k N时 ， 跨 中挠度是 1 7 O m m， 梁底裂缝 宽 度达 到 0 7 6 mm， 已经 超过 混凝 土设 计规 范规定 的 混凝土最大裂缝宽度 0 7 5 m m， 试验结束。当荷载加 到 8 6 k N时， 在梁 L l 底跨 中纯弯段出现第一条竖 向 裂 缝 ；在荷 载 从 1 6 6 k N加 大 到 2 0 0 k N 的过 程 中 ， 梁 底不断出现贯通裂缝 ： 从加载到 2 1 5 k N开始碳纤维 板 出现 啪啪 的声 音 当加 载 到 3 4 0 k N 时 ， 碳 纤 维 板 突然 连续 发 出啪 啪 的变形 声 碳 纤 维 板 和 梁底 混 凝 土 剥 离 ，钢 筋 瞬 间 屈 服 ，梁 跨 中 挠 度 最 终 为 1 8 4 7 m m。 试验梁 L 2在荷载施加到 8 6 k N时 。 在跨 中梁底纯弯段出现竖 向裂缝 ， 此时梁的挠度变形为 2 0 4 mm： 荷载继续增大 的同时 ， 在弯剪 区开始 出现 斜裂缝 ， 加载到 3 9 0 k N时 ， 应变传感器上荷载不再 增 大 ， 并 且 反 弹变 小 ， 碳纤 维 板 和梁 底 混 凝 土剥 离 ， 钢筋瞬间屈服 ， 宣告试验梁破坏 。梁跨中挠度最终 为 1 8 4 7 mm。试验结束 时 ， 从 L 1 、 L 2梁碳纤维板 的 剥 离 情况 来 看 ， 碳 纤维 板 预 应力 的施 加 有 助 于缓 解 碳纤 维 板 的剥离 。 2 2 承载 能力 分 析 表 2为 试验 梁 承载性 能试 验 结果 。 表 2试验梁承载性 能 由表 2可 以看 出 ， 与对 比梁 L 0相 比 ， 碳 纤 维 板 加 固钢 筋 混凝 土梁 L 1 、 L 2 ，开 裂 荷 载 分 别 提 高 3 0 3 和 5 1 5 。 极 限 荷 载 分 别 提 高 了 9 7 和 2 5 8 ， 有效提高 了梁 的极 限承载能力 ， 同时 L 2 J 极 限荷载 比 U 提高 了一倍多 ，这说明预应力碳纤维 板加 固混 凝 土梁 提 高 承载 能 力效 果 更 好 ， 这 是 由于 一 68一 梁 L 1 、 L 2破坏形式都是碳纤维板剥离 ，钢筋屈服 ， 而不是碳纤维板拉断 ，试验结束时 L 2碳纤 维板 比 L 1的碳纤 维板 承 担 了更 多 的力 减 小 了梁 的变 形 ， 推 迟 了碳 板 剥 离 ， 从 而 推 迟 了钢 筋 的屈 服 ， 增 大 了 极 限荷载 。 2 - 3刚度分 析 图 6是各梁跨 中荷载挠度 曲线 刚开始加载时 对比梁和加固梁的挠度接近 这是 由于这一阶段处 于弹性受力 阶段 ， 由钢筋和混凝 土共 同受力 。 所 以 差别不大 。继续加载， 碳纤维板逐渐参与工作 ， 与梁 L 0相 比 L 1 、 L 2两 根加 固梁 的抗 变 形 能力 都 有 所提 高 ， 说明 C F R P板随着混凝土开裂 ， 梁体变形加大 ， C F R P板的增强作用逐渐发挥 出来 ，特别是施加预 应力的 C F R P板的增强作用更加明显 。由于碳纤维 板的高强抗 拉特性 ， 能够很好地约束梁变形 ， 极大 地 阻止 了梁 继 续破 坏 挠度 也相 对 较 小 ， 也 就 是 说 提高 了梁 的刚度。一直到剥离破坏以前 ， 预应力碳 纤 维 板加 固梁 刚度 最 大 非 预 应 力加 固梁 次 之 ， 对 比梁 刚度 最小 。 Z 锯 握 O 1 O 2 0 3 O 4 0 5 O 6 O 挠度 m m 图 6 跨 中荷载一 挠 度曲线 2 4 延性 分 析 为 了 研 究 碳 纤 维 板 加 固对 于 混 凝 土 梁 延 性 的 影响 ， 本文做了挠度和挠度系数对应表 ， 见表 3 。 表 3 延 性分析表 由表 3可 见 ， 表 中没 有列 出 屈 服挠 度 ， 也 没 有 破 坏挠 度 和屈服 挠度 的 比较 。这是 因 为在试 验 过程 中屈服和破坏是 同时进行 的。碳纤维板和混凝土梁 郭蓉 ， 吴二朋 ， 欧高龙 预应力碳纤维板锚 固钢筋混凝土梁抗弯试验研究 剥离瞬间钢筋屈服宣告梁屈服 。也就是说用碳纤维 板加 固钢筋混凝土梁之后 ，梁变成 了脆性破坏 因 为碳纤维板 的抗拉能力非常强 ， 梁破坏时碳纤维板 拉应变仅仅是极限拉应变 1 7 9 、 5 2 - 3 同时碳纤 维板本身也属于脆性破坏材料 ，荷载很大的时候 ， 碳纤维板承担 了很大比重的荷载 ， 所 以碳板剥离前 钢筋不会屈 服 ： 剥离 瞬间 ， 碳纤维板 上承担的力部 分转移到钢筋上 钢筋瞬间屈服， 试验梁破坏。所 以 说使用碳纤 维板加 固钢筋混凝土梁 时降低 了钢筋 混凝土梁的延性 使其变成了脆性破坏梁。同时可 以看 到 破 坏 时 预应 力 加 固梁 的挠 度 要 比非 预 应 力 加固梁的稍大。这还是因为施加预应力使混凝土梁 产生反拱 。这部分挠度也加在了破坏挠度里边。另 一 方 面 由表 3可 见 ， 两 个 加 固梁 与 对 比梁 的破 坏 跨 中挠度 比值在 0 9 1 0 9 6之间 ，从试验开始到梁 破坏 碳纤维板都没有发生侧 向滑移或者劈裂 ， 说 明结构胶能够让碳纤维板和钢筋混凝 土梁能够很 好地协 同工作 。也说明了锚具设计合理 ， 有效地阻 止 了滑移 ， 对于更好地发挥碳纤维板 的高强性能起 到了重要的作用。 表 4 C F R P板的强度利用效率 注 ： C F R P板 利用率为 C F R P板 的实际值 与材料试验 测得 的 C F R P板 的极限抗拉强度 应变值之 比 ； C F R P板 的实际值为试 验梁跨 中纯 弯段 测点的平均值 ： 增 长值为相对于梁加载前 的变化量 。 2 5 碳 纤 维板 预应 力分 析 因为碳纤维板具有 良好 的线性特点 同时材料 具有 单一性 ， 所 以 ， 所 测得的标志性点 的应变就可 以换算出碳纤维板的利用程度 。这里的应变是碳纤 维板上钢筋应变片的平均应变。有效利用率如表 4 所 示 。 梁开 裂 时 两块 碳纤 维板 的应 变分 别 为 3 4 2 8 和 3 8 8 8 8 。 是 C F R P极 限拉应 变 的 1 9 、 2 7 1 ， 利 用率还较低 ，还没有发挥 出碳纤维板 的高强性能。 因为 碳 纤 维板 弹性 模 量较 低 ， 只有 在 达 到 很 大变 形 时才能发挥出来 。同时这也从另一方面又证明了碳 纤 维板加 固钢筋混凝 土梁 能提高混 凝土梁 的开裂 荷载 。当碳纤维板和混凝土梁剥离的时候 ， 两个梁 上的应变为 2 5 6 5 1 x e 、 7 5 0 6 e ， 分别是碳纤维板极 限 拉应变的 1 7 9 、 5 2 3 ， 利用率都有较大提升 ， 因为 在剥 离 之 前 梁有 了很 大挠 度 ， 碳 纤 维 板 有 很 大 的变 形 ， 因此 ， 能提供很大 的拉应力 。同时可 以看到 ， 无 论是 在开裂荷载 、 屈服荷载或极 限荷 载 ， 预应力加 固后构件 的 C F R P板的使用效率均大于不加预应力 加固构件的 C F R P板 ，使 C F R P板材料 高强性能得 以充 分 发挥 。 3结 论 ( 1 ) 本试验所用 的锚具加载过程 中没有 出现滑 移 ， 锚 固效果 良好 。 ( 2 ) 预应力 C F R P板加 固后的梁对 构件抗 裂性 能提高明显 而粘贴 C F R P板加 固后 的梁对构件的 抗 裂 性 能 影 响不 大 ： C F R P板 加 固后 对 构 件 的屈 服 荷载和极 限荷载均产生了极为有利的影 响， 并且还 大大提高 了 C F R P板 的利用效率 ，预应力 C F R P板 加 固梁 影 响幅度 更 明显 。 ( 3 ) 粘贴碳纤维板加固对梁 的初始抗弯刚度有 所 提 高 在 开裂荷 载 之后 ， 施 加预 应力 的 C F R P加 固 梁的刚度退化速度明显减缓。 参考文献 ： 1 1 彭晖 预应力碳纤维片材加 固钢筋混凝土受弯构件 的性能 研究 D 】 长沙： 湖南大学， 2 0 0 6 【 2 】 黄 滔 C F R P板预应 力锚 具试验 研究【 D 】 重庆 ： 重庆 大学 ， 20 09 3 】 黄竞 强 体外预 应力碳纤 维板加 固钢筋混 凝土梁 的试 验 研究 D I 天津 ： 天津大学 。 2 0 0 9 【 4 卓静 ， 杨宏 预应力 碳纤 维板加 固钢筋混凝土 T形梁的试 验研 究 J 建筑结构， 2 0 1 3 ， 4 3 ： 1 4 2 0 1 4 2 4 【 5 G a r d e n ， H N ， H o l l a w a y ， L A n E x p e ri me n t a l S t u d y o f t h e S t r e n g t h e n i n g o f Re i n f o r c e d C o n c r e t e b e a ms u s i n g P r e s t r e s s e d C a r b o n C o mp o s i t e P l a t e s【 J 1 I n P r o c o f t h e 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ex t e n d i n g t h e L i f e o f B ri d g e s ，C i v i l+ B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， L o n d o n ， 1 9 9 7 ： 1 9 1 1 9 9 【 6 】 邓 朗妮， 张 鹏， 燕柳斌， 等 预 应力碳纤维 板加 固钢 筋混凝 土梁施工工艺及试验研究 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 1 7 - 1 1 9 收 稿 日期 ： 2 01 5 0 7 2 1 作者简介 ： 郭蓉( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 博士 、 副教授。 通讯地址 ： 天津市北辰区河北工业大学土木工 程学 院 联 系 电话 ： 1 3 9 2 0 1 1 6 6 9 8 E - ma i l ：t j y g r 1 2 6 c o rn 一 6 9