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_百

1、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王滋军刘伟庆(南京工业大学南京210009姚秋来(中国建筑科学研究院北京100013戴运祥(深圳市南山区建设局深圳518052摘要:对17根考虑二次受力的碳纤维加固钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验,考虑纵向钢筋的配筋率、碳纤维数量以及加固时的应力水平对加固效果的影响。试验研究表明,碳纤维具有良好的加固效果,第一阶段应力的存在会使加固效果降低,配筋率、碳纤维加固量等对碳纤维的应变影响较大。关键词:碳纤维布混凝土梁加固二次受力EXPERIMENTA L RESEARCH ON THE F LEXURA L BEHAVIOR OF RC BEAMS

2、STRENGTHENE D B Y CARBON FIBER SHEET UN DER QUADRATIC LOADINGWang Z ijun Liu Weiqing(Nanjing University of T echnology Nanjing 210009Y ao Qiulai(China Academy of Building Research Beijing 100013Dai Y unxiang(Shenzhen C onstruction Department of Nanshan Area Shenzhen 518052Abstract :Experimental rese

3、arch on the flexural behavior of 17RC beams strengthened by carbon fiber sheet (CFS under quadratic loading has been carried out.The experimental researches considered that how the rein forcement ratio of the longitudinal rein forcing bar ,the quantity of carbon fiber sheet as well as stress level o

4、f the beam in fluence the CFS strengthening effect.T est research showed that the carbon fiber sheet has g ood strengthening performance ,the stress at first stage can reduce the strengthening effect ,and the rein forcement ratio and the CFS quantity have greater in fluence on the strain of CFS.K ey

5、w ords :carbon fiber sheet concrete beam strengthen quadratic loading第一作者:王滋军男1970年7月出生博士副教授收稿日期:2003-12-20目前,国内外虽然已对碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了大量的试验研究,但对其研究主要侧重于“一次受力”,即直接对未受荷的钢筋混凝土梁进行加固后,再对其进行加载直至破坏。然而,上述试验工况与实际工程中需加固的钢筋混凝土梁存在着差异。实际工程中只有梁的抗弯承载力不足或已发生部分破坏才需要加固,因此加固时构件仍需继续承担部分或全部荷载,梁在此种状态下属于“二次受力”。本文在选择合理锚固

6、方式的前提下,研究考虑二次受力的碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能。重点考虑了纵向钢筋的配筋率、碳纤维数量以及加固时的应力水平对加固效果的影响。1试验研究111试件设计试件采用矩形截面简支梁:b ×h =150mm ×300mm ;跨度l =3300mm ,净跨l n =3000mm ;混凝土C30,钢筋保护层厚度25mm ;纵向受拉钢筋(级采用3种配筋率:s =0156%(2<-12、0184%(3<-12、1115%(3<-14;架立筋2<6(级;受剪区箍筋<880,纯弯段箍筋<6200。抗弯试件编号如表1所列。试件编号中“A ”、“B

7、”、“C ”分别表示配筋率s =0156%、0184%、1115%;中间一位数字表示碳纤维层数,“1”表示1层,“2”表示2层;最后一位数字表示加固时的应力水平(即加固时梁的弯矩与未加固的该类梁的极限弯矩的百分比,“0”、“3”、“5”、“7”分别表示应力水平为0、30%、50%、70%。表中M uA0为试件W A00的极限弯矩;M uB0为试件W B00的极限弯矩;M uC 0为试件WC00的极限弯矩(表1。试件的制作和试验均在南京工业大学土木工程学院结构试验室进行。试件采用木模分批浇筑,自然养护,当混凝土达到龄期后进行试验。考虑二次受力的碳纤维加固梁首58Industrial C onst

8、ruction V ol 134,No 17,2004工业建筑2004年第34卷第7期先在试件上施加初始弯矩,然后采用碳纤维布进行加固。加固的具体步骤如下:1在试件上要粘贴碳纤维布的部位采用砂轮机打磨清理混凝土表面,要求表面平整并有一定的粗糙度;2用洁净的自来水冲刷试件表面,使之无浮尘;3待试件完全干燥后涂刷底胶;4粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布1周后,待环氧树脂基本完全固化后再进行试验。试件制作时预留混凝土试块及钢筋,试验进行前在结构试验室进行材料性能试验。碳纤维的性能试验委托南京玻璃纤维研究所进行测试。各种材料性能指标略。表1抗弯试件编号序号编号纵向受拉钢筋主筋配筋率s%碳纤维层数应力水平1W

9、 A002<-120156002W A202<-120156203W A232<-120156230%M uA0 4W A252<-120156250%M uA0 5W A272<-120156270%M uA0 6W B003<-120184007W B103<-120184108W B133<-120184130%M uB0 9W B153<-120184150%M uB0 10W B173<-120184170%M uB0 11W B203<-1201842012W B233<-120184230%M u B0 13

10、W B253<-120184250%M u B0 14W B273<-120184270%M u B0 15WC003<-1411150016WC103<-1411151017WC173<-141115170%M uC0 112试验方案试验梁采用三分点加荷,加载装置示意如图1所示。为了使碳纤维加固时荷载保持恒定,采用杠杆进行加载。加荷采用分级加载制,加23级荷载至开裂,每级荷载为3 5kN。开裂后每级荷载为预估极限荷载的10%左右,每级荷载施加后稳定10min再测量有关数据。当荷载达到第一阶段受力的要求后,进行碳纤维加固,待环氧树脂基本完全固化后(约7d左右再接着

11、施加第2阶段荷载,直至试件破坏。试验中主要测量试件跨中挠度、混凝土应变、碳纤维应变、纵向受拉钢筋应变、裂缝宽度等,测点布置如图1所示 。1-150mm宽U形碳纤维条带;2-应变片;3-纵向受拉碳纤维布;4-位移计图1试验加载装置及测点布置示意113试验结果及其分析各试件的开裂弯矩和极限弯矩列于表2中。从表2可以看出,未采用加固的钢筋混凝土梁(W A00、W B00和WC00其受力过程及破坏形态均具有适筋梁的特征。采用碳纤维加固的钢筋混凝土梁的破坏形态大致可以分为3种:第1种是纵向碳纤维被拉断;第2种是受压区混凝土被压碎;第3种是纵向碳纤维与混凝土之间发生剥离。本次试验碳纤维加固钢筋混凝土梁的破

12、坏形态主要是前两种,并且承载力也较高,而第3种破坏形态则很少,发生剥离破坏时碳纤维中的应力水平还比较低,对梁的承载力提高效果相对较低并且碳纤维的利用率也较低,所以要在施工中严格管理,确保施工质量,避免发生碳纤维与混凝土之间的大剥离。表2主要试验结果对比试件编号破坏形态M1f c,k bh0开裂弯矩极限弯矩M cr(kNmM crf c,k bh0提高%M u(kNmM uf c,k bh0提高%68工业建筑2004年第34卷第7期 从总体来看,碳纤维的加固效果,除W B25发生碳纤维与混凝土之间剥离的情况以外,碳纤维加固的试件较未加固的试件极限承载力提高的幅度在40%以上,提高的幅度较大,所以

13、采用碳纤维加固钢筋混凝土梁是一种较为理想的加固方式。初始应力对碳纤维加固效果的影响,从承载力的角度来看影响不是太明显,总体来看,由于初始应力的存在使得碳纤维的加固效果要比无初始应力的情况低一些。部分试件的弯矩-挠度关系如图2所示。由上述试件的弯矩-挠度关系对比可以发现,经碳纤维加固后,梁的刚度有所增大,而延性相对有些降低,但是总体来说,经碳纤维加固的梁还是具有较好的延性并且其延性有随初始弯矩M 1增大的趋势。 图2W A 、W B1、W B2、WC 试件的弯矩-挠度关系部分试件实测截面应变分布如图3所示。由图3可见,二次受力的试件其第一阶段钢筋、混凝土应变以及第二阶段碳纤维、钢筋和混凝土应变增

14、量沿截面高度分布也近似符合平截面假定。在弯矩作用下,部分试件钢筋和碳纤维的应变变化情况如图4、图5所示。由图4可以发现,试件的屈服弯矩与配筋率有密切的关系,配筋率高的试件,其屈服弯矩也高。不同配筋率的试件在试件开裂之后,钢筋屈服前,碳纤维加固量相同的试件其碳纤维的应变增长速率基本相近;钢筋屈服之后,碳纤维加固量相同的试件其碳纤维的应变增长速率也基本相同。由图5可以看出,相同配筋率的试件在钢筋达到屈服之a -第一阶段;b -第二阶段图3W B25实测截面应变分布图4碳纤维应变比较图5碳纤维加固量对碳纤维应变影响的比较前,碳纤维加固量对碳纤维应变增长速率的影响不大;当钢筋达到屈服之后,碳纤维加固量对碳纤维应变增长速率的影响较