混凝土结构加固技术碳纤维布加固钢筋混凝土T梁的试验研究43

报告内容◘混凝土结构的加固技术

1.混凝土结构加固的意义

2.混凝土结构加固方法

◘◘碳纤维布加固钢筋混凝土T梁的试验研究一.混凝土结构的加固技术

◘1.混凝土结构加固的意义1.1我国建国后修建的大批房屋已接近甚至超过设计基准期,而且由于以往的研究工作对结构耐久性重视不够,使许多建筑虽属中年,却已未老先衰。有些结构的主要构件,在其正常使用年限内,由于改建、扩建、用途变更,结构的损伤老化、钢筋的腐化侵蚀以及设计与施工上的缺陷等原因,造成结构不能满足功能要求,必须对其采取有效措施,对结构进行修复加固。类似的情况同样存在于道路桥梁等工程中,随着交通事业的飞速发展,在我国现有公路桥梁中有相当一部分由于当时设计荷载标准低,难以满足目前重交通的需求。如将这些桥梁全部拆除新建,不仅时间上不允许,而且耗资较大。采取有效的加固措施,提高其承载能力与延长使用年限,使其满足交通量增长的需求,必将给国家带来显著的经济效益和社会效益。1.2一般在下列情况对建筑结构进行鉴定和加固:1)由于使用不当,年久失修,结构有损伤破坏等不能满足使用要求或安全度不足时,要进行鉴定加固.2)由于设计和施工中发生差错引起工程质量事故时,对原结构要进行鉴定和加固.3)由于灾害性事件的影响结构产生开裂和破坏时,需要对原结构进行鉴定和加固.4)对一些有历史性建筑和有纪念意义的建筑进行鉴定和加固5)当对建筑物进行改建，扩建和加层时，需对原结构进行鉴定和加固．◘２.混凝土结构加固的方法

■

混凝土结构的加固分为直接加固与间接加固两类，设计时可根据实际条件和使用要求选择适宜的方法和配套的技术．

◘直接加固的一般方法有：1、加大截面加固法该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验；适用于梁、板、柱、墙和一般构造物的混凝土的加固；但现场施工的湿作业时间长，对生产和生活有一定的影响，且加固后的建筑物净空有一定的减小。2、置换混凝土加固法该法的优点与加大截面法相近，且加固后不影响建筑物的净空，但同样存在施工的湿作业时间长的缺点；适用于受压区混凝土强度偏低或有严重缺陷的梁、柱等混凝土承重构件的加固。3、有粘结外包型钢加固法该法也称湿式外包钢加固法，受力可靠、施工简便、现场工作量较小，但用钢量较大，且不宜在无防护的情况下用于600C以上高温场所；适用于使用上不允许显著增大原构件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承载能力的混凝土结构加固。4、粘贴钢板加固法该法施工快速、现场无湿作业或仅有抹灰等少量湿作业，对生产和生活影响小，且加固后对原结构外观和原有净空无显著影响，但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平；适用于承受静力作用且处于正常湿度环境中的受弯或受拉构件的加固。5、粘贴纤维增强塑料加固法除具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。◙间接加固的一般方法有：1、预应力加固法该法能降低被加固构件的应力水平，不仅使加固效果好，而且还能较大幅度地提高结构整体承载力，但加固后对原结构外观有一定影响；适用于大跨度或重型结构的加固以及处于高应力、高应变状态下的混凝土构件的加固，但在无防护的情况下，不能用于温度在600C以上环境中，也不宜用于混凝土收缩徐变大的结构。2、增加支承加固法该法简单可靠，但易损害建筑物的原貌和使用功能，并可能减小使用空间；适用于具体条件许可的混凝土结构加加固应用实例框架柱外包钢加固碳纤维布加固（一）粘钢加固混凝土技术特点：

加固机理

粘钢结构胶将处理后的钢板粘贴在需要加固的混凝土构件表面，使钢板与混凝土结构形成一个整体共同受力。

适用范围

正截面受拉区粘钢加固

斜截面受剪区粘钢加固

正截面受压区粘钢加固

负弯矩受拉区粘钢加固

补强功能

抗震加固时，提供更大的侧向位移能力、提高韧性及强度；增加（桥）梁、板、柱抗压、抗剪、抗弯曲能力用于超负载补强；抑止裂缝成长，提高劣化混凝土强度及韧性，延长使用寿命。。

施工便捷两个品种室温固化触变树脂胶可以进行构件外部粘钢加固和湿法外包钢加固，承载快、抗疲劳、抗震动。耐久性优良的抗紫外线及环境老化.（二）碳纤维布加固混凝土碳纤维布图碳纤维增强塑料(CarbonFiberReinforcedPlastics简称CFRP)加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术,它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面,从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。由于碳纤维材料具有质轻、耐腐、高强及施工便利的特点,近几年,在加固领域得到了广泛的应用碳纤维加固混凝土技术特点高强、高效碳纤维拉伸强度超过3550MPa，拉伸弹性模量超过2.35*(10的5次方)MPa，与钢筋的弹性模量相近，适合于混凝土结构的加固修复。

施工便捷碳纤维比重只有钢铁的1/4，厚度小于0.5mm，故可以在基本不增加原结构自重及截面尺寸的状况下，发挥强大的补强效果。补强功能抗震加固时，提供更大的侧向位移能力、提高韧性及强度；增加（桥）梁、板、柱抗压、抗剪、抗弯曲能力用于超负载补强；保护混凝土及钢筋免受处界环境（潮湿、腐蚀性介质）侵蚀；

抑止裂缝成长，提高劣化混凝土强度及韧性，延长使用寿命。耐久性优良的抗紫外线及环境老化。适用范围

可广泛应用于工业与民用建筑的梁、柱、板、墙等构件及铁路公路桥梁、遂道、高架道路、烟囱等构筑物的结构补强和抗震加固。可用于曲及节点等复杂形式的结构加固。预应力碳纤维布加固钢筋混凝土

T形梁的试验研究

摘要:采用自行研发的碳纤维布预应力张拉设备,模拟实际工程情况,通过7根预应力碳纤维布受弯加固梁的受力性能试验研究,比较分析了不同加固量、预应力度、配筋率、二次受力等因素对试验梁受力性能的影响。试验梁为7m跨度的大尺寸T形混凝土梁和预应力混凝土梁。试验研究表明,采用预应力碳纤维布加固可以有效提高混凝土梁的承载力,减小梁的挠度和裂缝宽度,所研发的预应力碳纤维布加固技术可用于实际工程。关键词:碳纤维布混凝土T形梁加固0．引言由于材料劣化、设计标准提高、车辆超载、设计或施工欠缺等因素的影响,目前大量的桥梁结构需要进行维修和加固[1~2]。碳纤维布具有强度高、密度小、抗疲劳、耐腐蚀等优点[1~4],通过粘结材料粘贴在混凝土构件表面,可增强其抗震性能,提高抗剪和抗弯承载力等,目前已在混凝土结构工程加固领域中得到广泛应用[11~12]。其中工程中应用较多的是将碳纤维布粘贴在混凝土梁受拉面来增强其抗弯承载力,但是这种加固方法存在以下问题:1)碳纤维布高强度的特性往往在受拉钢筋屈服后才得到发挥[5~8],虽然对极限受弯承载力有明显的提高效果,但此时梁的挠度变形已很大,不能满足正常使用要求,因此这种极限承载力的提高作用实际上很难获得有效利用。2)由于碳纤维布的加固截面面积不大,对梁的刚度提高作用不显著,不能有效减小梁的挠度变形和裂缝宽度。3)由于碳纤维布和粘贴界面之间的有限粘结作用,最终往往出现碳纤维布的剥离破坏,使碳纤维布的强度不能得到充分发挥,大大降低预期加固效果[5~8]。预应力技术已广泛用于工程结构加固,其原理同样可用于碳纤维布加固混凝土梁。采用预应力碳纤维布加固可以平衡梁的一部分荷载,有效减小混凝土梁的挠度变形,延缓梁开裂,减小裂缝宽度,进一步提高梁的承载力,并可避免剥离破坏[1~4,9]。预应力碳纤维布加固方法在理论上是可行的,且国内外对预应力碳纤维布加固梁已进行了一系列试验研究[1~4,9],加固效果显著。但试验均是在实验室进行,试验规模小,更主要的是这些碳纤维布张拉设备大都无法直接应用于实际工程。本文主要面向实际工程应用,研制开发了碳纤维布预应力张拉设备和施工技术,并模拟实际工程情况进行了7根预应力碳纤维布加固的大型T型混凝土梁和预应力混凝土梁的试验,对不同加固量、预应力度、配筋率、二次受力等因素进行了研究。1．试验概况本次研究共设计了7根试验梁,其中5根为混凝土梁,2根为预应力混凝土梁。试验梁的长度7m,截面尺寸为b×h=250mm×600mm,翼缘=550mm×150mm,混凝土设计强度C30级。普通混凝土梁底部受拉钢筋为3￠22,配筋率为0·80%;预应力混凝土梁底部受拉钢筋为2￠16,预应力筋为2￠12.7高强钢绞线,采用后张有粘结预应力,张拉控制应力为0·75fptk。试验梁截面配筋见图1。为了避免碳纤维布预应力放张时碳纤维布的剥离,沿梁长度方向均匀布置碳纤维布U形箍,多层碳纤维布的加固采用长度递缩的方式。部分试验梁加固方案见图2。加载装置如图3(括号内的数字为CB1梁数据)示意。图1试验梁截面配筋

a-普通梁;b-预应力梁

碳纤维布采用图4所示自行研制的张拉设备进行张拉。该设备具有张拉(可双边张拉)、转向、抬升、保持预拉力等功能,操作简便,张拉效率高,张拉力大小可监控,可直接应用于工程[10]。试验钢筋和碳纤维布的材料性能参数如表1所列,其中碳纤维布的力学性能参数为厂商提供,钢筋力学性能参数为试验实测值。混凝土材料实测参数值见表2。试验梁采用两点集中加载,加载点间距1500mm,试验采用分级连续加载,并实时记录试验全过程各种测量数据。试验主要测量试件纯弯段的混凝土、受拉钢筋和腹板构造钢筋的应变,沿长度方向碳纤维布纵向应变,试件的跨中、支座和加载点下挠度变形,并测量了正常使用阶段裂缝宽度。本次试验主要研究预应力碳纤维布加固混凝土T形梁的效果,研究参数有碳纤维布加固量、预应力度(定义为预拉应力与极限强度比值)、加载历史等。CB1、PB1梁为对比梁,采用普通碳纤维布加固,其他均采用预应力碳纤维布加固。各试验梁参数见表2。本文中的张拉设备,通过测量施加预应力阶段及正常使用阶段预应力损失的情况,详细分析了预应力水平、CFRP布加固梁、端部锚固、混凝土强度等因素对预应力损失的影响,在没有其他不利因素的情况下(比如环境大幅度恶劣变化等),本文的张拉设备张拉的CFRP布的预应力总损失不超过其初始预应力的17%,短期损失不超过14%。2试验结果分析2·1试验过程和试验现象以CB1梁为主简要说明试验过程和试验现象,其他试验梁在加载中的表现与CB1梁类似,只是最后的破坏状态有所区别。CB1梁为普通CFRP布加固钢筋混凝土对比梁,加固量为Acf=110·22mm2(3层T30型)。开始加载时,荷载-应变(CFRP布、混凝土、钢筋)基本呈线性关系增长。加载至22·44kN(指单侧荷载,下同)时,跨中腹部出现裂缝①(相应纯弯段弯矩Mcr为56·10kN·m,该值由M-f关系曲线转折点和混凝土荷载-应变关系转折点综合确定,肉眼观测到裂缝出现时的荷载为24kN)。随着荷载不断增加,陆续出现其他裂缝,并在纯弯段加载点下出现两条主裂缝③、⑤,加载至70kN(相应纯弯段弯矩为178·5kN·m)时,剪弯段出现弯曲裂缝,见图5。荷载继续增加,裂缝宽度和高度不断发展。荷载达到116·7kN(相应纯弯段弯矩My=300kN·m处)时,受拉钢筋屈服,挠度变形显著加快。当荷载加至120kN(相当于纯弯段弯矩306kN·m)时,开始听到梁底有明显的胶层剥离的声音。随着荷载的继续增加,胶层剥离区域扩大,裂缝宽度明显增大,变形迅速发展。最后的破坏在左侧加载点下③号裂缝附近,为梁底CFRP布从混凝土表面的剥离破坏,同时同一位置梁的背侧GFRP布U形箍被梁底CFRP布剥离引起的拉力横向拉断剪坏,部分未剪断部位横向侧移错动1~2cm。破坏时梁顶混凝土未压坏,为典型的受弯剥离破坏,如图6所示。试验梁极限荷载Pu=186·42kN,极限弯矩Mu=475·38kN·m。其他试验梁的破坏照片如图7所示。可以看出,普通CFRP布加固梁(CB1梁和PB1梁)最终均表现为剥离破坏,其中CB1梁剥离破坏时梁底CFRP布应变为11166×10-6;PB1梁剥离破坏时梁底CFRP布应变为13120×10-6,剥离发生的同时伴随着CFRP布局部被拉断。而所有采用预应力CFRP布加固的试验梁,最终梁底CFRP布均被拉断,CFRP布的高强性能得到充分利用。2·2主要试验结果各试验梁试验实测开裂、屈服和极限荷载以及破坏形态列于表3。由表3可以看出,普通碳纤维布加固的对比梁(CB1梁和PB1梁)最终均表现为剥离破坏,而采用预应力碳纤维布加固的试验梁,极限状态均表现为碳纤维布被拉断破坏,碳纤维布的高强性能得到充分利用。由表3还可以看出,与对比梁相比,预应力碳纤维布加固梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有相当程度的提高。其中CB3梁配筋率较大,使得承载力较同组其他梁高。CB4梁开裂荷载为未加固预裂试验实测开裂荷载,与对比梁CB1相比,开裂荷载较低,但是预应力加固后屈服荷载与CB5梁相当,表明二次受力对屈服荷载和极限荷载影响并不很大。但CB4梁的极限弯矩较大,这与极限状态时碳纤维布发挥程度有关。达到极限状态时碳纤维布实测承载力列于表4中,可见CB4梁碳纤维布的实际极限应变(14472×10-6)比CB5梁(12354×10-6)大,这可能与CB5梁碳纤维布预应力张拉导致碳纤维布受力不均匀而使得其名义极限强度降低有关。此外,CB4梁与CB5梁相比,跨中U形箍多了一层,使得CB4梁跨中碳纤维布得到更充分的发挥。第二组试验梁PB1梁、PB2梁的加固量相同,PB2梁与PB1梁相比,开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有大幅度的提高,预应力加固效果非常明显。3结语1)采用预应力碳纤维布加固混凝土梁,碳纤维布的高强度性能能够得到充分发挥和利用,极限承载力提高更为显著。2)预应力碳纤维布加固梁最终破坏均表现为梁底碳纤维布被拉断,避免了剥离破坏的发生。3)与普通碳纤维布加固相比,预应力碳纤维布加固混凝土梁可以延缓开裂,减小试件挠度和裂缝宽度,提高屈服荷载,从而可以满足正常使用极限状态的设计要求。对刚度和裂缝的影响程度与预应力度、加固量、配筋率、构件应力历史有关。4)采用U形碳纤维布箍可避免预应力碳纤维布放张时局部应力集中造成的局部剥离,在碳纤维布U形箍基础上再增加一层玻璃纤维箍,可进一步有效延缓和控制破坏的脆性,并且可使得梁底预应力碳纤维布的应力发展更加均匀,强度得到更充分的发挥。参考文献：[1]LessJM,WinistorferAU,MeierU.ExternalPrestressedCarbonFiber-ReinforcedPolymerStrapsforShearEnhancementofConcrete.JournalofCompositesforConstruction,2002(12)249~265[2]GardenHN,HollawayLC,ThorneAM.TheStrengthingandDeformationBehaviourofReinf