碳纤维布加固石梁抗弯性能试验研究

碳纤维布加固石梁抗弯性能试验研究

碳材料在加固和保护石质建筑方面得到了广泛应用，并取得了良好的效果。但这些应用都是借鉴其他加固工程的经验,并未系统地对碳纤维材料加固石质古建筑的效果进行试验和论证。因此,对碳纤维材料加固石质古建筑进行试验和理论研究是非常必要的。1试验方法和过程1.1碳纤维布材料采用的石材材料为砂岩,各试件是由同一块石材切割而成。经检测其弹性模量为0.72×105MPa,抗折强度为20.5MPa,抗压强度为236.2MPa,比重为23.5kNm3。碳纤维布选用UCP-200,UCP-300型及其配套使用的环氧树脂胶接材料GEL600,材料性能见表1。将原石材切割成850×150×70大小的6根石梁,其中试件DB-1,DB-2为未加固对比梁,试件CF-B-1,CF-B-2,CF-B-3,CF-B-4为加固石梁,加固方式见图1和表2。1.2加载设备荷载由千斤顶通过分配梁两点集中加载,加载量通过传感器显示的荷载值控制,采用分级加载,初始荷载为1kN,每级增加荷载1kN,直至破坏。1.3碳纤维布用量对石梁破坏时挠度的影响未加固石梁和加固石梁的加载过程差异较大。未加固石梁在破坏前均没有观察到裂缝出现,达到极限荷载时,在纯弯曲段出现一条贯通垂直裂缝,石梁断成两半,破坏时挠度较小。加固石梁都是首先在纯弯曲段出现垂直裂缝,然后在弯剪段出现斜裂缝,斜裂缝发展迅速,最后因抗剪承载力不足发生斜拉破坏,破坏时挠度较大。从试验过程中还可以看出,随着碳纤维布用量的增加,裂缝出现时间越晚,发展也越缓慢。试验结果见表3。2理论分析2.1材料的极限拉应变对石材进行了一组弯曲试验,在加载过程中其跨中应变始终保持线弹性,其应力-应变关系是一条斜直线,极限压应力为σsu,与其相应的极限应变取断裂前两组试件中应变的较小值εsu=0.003。对碳纤维片材进行了三组材性试验,加载过程中其应变为线性变化,只是在断裂前出现极小量的非线性应变,故可认为是线弹性材料,达到极限拉应变之前,应力取其应变与弹性模量的乘积,一旦达到极限拉应变即认为破坏、退出工作。试验所用碳纤维布UCP-200,UCP-300的极限拉应变均不小于0.015,若取极限拉应变的三分之二为极限状态,即可具有较高的可靠度;另外,在《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)(简称混凝土规范)中,为防止过大的塑性变形,规定受拉钢筋的拉应变不应超过0.01,故对碳纤维片材的允许拉应变可取极限拉应变的三分之二与0.01两者中的较小值。取0.01为碳纤维片材的极限拉应变。文中取碳纤维片材的极限抗拉强度为3400MPa,屈服强度σcfy=2720MPa(取极限拉应变的80%),屈服应变εcfy=0.008。2.2碳纤维片材应力-应变关系由于没有石质结构设计规范,文中使用的计算原理和部分规定均参照混凝土规范,做出以下基本假定:1)石梁受弯以后,截面上石材、碳纤维片材的变形规律符合平截面假定;2)碳纤维片材的应力-应变自始至终均保持为线弹性关系;3)受拉区石材的抗拉强度忽略不计;4)由于一般外贴的碳纤维片材较薄,可以认为碳纤维片材中心离梁顶的距离与梁高相等,碳纤维的厚度可以忽略不计。2.3定石梁截面石材为完全弹性材料,抗弯强度由石材的抗拉强度决定。假定石梁截面宽度为b,高度为h,截面应力如图2所示。由图可知,石梁破坏时合拉力等于合压力,其值为:合力中心到中和轴的距离为2h3,故未加固石梁的抗弯极限承载力为:2.4碳纤维截面应力分布粘贴适量的碳纤维片材后,碳纤维石梁发生适筋破坏,破坏始于碳纤维的屈服。加固后的石梁破坏时,假定受压区上边缘石材纤维已达到其极限压应变εcu,截面应力分布为三角形,拉力全部由碳纤维承担。仍以宽度为b,高度为h的矩形截面石梁为例,碳纤维片材用量为As,其截面应力分布如图3所示。考虑粘贴层数对工作效率的降低,在实际工程中采用多层粘贴方式时对强度进行折减,单层粘贴时不折减,多层粘贴时,碳纤维片材的抗拉极限强度和屈服强度均乘以折减系数k:式中:ncf为碳纤维片材的层数;Ecf为碳纤维片材的弹性模量;tcf为每层厚度。设截面受压区高度为x,由水平向合力为零可知:合力距受压区上边缘的距离为:故碳纤维加固后石梁的抗弯极限承载力为:2.5各梁相抗弯承载力公式利用式(3)对试验石梁的抗弯承载力进行了计算,计算结果与实测结果的比较如表4所示。可以看出,各梁相对误差较小,吻合较好,说明抗弯承载力公式是可行的。在古建筑保护中,对结构和构件的变形有严格的要求,更要严格避免裂缝,因此应用文中提出的承载力公式来计算加固后石梁的抗弯承载力虽然比较保守,但是对于有特殊要求的古建筑保护计算是可行的。3碳纤维对石梁变形性能的影响(1)碳纤维延缓了石梁的受拉脆性破坏,使其抗弯承载力得到了显著提高,极限抗弯承载力随碳纤维布用量的增加而增加,但并不与碳纤维布的用量成正比。(2)碳纤维约束了石梁的裂缝发展,使加固后石梁的变形性能得到极大改善,变形