基于预应力原理的反拱法碳纤维布材加固梁构件试验研究

基于预应力原理的反拱法碳纤维布材加固梁构件试验研究

0预应力技术应用由于加固施工中水流不足，采用碳布加固混凝土的弯曲结构通常会出现cfrp，当结构中原的钢筋发射力减弱时，cfrp的应力减弱，导致“二次力学”。由于这种滞后，cfrp无法充分发挥其强度，加固结构失败。因此，有必要采取有效措施，使结构构件在加固前充分卸载，消除构件的残余变形及受力钢筋的残余应力，并尽量使加固材料提前受力。采用预应力技术加固受弯构件是解决上述问题的一条有效途径，通过对碳纤维布施加预应力加固梁构件可比传统加固方式提高构件开裂荷载约1.5～3倍，变形量减少1/2～2/3，可提高加固材料强度利用率50%以上。说明利用碳纤维布加固钢筋混凝土梁时，通过施加预应力可使碳纤维在构件承受荷载之前就已经发挥相当的强度，既有效地利用了碳纤维材料的高强度，又能抑制构件的变形和裂缝的发展，避免了传统加固工艺中碳纤维材料强度利用率不高、加固后构件变形开裂较大的缺点。以上研究中施加预应力的方法都是通过一定的张拉装置在粘贴前对碳纤维布进行预张拉，然后进行粘贴，并须保持张拉力72h以上，在实际现场操作中存在一定的技术难度。本文提出一种反拱加固的施工工艺，并进行了3根受弯构件的试验研究。1反弧法加固受弯零件的原理1.1梁底安装cfrp所谓反拱法，是在对梁体加固之前，利用顶托装置对构件进行向上顶托并使梁段产生向上的反向挠度，此时梁体内原有荷载效应被完全卸除，并在梁的下缘受拉区产生压缩变形，有利于闭合裂缝和消除残余应力，然后采用传统的施工方式在梁底粘贴CFRP后拆除顶托装置(图1)。这样，当加固后的梁体再次承受使用荷载时，CFRP将对梁体下缘受拉区产生预压应力，达到提高梁体刚度并有效利用CFRP强度的作用。1.2响应分析结果设混凝土梁在加固前后截面变形始终满足平截面假定，梁体在反拱过程中始终处于弹性变形状态，若不考虑钢筋对其刚度的影响将其视为均质弹性体，中性轴位置可近似取截面形心位置(矩形截面梁为h/2处，h为梁高)。对于纯弯梁，当梁上缘由于起拱产生接近开裂的拉应变(100～150με)时，梁下缘将相应产生100～150με的压应变。此时粘贴CFRP，待卸除反拱时，将产生σ=εE=(100～150)×10-6×230×103=23～34.5MPa的预压应力。2反弧法加固计算方法2.1碳纤维与混凝土梁相粘结1)平截面假定，反拱加固前后截面变形符合平截面假定;2)变形协调，碳纤维与混凝土梁充分粘结，变形协调，无相对滑移;3)混凝土和钢筋的应力-应变关系曲线采用《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)规定，碳纤维为理想的线弹性材料。2.2混凝土受弯构件对加固梁体进行反向起拱，其上限值应不得使梁体上缘受压区由于起拱而受拉开裂。文根据平截面假定、材料应力-应变关系和静力平衡条件导出混凝土受弯构件正截面抗裂弯矩计算公式，并与试验结果对比，符合良好。其单筋矩形截面开裂弯矩计算公式为:式中:ξc为中和轴高度系数;ft为混凝土抗拉设计强度;b为截面宽度;h为截面高度;σs为受拉钢筋应力;ρ为受拉钢筋配筋率;a为受拉钢筋重心至受拉区边缘的距离。在对加固梁体进行反向起拱时，应根据顶托装置的位置、数量及梁体支座约束情况确定计算简图，并控制截面反向最大弯矩不得超过截面开裂弯矩。3模型试验3.1试件结构及养护设计了3根混凝土矩形截面梁试件，其中L-1为未加固对比梁，L-2为传统方法CFRP加固梁，L-3为反拱法CFRP加固梁。试件跨度均为1400mm，截面尺寸为110mm×180mm。梁的上下缘分别配置2φ10钢筋，箍筋采用φ6@120。采用C30微粒混凝土。养护28d以后，用回弹仪测其强度，回弹的过程应满足《回弹法检测混凝土强度试验规范》(JGJ/T23—2001)的规定。碳纤维材料厚度为0.167mm，弹性模量Ecp为2.46×105MPa，极限抗拉强度为3500MPa。3.2加载装置及加载制度试验梁加载采用三分点对称加载，简支，梁试验长度1200mm，纯弯段长度600mm。试验按《混凝土结构试验方法标准》(GB50152—92)要求进行。加载装置见图2。加载采用位移控制法分级加载，每级荷载按照0.01mm/min的位移递增，由于试验设备的限制无法做卸载回弹测量。每一级加载后在0.5h内10,20,30min测读一次数据，施加下一级荷载的稳定标准是在每级荷载作用下桩的位移量在10min内小于0.01mm，终止加载条件为本级荷载作用下的位移大于前一级荷载下位移的5倍，或其他因设备条件无法满足的情况。4试验结果及分析4.1梁l-1破坏模式碳纤维加固钢筋混凝土梁破坏的方式主要有:1)界限破坏:混凝土压碎的同时CFRP被拉断;2)受拉破坏:CFRP被拉坏，但混凝土没有压碎;3)受压破坏:混凝土压碎，但CFRP没有被拉断;4)剥离破坏:混凝土和CFRP破坏之前，CFRP与混凝土基层剥离;5)剪切破坏。其中4)，5)为脆性破坏，也是工程中要尽量避免的破坏方式，可采用构造措施，如加设U形箍等方式来防止这类破坏的发生，提高结构的安全性。本次试验中，未加固梁L-1破坏模式为正常的受弯破坏，在纯弯段内，裂缝均匀分布，且跨中附近的主裂缝上下贯穿。梁L-2为受压破坏，破坏时粘贴在底部的碳纤维布尚未达到极限拉应变，而受压区的混凝土被压碎。梁L-3为界限破坏，受拉区CFRP局部被拉断，而同时压区边缘的混凝土也被压碎，说明碳纤维材料的强度得到了充分的发挥。4.2梁l-3的开裂压变化试验加载程序为30kN之前荷载等级取10kN,30kN之后取5kN。测得各试件荷载情况见表1。从表中可以看出，未加固梁L-1的开裂荷载与极限荷载较低。梁L-2的开裂荷载和极限荷载分别比梁L-1增加了14,19kN，提高了42.4%和35.2%。梁L-3的开裂荷载和极限荷载最大，分别比梁L-1增加了31,28kN，提高了93.9%和51.9%;分别比梁L-2增加了17,9kN，提高了36.2%和9.7%。反拱法粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁的开裂荷载和极限荷载都比传统粘贴碳纤维布加固的梁有提高，主要是因为反拱后卸掉荷载，此时梁本身会给CFRP施加力使其在试验梁还没有承载时就进入受拉状态，相当于给CFRP施加了预应力，充分发挥了其高强抗拉的特征，提高了加固梁的极限承载能力。4.3荷载与挠度分析各试件在1/4跨及1/2跨位置处的荷载-挠度曲线见图3。如图3(a)所示，在1/2跨处，梁L-1～L-3在极限荷载下的挠度分别为14.22,12.77,9.68mm。梁L-2破坏时的挠度比梁L-1减小了1.45mm，挠度降低幅度约为10.2%;而梁L-3破坏时的挠度最小，比梁L-1减小了4.54mm，比梁L-2减小了3.09mm，分别减小了31.9%和24.2%。梁L-1在荷载初期，荷载与挠度呈线性关系增长;加载至20kN时，相应纯弯段荷载与挠度关系曲线出现第一次转折;加载至45kN左右，挠度增加明显加快，荷载与挠度关系曲线出现第二次转折，此时钢筋已经屈服，构件还能继续承担一定的荷载，但很小的荷载增量就会引起很大的竖向变形;加载至54kN时，跨中临界竖向裂缝接近贯通受压区，此时的受压区高度已相当小，受压区混凝土压酥，构件丧失承载力。此时的变形已非常明显，挠度为14.22mm。梁L-2在荷载初期与L-1类似，荷载与挠度呈线性关系增长，粘贴的CFRP尚未承受荷载;加载至25kN时，相应纯弯段荷载与挠度关系曲线出现第一个拐点，曲线变缓，此时CFRP参与受力;加载至60kN左右时，挠度增加明显加快，荷载与挠度关系曲线出现第二个拐点;加载至70kN时，挠度急剧增加，此时钢筋已经屈服，构件还能继续承担较小的荷载增量，但会引起很大的竖向变形;加载至73kN时，跨中竖向裂缝贯通，挠度为12.77mm。梁L-3在荷载初期，荷载与挠度呈线性关系增长，但增长较另两根梁缓慢，是因为反拱后混凝土梁内部产生预压应力提高了梁的刚度;加载至65kN左右时，相应纯弯段荷载与挠度关系曲线出现第一个拐点，曲线变陡;加载至80kN左右时，挠度增加明显加快，此时钢筋已经屈服，CFRP接近强度极限，但构件还能继续承担荷载;荷载施加到82kN时，跨中竖向裂缝贯通，此时挠度最大，为9.68mm。4.4梁l变达到最试验梁底部混凝土应变数据见表2。从表中可以看出，在达到试验梁极限荷载时，梁底跨中位置混凝土的应变达到最大，梁L-1～L-3分别为9879.47,7982.18,7217.45μ。同时对比反拱加固梁和未加固梁以及常规加固梁的荷载对应变的影响可知，初期影响并不大，但当应变超过4000μ以后，反拱加固梁的预应力效应较为明显，CFRP分担了更多的荷载，并显著提高了梁的开裂后刚度。5反拱挠度对混凝土梁预应力的影响(1)采用反拱法加固混凝土受弯构件，可以有效卸除原结构的荷载，有效避免传统CFR