预应力碳纤维布张拉技术研究

预应力碳纤维布张拉技术研究

0碳纤维布的加固工艺为了克服直接应用碳布一方面加固的弊端，无法提高梁体弯曲的刚性，人们开始关注碳布加固的研究，并充分考虑了其高度张力的特点。但受制于碳纤维布各向异性的力学特点,必须研制专门的碳纤维布张拉设备,设备安装和施工操作不方便,这就限制了直接张拉碳纤维布在实际加固工程中的推广应力。另一方面,脆性破坏特性使得直接张拉碳纤维布加固梁体的延性大幅降低,增加了桥梁在过载情况下突然断裂的风险。针对上述问题,人们开始研究利用反拱法使碳纤维布获得预应力的加固方法。欧阳丽芳等针对25m箱梁和预应力混凝土工字梁,利用有限元方法分析了反拱法预应力碳纤维薄板的加固效果;赵启林等介绍了碳纤维加固钢结构的反拱预应力技术。使待加固梁体产生反拱有多种方法,如利用体外预应力钢筋作用于梁体原来的受拉区,产生一定的反拱。此时再粘贴碳纤维布,待胶粘剂固化后,卸去体外预应力释放反拱,从而使得碳纤维布获得一定的预应力。本文就以该方法进行普通钢筋混凝土梁的室内加固试验。试验结果表明,该方法可有效提高加固梁的刚度,抑制裂缝的发展,极大地改善了梁体的使用性能。1钢筋混凝土梁的张拉为进行对比分析,试验采用3根矩形截面试验梁,具体情况如表1所示。试验梁按照统一标准制作,设计混凝土抗压强度标准值为35MPa(即C35混凝土)。试件采用同一尺寸,截面尺寸为b×h=230mm×350mm,梁全长3200mm,净跨径L=3000mm,剪弯段长1000mm,纯弯段长1000mm。纵向主拉钢筋采用3φ25的HRB335钢筋,纵向钢筋配筋率p=2.1%。架立筋为2φ10的HRB335钢筋,箍筋按规范构造要求在沿试件长度方向上配置22φ8的HRB335钢筋,具体参数如图1所示。利用体外预应力筋作为辅助手段实现碳纤维布的张拉,其主要步骤为:张拉体外预应力筋→放设施工线→基层打磨、清洗→刷抹底层涂料→填补缺陷找平→粘贴碳纤维布→养护→放张体外预应力,如图2所示。此后,碳纤维布将和原钢筋混凝土梁共同进入工作状态。试验中加固所用的碳纤维布规格如表2所示。2静载试验的结果试验梁为简支梁,加载采用三分点对称加载,依据《混凝土结构试验方法标准》进行静力加载试验,详细分析预应力碳纤维布加固普通钢筋混凝土梁的力学性能和极限承载能力。静载试验的加载装置如图3b所示。试验过程中测量了荷载作用下的梁体挠度和裂缝(测点布置如图3a),藉此评价加固效果。加载采用荷载控制加载,加载速率为0.01mm/min,终止加载条件为本级荷载作用下的位移量大于前一级荷载作用下的位移量的5倍,或者碳纤维布断裂,或者混凝土被压碎,加载即可终止。3试验结果与分析3.1cfrp剥离破坏JD—1试验梁在试验过程中,表现出了较为明显的适筋梁破坏特征。即荷载较小时,挠度随着荷载F的不断增大而增大,基本成比例;当荷载F≈40kN时,试件纯弯段下缘混凝土出现第一批竖向裂缝;当F≈240kN时,裂缝急剧开展,挠度急剧增大,裂缝几乎贯穿整个梁高;当F≈300kN时,试验梁跨中上缘混凝土被压碎,不能继续承担荷载而破坏,见图4a。JD-2试验梁在荷载F达到120kN之前,加固构件的挠度与JD-1试验梁的增长比例接近;当荷载超过120kN后,加固构件挠度和裂缝增长较JD-2试验梁缓慢;荷载F超过240kN后,裂缝急剧开展,挠度急剧增大。在外荷载F达到290kN时,CFRP布边缘出现轻微翘起,持荷过程中继续缓慢发展,最终CFRP剥离破坏,如图4b所示。JD-3试验梁在外荷载F达到390kN之前,跨中应变和挠度随着外荷载F的不断增大而线性增大,裂缝发展缓慢,CFRP与梁体之间无破坏现象,粘贴良好。外荷载F达到390kN以后,应变和挠度增长趋势加快。荷载F加至450kN时突然一声巨响,整幅CFRP在接近1/3处断裂,如图4c所示。3.2外荷载p的影响图5给出了试验梁JD-3所粘贴碳纤维布的应力随试验过程的变化情况。在本文的加固试验中,碳纤维布所获得的预应力为125MPa。在直接张拉碳纤维布对梁体加固的研究中,碳纤维布的张拉应力一般在800MPa以上,因此本文的加固方法也称为“低预应力碳纤维布加固法”。在本文的加载初期,碳纤维布的拉应变随着外荷载F的增大而线性增加。当外荷载F达到390kN以后,碳纤维布的应变增速明显加快,直至拉断。图6是3根试验梁的跨中挠度随外荷载P的变化情况。当荷载F小于120kN时,挠度随着F的增大而线性增加。当荷载F大于120kN后,3根试验梁跨中挠度的增加速度开始有所区别,未加固的JD-1试验梁的挠度增长最快,预裂后直接粘贴碳纤维布加固后的JD-2试验梁的挠度增长较JD-1缓慢,而利用预应力碳纤维布加固后的JD-3试验梁的挠度增加最慢。图7是3根试验梁的跨中附近截面的裂缝随外荷载P的变化情况。当荷载F超过220kN以后,JD-1试验梁的裂缝急剧开展,几乎贯穿整个梁高,该梁彻底丧失承载能力。在荷载F大于220kN后,JD-2试验梁裂缝急剧开展;当外荷载达到290kN时,裂缝最大宽度为1.20mm,此时碳纤维布剥离,试验梁丧失承载能力。在整个加载过程中,预应力碳纤维布对加固试验梁JD-3的裂缝开展起到了很好的抑制作用,大幅提高了梁体的开裂荷载。当荷载小于120kN时,JD-3试验梁的裂缝几乎不发展。当荷载F位于120kN到400kN之间时,裂缝发展的十分缓慢。当荷载超过400kN以后,裂缝才开始急剧增长,直至构件破坏。同时,由图5~图7可以看出,低预应力碳纤维布加固的JD-3试验梁的极限荷载是未加固试验梁JD-1的1.73倍,是直接粘贴碳纤维布普通加固JD-2试验梁的1.55倍。当外荷载F为200kN时,JD-3试验梁的跨中挠度是JD-1的75%,同时JD-3试验梁跨中截面附近的最大裂缝宽度是JD-1的52%。4碳纤维布与压应力钢加固梁体的对比本文通过室内试验研究了利用体外预应力筋使梁体产生反拱从而实现预应力碳纤维布加固方法的有效性。试验结果表明:a)利用体外预应力筋使梁体产生反拱从而实现预应力碳纤维布加固试验梁的极限承载力可提高70%以上。b)该加固方法能显著提高加固梁体的开裂荷载。相比直接粘贴碳纤维布的加固梁体,加载前期裂缝几乎不发展,梁体破坏时的裂缝宽度大幅缩小。c)该加固方法能显著提高加固梁体的刚度。相比直