基于預(yù)應(yīng)力原理的反拱法碳纖維布材加固梁構(gòu)件試驗(yàn)研究

基于預(yù)應(yīng)力原理的反拱法碳纖維布材加固梁構(gòu)件試驗(yàn)研究

0預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用由于加固施工中水流不足，采用碳布加固混凝土的彎曲結(jié)構(gòu)通常會(huì)出現(xiàn)cfrp，當(dāng)結(jié)構(gòu)中原的鋼筋發(fā)射力減弱時(shí)，cfrp的應(yīng)力減弱，導(dǎo)致“二次力學(xué)”。由于這種滯后，cfrp無法充分發(fā)揮其強(qiáng)度，加固結(jié)構(gòu)失敗。因此，有必要采取有效措施，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在加固前充分卸載，消除構(gòu)件的殘余變形及受力鋼筋的殘余應(yīng)力，并盡量使加固材料提前受力。采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固受彎構(gòu)件是解決上述問題的一條有效途徑，通過對(duì)碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力加固梁構(gòu)件可比傳統(tǒng)加固方式提高構(gòu)件開裂荷載約1.5～3倍，變形量減少1/2～2/3，可提高加固材料強(qiáng)度利用率50%以上。說明利用碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時(shí)，通過施加預(yù)應(yīng)力可使碳纖維在構(gòu)件承受荷載之前就已經(jīng)發(fā)揮相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，既有效地利用了碳纖維材料的高強(qiáng)度，又能抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展，避免了傳統(tǒng)加固工藝中碳纖維材料強(qiáng)度利用率不高、加固后構(gòu)件變形開裂較大的缺點(diǎn)。以上研究中施加預(yù)應(yīng)力的方法都是通過一定的張拉裝置在粘貼前對(duì)碳纖維布進(jìn)行預(yù)張拉，然后進(jìn)行粘貼，并須保持張拉力72h以上，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作中存在一定的技術(shù)難度。本文提出一種反拱加固的施工工藝，并進(jìn)行了3根受彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究。1反弧法加固受彎零件的原理1.1梁底安裝cfrp所謂反拱法，是在對(duì)梁體加固之前，利用頂托裝置對(duì)構(gòu)件進(jìn)行向上頂托并使梁段產(chǎn)生向上的反向撓度，此時(shí)梁體內(nèi)原有荷載效應(yīng)被完全卸除，并在梁的下緣受拉區(qū)產(chǎn)生壓縮變形，有利于閉合裂縫和消除殘余應(yīng)力，然后采用傳統(tǒng)的施工方式在梁底粘貼CFRP后拆除頂托裝置(圖1)。這樣，當(dāng)加固后的梁體再次承受使用荷載時(shí)，CFRP將對(duì)梁體下緣受拉區(qū)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，達(dá)到提高梁體剛度并有效利用CFRP強(qiáng)度的作用。1.2響應(yīng)分析結(jié)果設(shè)混凝土梁在加固前后截面變形始終滿足平截面假定，梁體在反拱過程中始終處于彈性變形狀態(tài)，若不考慮鋼筋對(duì)其剛度的影響將其視為均質(zhì)彈性體，中性軸位置可近似取截面形心位置(矩形截面梁為h/2處，h為梁高)。對(duì)于純彎梁，當(dāng)梁上緣由于起拱產(chǎn)生接近開裂的拉應(yīng)變(100～150με)時(shí)，梁下緣將相應(yīng)產(chǎn)生100～150με的壓應(yīng)變。此時(shí)粘貼CFRP，待卸除反拱時(shí)，將產(chǎn)生σ=εE=(100～150)×10-6×230×103=23～34.5MPa的預(yù)壓應(yīng)力。2反弧法加固計(jì)算方法2.1碳纖維與混凝土梁相粘結(jié)1)平截面假定，反拱加固前后截面變形符合平截面假定;2)變形協(xié)調(diào)，碳纖維與混凝土梁充分粘結(jié)，變形協(xié)調(diào)，無相對(duì)滑移;3)混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)規(guī)定，碳纖維為理想的線彈性材料。2.2混凝土受彎構(gòu)件對(duì)加固梁體進(jìn)行反向起拱，其上限值應(yīng)不得使梁體上緣受壓區(qū)由于起拱而受拉開裂。文根據(jù)平截面假定、材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和靜力平衡條件導(dǎo)出混凝土受彎構(gòu)件正截面抗裂彎矩計(jì)算公式，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，符合良好。其單筋矩形截面開裂彎矩計(jì)算公式為:式中:ξc為中和軸高度系數(shù);ft為混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度;b為截面寬度;h為截面高度;σs為受拉鋼筋應(yīng)力;ρ為受拉鋼筋配筋率;a為受拉鋼筋重心至受拉區(qū)邊緣的距離。在對(duì)加固梁體進(jìn)行反向起拱時(shí)，應(yīng)根據(jù)頂托裝置的位置、數(shù)量及梁體支座約束情況確定計(jì)算簡(jiǎn)圖，并控制截面反向最大彎矩不得超過截面開裂彎矩。3模型試驗(yàn)3.1試件結(jié)構(gòu)及養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)了3根混凝土矩形截面梁試件，其中L-1為未加固對(duì)比梁，L-2為傳統(tǒng)方法CFRP加固梁，L-3為反拱法CFRP加固梁。試件跨度均為1400mm，截面尺寸為110mm×180mm。梁的上下緣分別配置2φ10鋼筋，箍筋采用φ6@120。采用C30微粒混凝土。養(yǎng)護(hù)28d以后，用回彈儀測(cè)其強(qiáng)度，回彈的過程應(yīng)滿足《回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》(JGJ/T23—2001)的規(guī)定。碳纖維材料厚度為0.167mm，彈性模量Ecp為2.46×105MPa，極限抗拉強(qiáng)度為3500MPa。3.2加載裝置及加載制度試驗(yàn)梁加載采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載，簡(jiǎn)支，梁試驗(yàn)長(zhǎng)度1200mm，純彎段長(zhǎng)度600mm。試驗(yàn)按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—92)要求進(jìn)行。加載裝置見圖2。加載采用位移控制法分級(jí)加載，每級(jí)荷載按照0.01mm/min的位移遞增，由于試驗(yàn)設(shè)備的限制無法做卸載回彈測(cè)量。每一級(jí)加載后在0.5h內(nèi)10,20,30min測(cè)讀一次數(shù)據(jù)，施加下一級(jí)荷載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是在每級(jí)荷載作用下樁的位移量在10min內(nèi)小于0.01mm，終止加載條件為本級(jí)荷載作用下的位移大于前一級(jí)荷載下位移的5倍，或其他因設(shè)備條件無法滿足的情況。4試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1梁l-1破壞模式碳纖維加固鋼筋混凝土梁破壞的方式主要有:1)界限破壞:混凝土壓碎的同時(shí)CFRP被拉斷;2)受拉破壞:CFRP被拉壞，但混凝土沒有壓碎;3)受壓破壞:混凝土壓碎，但CFRP沒有被拉斷;4)剝離破壞:混凝土和CFRP破壞之前，CFRP與混凝土基層剝離;5)剪切破壞。其中4)，5)為脆性破壞，也是工程中要盡量避免的破壞方式，可采用構(gòu)造措施，如加設(shè)U形箍等方式來防止這類破壞的發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)的安全性。本次試驗(yàn)中，未加固梁L-1破壞模式為正常的受彎破壞，在純彎段內(nèi)，裂縫均勻分布，且跨中附近的主裂縫上下貫穿。梁L-2為受壓破壞，破壞時(shí)粘貼在底部的碳纖維布尚未達(dá)到極限拉應(yīng)變，而受壓區(qū)的混凝土被壓碎。梁L-3為界限破壞，受拉區(qū)CFRP局部被拉斷，而同時(shí)壓區(qū)邊緣的混凝土也被壓碎，說明碳纖維材料的強(qiáng)度得到了充分的發(fā)揮。4.2梁l-3的開裂壓變化試驗(yàn)加載程序?yàn)?0kN之前荷載等級(jí)取10kN,30kN之后取5kN。測(cè)得各試件荷載情況見表1。從表中可以看出，未加固梁L-1的開裂荷載與極限荷載較低。梁L-2的開裂荷載和極限荷載分別比梁L-1增加了14,19kN，提高了42.4%和35.2%。梁L-3的開裂荷載和極限荷載最大，分別比梁L-1增加了31,28kN，提高了93.9%和51.9%;分別比梁L-2增加了17,9kN，提高了36.2%和9.7%。反拱法粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的開裂荷載和極限荷載都比傳統(tǒng)粘貼碳纖維布加固的梁有提高，主要是因?yàn)榉垂昂笮兜艉奢d，此時(shí)梁本身會(huì)給CFRP施加力使其在試驗(yàn)梁還沒有承載時(shí)就進(jìn)入受拉狀態(tài)，相當(dāng)于給CFRP施加了預(yù)應(yīng)力，充分發(fā)揮了其高強(qiáng)抗拉的特征，提高了加固梁的極限承載能力。4.3荷載與撓度分析各試件在1/4跨及1/2跨位置處的荷載-撓度曲線見圖3。如圖3(a)所示，在1/2跨處，梁L-1～L-3在極限荷載下的撓度分別為14.22,12.77,9.68mm。梁L-2破壞時(shí)的撓度比梁L-1減小了1.45mm，撓度降低幅度約為10.2%;而梁L-3破壞時(shí)的撓度最小，比梁L-1減小了4.54mm，比梁L-2減小了3.09mm，分別減小了31.9%和24.2%。梁L-1在荷載初期，荷載與撓度呈線性關(guān)系增長(zhǎng);加載至20kN時(shí)，相應(yīng)純彎段荷載與撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折;加載至45kN左右，撓度增加明顯加快，荷載與撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)第二次轉(zhuǎn)折，此時(shí)鋼筋已經(jīng)屈服，構(gòu)件還能繼續(xù)承擔(dān)一定的荷載，但很小的荷載增量就會(huì)引起很大的豎向變形;加載至54kN時(shí)，跨中臨界豎向裂縫接近貫通受壓區(qū)，此時(shí)的受壓區(qū)高度已相當(dāng)小，受壓區(qū)混凝土壓酥，構(gòu)件喪失承載力。此時(shí)的變形已非常明顯，撓度為14.22mm。梁L-2在荷載初期與L-1類似，荷載與撓度呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，粘貼的CFRP尚未承受荷載;加載至25kN時(shí)，相應(yīng)純彎段荷載與撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，曲線變緩，此時(shí)CFRP參與受力;加載至60kN左右時(shí)，撓度增加明顯加快，荷載與撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn);加載至70kN時(shí)，撓度急劇增加，此時(shí)鋼筋已經(jīng)屈服，構(gòu)件還能繼續(xù)承擔(dān)較小的荷載增量，但會(huì)引起很大的豎向變形;加載至73kN時(shí)，跨中豎向裂縫貫通，撓度為12.77mm。梁L-3在荷載初期，荷載與撓度呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)較另兩根梁緩慢，是因?yàn)榉垂昂蠡炷亮簝?nèi)部產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力提高了梁的剛度;加載至65kN左右時(shí)，相應(yīng)純彎段荷載與撓度關(guān)系曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，曲線變陡;加載至80kN左右時(shí)，撓度增加明顯加快，此時(shí)鋼筋已經(jīng)屈服，CFRP接近強(qiáng)度極限，但構(gòu)件還能繼續(xù)承擔(dān)荷載;荷載施加到82kN時(shí)，跨中豎向裂縫貫通，此時(shí)撓度最大，為9.68mm。4.4梁l變達(dá)到最試驗(yàn)梁底部混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)見表2。從表中可以看出，在達(dá)到試驗(yàn)梁極限荷載時(shí)，梁底跨中位置混凝土的應(yīng)變達(dá)到最大，梁L-1～L-3分別為9879.47,7982.18,7217.45μ。同時(shí)對(duì)比反拱加固梁和未加固梁以及常規(guī)加固梁的荷載對(duì)應(yīng)變的影響可知，初期影響并不大，但當(dāng)應(yīng)變超過4000μ以后，反拱加固梁的預(yù)應(yīng)力效應(yīng)較為明顯，CFRP分擔(dān)了更多的荷載，并顯著提高了梁的開裂后剛度。5反拱撓度對(duì)混凝土梁預(yù)應(yīng)力的影響(1)采用反拱法加固混凝土受彎構(gòu)件，可以有效卸除原結(jié)構(gòu)的荷載，有效避免傳統(tǒng)CFR