預(yù)應(yīng)力碳纖維布張拉技術(shù)研究

預(yù)應(yīng)力碳纖維布張拉技術(shù)研究

0碳纖維布的加固工藝為了克服直接應(yīng)用碳布一方面加固的弊端，無法提高梁體彎曲的剛性，人們開始關(guān)注碳布加固的研究，并充分考慮了其高度張力的特點(diǎn)。但受制于碳纖維布各向異性的力學(xué)特點(diǎn),必須研制專門的碳纖維布張拉設(shè)備,設(shè)備安裝和施工操作不方便,這就限制了直接張拉碳纖維布在實(shí)際加固工程中的推廣應(yīng)力。另一方面,脆性破壞特性使得直接張拉碳纖維布加固梁體的延性大幅降低,增加了橋梁在過載情況下突然斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。針對上述問題,人們開始研究利用反拱法使碳纖維布獲得預(yù)應(yīng)力的加固方法。歐陽麗芳等針對25m箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁,利用有限元方法分析了反拱法預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板的加固效果;趙啟林等介紹了碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)。使待加固梁體產(chǎn)生反拱有多種方法,如利用體外預(yù)應(yīng)力鋼筋作用于梁體原來的受拉區(qū),產(chǎn)生一定的反拱。此時(shí)再粘貼碳纖維布,待膠粘劑固化后,卸去體外預(yù)應(yīng)力釋放反拱,從而使得碳纖維布獲得一定的預(yù)應(yīng)力。本文就以該方法進(jìn)行普通鋼筋混凝土梁的室內(nèi)加固試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可有效提高加固梁的剛度,抑制裂縫的發(fā)展,極大地改善了梁體的使用性能。1鋼筋混凝土梁的張拉為進(jìn)行對比分析,試驗(yàn)采用3根矩形截面試驗(yàn)梁,具體情況如表1所示。試驗(yàn)梁按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制作,設(shè)計(jì)混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35MPa(即C35混凝土)。試件采用同一尺寸,截面尺寸為b×h=230mm×350mm,梁全長3200mm,凈跨徑L=3000mm,剪彎段長1000mm,純彎段長1000mm。縱向主拉鋼筋采用3φ25的HRB335鋼筋,縱向鋼筋配筋率p=2.1%。架立筋為2φ10的HRB335鋼筋,箍筋按規(guī)范構(gòu)造要求在沿試件長度方向上配置22φ8的HRB335鋼筋,具體參數(shù)如圖1所示。利用體外預(yù)應(yīng)力筋作為輔助手段實(shí)現(xiàn)碳纖維布的張拉,其主要步驟為:張拉體外預(yù)應(yīng)力筋→放設(shè)施工線→基層打磨、清洗→刷抹底層涂料→填補(bǔ)缺陷找平→粘貼碳纖維布→養(yǎng)護(hù)→放張?bào)w外預(yù)應(yīng)力,如圖2所示。此后,碳纖維布將和原鋼筋混凝土梁共同進(jìn)入工作狀態(tài)。試驗(yàn)中加固所用的碳纖維布規(guī)格如表2所示。2靜載試驗(yàn)的結(jié)果試驗(yàn)梁為簡支梁,加載采用三分點(diǎn)對稱加載,依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),詳細(xì)分析預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固普通鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能和極限承載能力。靜載試驗(yàn)的加載裝置如圖3b所示。試驗(yàn)過程中測量了荷載作用下的梁體撓度和裂縫(測點(diǎn)布置如圖3a),藉此評價(jià)加固效果。加載采用荷載控制加載,加載速率為0.01mm/min,終止加載條件為本級荷載作用下的位移量大于前一級荷載作用下的位移量的5倍,或者碳纖維布斷裂,或者混凝土被壓碎,加載即可終止。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1cfrp剝離破壞JD—1試驗(yàn)梁在試驗(yàn)過程中,表現(xiàn)出了較為明顯的適筋梁破壞特征。即荷載較小時(shí),撓度隨著荷載F的不斷增大而增大,基本成比例;當(dāng)荷載F≈40kN時(shí),試件純彎段下緣混凝土出現(xiàn)第一批豎向裂縫;當(dāng)F≈240kN時(shí),裂縫急劇開展,撓度急劇增大,裂縫幾乎貫穿整個(gè)梁高;當(dāng)F≈300kN時(shí),試驗(yàn)梁跨中上緣混凝土被壓碎,不能繼續(xù)承擔(dān)荷載而破壞,見圖4a。JD-2試驗(yàn)梁在荷載F達(dá)到120kN之前,加固構(gòu)件的撓度與JD-1試驗(yàn)梁的增長比例接近;當(dāng)荷載超過120kN后,加固構(gòu)件撓度和裂縫增長較JD-2試驗(yàn)梁緩慢;荷載F超過240kN后,裂縫急劇開展,撓度急劇增大。在外荷載F達(dá)到290kN時(shí),CFRP布邊緣出現(xiàn)輕微翹起,持荷過程中繼續(xù)緩慢發(fā)展,最終CFRP剝離破壞,如圖4b所示。JD-3試驗(yàn)梁在外荷載F達(dá)到390kN之前,跨中應(yīng)變和撓度隨著外荷載F的不斷增大而線性增大,裂縫發(fā)展緩慢,CFRP與梁體之間無破壞現(xiàn)象,粘貼良好。外荷載F達(dá)到390kN以后,應(yīng)變和撓度增長趨勢加快。荷載F加至450kN時(shí)突然一聲巨響,整幅CFRP在接近1/3處斷裂,如圖4c所示。3.2外荷載p的影響圖5給出了試驗(yàn)梁JD-3所粘貼碳纖維布的應(yīng)力隨試驗(yàn)過程的變化情況。在本文的加固試驗(yàn)中,碳纖維布所獲得的預(yù)應(yīng)力為125MPa。在直接張拉碳纖維布對梁體加固的研究中,碳纖維布的張拉應(yīng)力一般在800MPa以上,因此本文的加固方法也稱為“低預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固法”。在本文的加載初期,碳纖維布的拉應(yīng)變隨著外荷載F的增大而線性增加。當(dāng)外荷載F達(dá)到390kN以后,碳纖維布的應(yīng)變增速明顯加快,直至拉斷。圖6是3根試驗(yàn)梁的跨中撓度隨外荷載P的變化情況。當(dāng)荷載F小于120kN時(shí),撓度隨著F的增大而線性增加。當(dāng)荷載F大于120kN后,3根試驗(yàn)梁跨中撓度的增加速度開始有所區(qū)別,未加固的JD-1試驗(yàn)梁的撓度增長最快,預(yù)裂后直接粘貼碳纖維布加固后的JD-2試驗(yàn)梁的撓度增長較JD-1緩慢,而利用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固后的JD-3試驗(yàn)梁的撓度增加最慢。圖7是3根試驗(yàn)梁的跨中附近截面的裂縫隨外荷載P的變化情況。當(dāng)荷載F超過220kN以后,JD-1試驗(yàn)梁的裂縫急劇開展,幾乎貫穿整個(gè)梁高,該梁徹底喪失承載能力。在荷載F大于220kN后,JD-2試驗(yàn)梁裂縫急劇開展;當(dāng)外荷載達(dá)到290kN時(shí),裂縫最大寬度為1.20mm,此時(shí)碳纖維布剝離,試驗(yàn)梁喪失承載能力。在整個(gè)加載過程中,預(yù)應(yīng)力碳纖維布對加固試驗(yàn)梁JD-3的裂縫開展起到了很好的抑制作用,大幅提高了梁體的開裂荷載。當(dāng)荷載小于120kN時(shí),JD-3試驗(yàn)梁的裂縫幾乎不發(fā)展。當(dāng)荷載F位于120kN到400kN之間時(shí),裂縫發(fā)展的十分緩慢。當(dāng)荷載超過400kN以后,裂縫才開始急劇增長,直至構(gòu)件破壞。同時(shí),由圖5~圖7可以看出,低預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的JD-3試驗(yàn)梁的極限荷載是未加固試驗(yàn)梁JD-1的1.73倍,是直接粘貼碳纖維布普通加固JD-2試驗(yàn)梁的1.55倍。當(dāng)外荷載F為200kN時(shí),JD-3試驗(yàn)梁的跨中撓度是JD-1的75%,同時(shí)JD-3試驗(yàn)梁跨中截面附近的最大裂縫寬度是JD-1的52%。4碳纖維布與壓應(yīng)力鋼加固梁體的對比本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了利用體外預(yù)應(yīng)力筋使梁體產(chǎn)生反拱從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明:a)利用體外預(yù)應(yīng)力筋使梁體產(chǎn)生反拱從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固試驗(yàn)梁的極限承載力可提高70%以上。b)該加固方法能顯著提高加固梁體的開裂荷載。相比直接粘貼碳纖維布的加固梁體,加載前期裂縫幾乎不發(fā)展,梁體破壞時(shí)的裂縫寬度大幅縮小。c)該加固方法能顯著提高加固梁體的剛度。相比直