考虑二次受力CFRP布NSM加固混凝土梁变形性能试验研究

摘要: 碳纤维材料嵌入式加固技术具有重大的应用价值和发展前景,在国外已成功运用于混凝土结构、砌体结构、木结构以及桥梁的加固。本文通过对11根试件梁的裂缝情况、荷载―挠度关系以及横截面刚度进行了研究分析,试验结果表明:考虑二次受力影响,在不同初始弯矩作用下CFRP布嵌入式加固能有效提高混凝土梁的抗变形能力。

Abstract: The strengthening method of using NSM FRP has great application value of civil engineering.It has been used to increase flexural and shear strength of deficient concrete, masonry,timber members and brigdes abroad. Based on research of the relationship of cracks, load-deflction and rigidity of the eleven RC beams,it is indicatied that the deformation performance of RC beams strenthened by NSM CFRP sheets can be greatly improved.

关键词: 混凝土梁;碳纤维布;嵌入式;加固;变形;裂缝;刚度;二次受力

Key words: RC beam;CFRP;NSM;strengthening;deformation;cracks;rigidity;secondary load

中图分类号:TU37 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)25-0110-02

0引言

嵌入式(Near-surface Mounted,简称NSM)加固法是一种通过粘结材料将加固材料嵌入加固构件表面预先凿好的槽中,使之与加固构件形成整体,从而提高构件抗弯或抗剪承载力的一种加固方法。

在20世纪40年代末瑞典的Asplund [1]曾用此项技术加固瑞典一座桥梁。他把钢筋置于在混凝土结构表面所开的槽中,在槽中灌入水泥浆,然后用喷浆混凝土覆盖进行表面处理,但由于水泥浆的粘结性能不是很好,,加固部分与原结构的粘结效果不太好,从而影响了加固效果。正是由于材料的限制,使得这项技术在当时没有推广,当FRP材料出现后,嵌入式加固方法才真正显示出了其优良的加固效果,与钢筋相比其优势不言自明:FRP材料轻质高强,施工方便,省时省力;耐腐蚀,不象钢筋那样需要较厚的保护层;形状、规格可以根据实际工程的要求定做。而且在近几年,FRP材料价格大幅度下降,广泛应用于工程加固,FRP材料嵌入式加固也得到了一定的研究,并成功运用于混凝土结构、砌体结构、木结构以及桥梁的加固[2~5]。

从FRP种类上分,目前所采用的材料大都集中在CFRP、GFRP上,对AFRP也有一定涉及,其中混凝土结构的加固主要采用CFRP。因此本文选取11根试件梁(3根未加固对比试件,8根CFRP布NSM加固试件)进行实验研究,着重分析CFRP布NSM加固对混凝土梁变形性能的影响。

1试验概况

1.1 试件设计本试验共设计11根混凝土试件梁,混凝土强度等级C20,保护层厚度为25mm。试件尺寸及配筋情况如图1所示。

试件共分为5组,第一组L0a,L0b,L0c为未加固的对比试件,第二组L1a,L1b为不加载情况下粘贴CFRP的一次受力试件,第三组L2a-40,L2b-40,第四组L2a-60,L2b-60,第五组L2a-80,,L2b-80分别为加载至40%,60%,80%屈服荷载(相对于对比梁)情况下粘贴CFRP的二次受力试件。所有加固试件均粘贴2层尺寸为2500mm×60mm×0.167mm的CFRP,并在端部采取有效锚固。

L1a、L1b试件在加载之前进行加固,所有二次受力试件在作用初始弯矩Mi后进行加固,具体加固步骤如下:①在梁底部中间开一个深2cm宽6cm的槽;②将槽底磨平,涂刷底胶粘贴碳纤维布两层,并在端部采取有效锚固措施;③再用结构胶将槽填平,三天后,待结构胶完全达到强度后进行试验。

1.2 加载装置本次试验采用正位加载试验装置,为了分析研究正截面的受力状态和变形规律,排除剪力和其它因素的干扰,所有试件梁采用两点对称加载,通过分配梁来实现,在两个对称集中荷载之间形成纯弯段,纯弯段长度为900mm,两加载点分别距离两端支座800 mm,试验采用手摇式千斤顶加载,荷载大小通过传感器测定加载装置模型如图2、实景如图3所示。

2试验结果与分析

2.1 裂缝情况分析通过考查各试件裂缝展开图,现将各组试件最大裂缝宽度及裂缝发展情况作如下分析。

2.1.1 最大裂缝宽度图4为各组试件实测P-ωmax曲线(P数值大小与分配梁两端支座压力大小相等,ωmax为各组试件对应荷载级别的最大裂缝宽度平均值)。

从图4中可以看出:①各组试件的曲线都有一个拐点,拐点位置大致对应于各组试件的屈服荷载,在拐点之前,最大裂缝宽度的增长对荷载的变化近似为线性,且增长速度较为缓慢,在拐点之后,各组试件裂缝宽度增长迅速;②从所有试件梁的受力过程和裂缝开展情况来看,在加载初期,相同荷载作用下未加固试件的最大裂缝宽度与加固试件相差不大,而在加载后期,相同荷载作用下加固试件的最大裂缝宽度明显小于未加固试件,说明嵌贴碳纤维布能够有效抑制混凝土裂缝宽度的发展,这种抑制作用在加载后期表现的尤为明显。对比所有加固试件可以发现,在同级荷载作用下,一次受力试件的最大裂缝宽度最小,而对于二次受力构件,初始弯矩越大,同级荷载作用下的最大裂缝宽度就越大。

2.1.2裂缝条数与平均裂缝间距从所有试件梁的受力过程和裂缝开展情况来看,三根未加固试件梁在达到屈服荷载之前裂缝数量就不再增加(但裂缝宽度发展较快),在破坏时纯弯段的裂缝条数分别未8、9、8,而对于加固试件,在加载过程中不断出现新裂缝,破坏前的主裂缝条数明显多于未加固试件(如表1所示)从而使得未加固的平均裂缝间距明显小于加固试件。

由于加载前嵌贴的碳纤维布的作用,一次受力试件在整个加载过程中的裂缝数量较未加固试件多,而且宽度更细,二次受力试件在未加固前裂缝发展情况与未加固试件基本一致,而在嵌贴碳纤维布以后,已有裂缝发展较未加固试件缓慢,同时在加载过程中不断新增裂缝,致使在加载后期阶段二次受力构件的主裂缝条数与一次受力构件基本相当,平均裂缝间距也相差不大。

2.2 挠度分析经过试验研究发现:未加固试件、一次受力试件和二次受力试件均呈现出明显的三阶段受力特征,其荷载-挠度曲线也存在两个转折点,第一个转折点大致对应与开裂荷载,第二个转折点大致对应与屈服荷载加固梁与之类似,也呈现出明显的三阶段特征。

2.2.1 第一阶段(弹性工作阶段)当荷载较小时,挠度与弯矩接近直线变化,这时的工作特点是梁底尚未开裂,为整体工作阶段。所测混凝土压应变较小,混凝土弹塑性特征不明显,整体上为弹性工作阶段,称为第一阶段。当弯矩超过开裂弯矩后,受拉区混凝土己有裂缝发生,(荷载-挠度)曲线出现第一个转折点。

2.2.2 第二阶段(带裂缝工作阶段)随着荷载逐渐增大,不断出现新的裂缝,挠度的增长速度加快,其工作特点属于带裂缝工作阶段。在第二阶段的整个发展过程中,钢筋的应力随荷载的增加而增加,当受拉钢筋的应力达到屈服强度后,则转入破坏阶段。

2.2.3 第三阶段(破坏阶段)钢筋屈服使曲线上出现第二个转折点,标志梁进入第三阶段。在此阶段,梁受拉区裂缝急剧开展,挠度急剧增加,而承载力提高幅度很小,在后期曲线几乎成为一条直线,此时荷载己不能继续增加,梁己达到破坏状态。

选用各组试件梁在各级荷载P作用下的的跨中挠度平均值Δ绘制P-Δ曲线(如图5所示)。从图中可以看出:

①与普通混凝土试件类似,一次受力试件和二次受力试件呈现出明显的三阶段受力特征,其荷载-挠度曲线也存在两个转折点,第一个转折点大致对应与开裂荷载,第二个转折点大致对应与屈服荷载,但在进入第三阶段加固试件与未加固试件有所不同,由于碳纤维布的作用,加固试件梁在钢筋屈服后正截面承载力仍可稳步提高,但提高速度较前两个阶段有所下降。

②在加载初期,各试件在同级荷载作用下跨中挠度相差不大,但在加固后,尤其是在未加固梁L0屈服后,同级荷载作用下加固梁的跨中挠度明显小于未加固梁的,说明CFRP布NSM加固可有效提高梁后期的抗变形能力。

③对于加固试件,初始弯矩越大,同级荷载作用下加固梁的的跨中位移就越大,这是因为初始弯矩越大,梁裂缝发展就越厉害,梁的截面抗弯刚度就越小,梁的抗变形能力就越差。

2.3 刚度分析受力过程中刚度大小可通过曲线的斜率来考查。由图5可见,在混凝土开裂前,粘贴碳纤维布的一次受力试件刚度和其他试件刚度相差不大,说明碳纤维布参于横截面刚度计算对刚度的提高影响不大,这一点与理论计算的结果一致。在带裂缝工作阶段,碳纤维布对刚度的影响应从两方面考虑:

2.3.1 碳纤维布参于横截面刚度计算,提高了梁的刚度;

2.3.2 碳纤维布限制了裂缝的开展,提高了梁的刚度,为主要影响因素。尤其是在钢筋屈服后的第三阶段,未加固梁的的裂缝开展迅速,刚度急剧下降,而加固后的梁刚度在突降一定值后趋于稳定,可见钢筋屈服后碳纤维布对梁的刚度有显著的提高。

3结论

根据本次试验研究结果可以得到以下结论:

3.1 不论一次受力构件,还是不同初始弯矩作用下的二次受力构件,采用CFRP布NSM加固混凝土梁均可有效提高其抗变形能力,尤其是在混凝土梁底部受力钢筋屈服后这种作用表现尤为明显。

3.2 采用CFRP布NSM加固能有效抑制混凝土梁的裂缝发展速度,与未加固梁相比,其裂缝发展呈现出“细而密”的特点,并且裂缝的发展情况与混凝土加固梁的跨中挠度及横截面刚度息息相关。

3.3 试验结果表明,CFRP布NSM加固能有效提高混凝土梁加载后期的横截面刚度,其主要原因是因为碳纤维布限制了裂缝的开展,而碳纤维布参于横截面刚度计算对刚度的提高影响不大。

参考文献:

[1]Asplund S O. Strengthening Bridge Slabs with Grouted Reinforcement. Journal of Amerricen Concrete Institute,1949, 20(6): 397-406.

[2]De Lorenzis L,Nanni A,La Tegola.Strengthening of reinforced concrete Structures with Near Surface Mounted FRP Rods.International Meeting on Composite MaterialsItaly:2000.

[3]Tumialan G,Tinazzi D,Myers J,et al.Field Evaluation of Masonry Walls Strengthened with FRP Composites at the Malcolm Bliss Hospital. Report CIES 99-8,Universityof Missouri-rolla,rolla,MO.1999.

[4]Gentil C,Rizkaalla S.Flexural Strengthening of Timber Beams Using FRP.technical Rep.Technical Rep.,ISIS Canada,Univ.of Manitoba, Winnipeg,Manitoba,Canada:1999.

[5]Alkhrdaji T,Nanni A,Chen G.Ugrading the Transportation Infrastruc- ture Infrastructure:Solid RC Decks Strengthened with FRP.Conctete Institute,1999,21(10):37-41.