预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

建　筑　结　构　学　报(增刊)

JournalofBuildingStructures(SupplementaryIssue)

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

江胜华,侯建国,何英明

(武汉大学岩土与结构安全湖北省重点实验室,湖北武汉430072)

摘要:通过9根预应力碳纤维布加固的钢筋混凝土梁在不同预应力水平和不同配布率下的抗弯性能试验,研究其开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、曲率延性等受力性能。试验结果表明,梁的破坏形态均为碳纤维布拉断;梁的开裂荷载及屈服荷载随碳纤维布的预应力水平或配布率的提高而提高,但屈服荷载的提高幅度明显小于开裂荷载的提高幅度。另外,配布率较低、屈服荷载。梁的极限荷载随配布率的提高而提高。,高。加固梁的曲率延性系数随预应力和配布率的提高而减小,建议预应力水平最高控制在40%～50%。

关键词:预应力;碳纤维布;加固;配布率;预应力水平中图分类号:TU378.2　TU317.1　　:A

onflexuralbehaviorofRCbeams

sthenedwithprestressedCFRPsheets

JIANGShenghua,HOUJianguo,HEYingming

(HubeiProvinceKeyLaboratoryofGeotechnicsandStructuralSafety,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Abstract:NineRCbeamsstrengthenedwithprestressedCFRPsheetsaretestedwithdifferentprestressinglevelandCFRPratio,andcrackingload,yieldingload,ultimateloadandcurvatureductilityofthesebeamsarestudied.ItisobservedthatthefailuremodesofthebeamsaretensilefailureofCFRP.Thecrackingload,yieldingloadincreasewithincreaseofprestressinglevelorCFRPratio,butincreaseofyieldingloadismuchlessthanthatofcrackingload.BeamswithlowCFRPratioandhighprestressinglevelhavelargercrackingloadandyieldingloadthanthosewithhighCFRPratioandlowprestressinglevel.ToimproveCFRPratiocanincreasetheultimateload,andthereissmallgrowthofultimateloadwiththeimprovementofprestressinglevelunderconditionofhighCFRPratio.ThecurvatureductilityfactorsofbeamsdecreasewiththeincreaseofCFRPratioorprestressinglevel.Thethemaximumofprestressinglevelisrecommendedtobebetween40%to50%toguaranteethebeam’sductility.

Keywords:prestressed;CFRPsheets;strengthening;CFRPratio;prestressinglevel

0　引言

碳纤维布(CFRP)加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法,与传统的加固方法相比,具有明显的技术优势,因而在实际工程中得到了迅速推广与应用。然而,从目前大量的理论、试验研究及工程实践来看,采用碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,存在两个

问题:①碳纤维布的强度不能充分地利用;②使用阶段的加固效果不够明显,构件开裂荷载和屈服荷载的提高幅度不大。针对上述情况,有关研究者提出了对碳纤维布施加预应力进行加固的方法。采用预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁,既能充分发挥碳纤维布的高强特性,又能改善构件使用阶段的受力性能。

飞渭等对非预应力碳纤维布加固和预应力碳纤维

),男,湖北仙桃人,博士研究生。作者简介:江胜华(1982-　

收稿日期:2008年5月

10

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

布加固的梁进行了对比试验[1],结果表明,用预应力碳纤维布加固混凝土受弯构件更加有效、可行。尚守平等根据9根梁的试验[2],对比了预应力碳纤维布加固与非预应力碳纤维布加固的受弯构件的受力性能,试验结果发现,预应力碳纤维布加固的试件的开裂荷载、屈服荷载比非预应力碳纤维布加固的试件均有提高。姜新佩等对10根混凝土梁进行了未加固、非预应力碳纤维布加固、不同预应力水平、不同附加锚固方式的对比试验[3],结果表明,粘贴预应力碳纤维布可提高梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载,合适的锚固方式可以有效防止剥离破坏。FrancaP等研究了预应力碳纤维布加固T形截面梁的试验,

并对比了预应力加固与非预应力加固梁的受力性能[4]。PiyongYu等针对预应力碳纤维布加固混凝土梁设计了专门的锚具,对未加固梁、非预应力碳纤维布加固、预应力碳纤维布加固梁进行了对比试验,结果表明,在40小时内,持在初始预应力的90%,载、极限荷载均有提高[5-6]。

本文通过室内、不同配布率情况下,开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、挠度、曲率延性系数等受力性能。

2.5m,试验梁纵筋为2 12,架立筋为2 8,弯剪区

箍筋为 6@100,纯弯段无架立筋和箍筋,见图1,梁的具体参数见表3。其中,Acf为碳纤维布的截面面积,εpi为CFRP的有效预拉应变,εcfu为CFRP的极限拉应变。本次试验中,所有加固梁均为一次受荷。

图1　Fig.1　Roftestbeams

表3　Detailsoftestbeam

编号

L1L2L3L4L5L6L7L8L9

CFRP宽度/厚度

mm60/0.11160/0.11160/0.11170/0.16770/0.16770/0.167120/0.167120/0.167120/0.167

A

cf

εpi×10-6

203841006037203440006100205041506090

mm26.666.666.6611.6911.6911.6920.0420.0420.04

预应力水平

15.7%εcfu31.5%εcfu46.4%εcfu15.4%εcfu30.3%εcfu46.2%εcfu15.5%εcfu31.4%εcfu46.1%εcfu

1　试验方案

1.1　试验材料

1.3　碳纤维布的预应力施加方案

试件混凝土设计强度等级为C25,实测立方体抗

压强度为26.66MPa。纵筋、架立筋、箍筋均采用HPB235级钢筋,钢筋的实测力学性能参数见表1。碳纤维布采用法国赫氏公司的赫氏系列,厚度有2种,分别为0.111mm和0.167mm,碳纤维布的实测力学性能参数见表2。

表1　钢筋的实测力学性能参数

Table1　Testedpropertitiesofsteal

预应力张拉采用本课题组专门研制的机具,施工

方法类似于预应力钢筋的后张法。先将梁底混凝土表面打磨平整,并在梁的张拉端安装张拉机具。用水和丙酮清洗混凝土表层后,将锚固端la范围内的碳纤维布粘好,待胶达到设计强度后在另一端进行预应力张拉。预应力值稳定后将碳纤维布粘贴在混凝土表面;胶达到设计强度后去掉张拉端机具,剪断多余的碳纤维布[7]。锚固长度按照预应力水平分为三种:L1、L4、L7,la=80mm;L2、L5、L8,la=100mm;L3、L6、L9,la=120mm。混凝土表面处理不当将影响胶

钢筋

型号 12

直径

mm11.87

弹性模量

GPa225

屈服强度

MPa302.78

抗拉强度

MPa456.88

延伸率

29.2%

表2　CFRP的实测力学性能参数

Table2　TestedpropertitiesofCFRP

CFRP

厚度

0.1110.167

抗拉强度

30552904

弹性模量

235220

极限拉应变

-61300013200

型号

HEX-3R-200HEX-3R-117

1.2　试件设计

本次试验共设计制作了9根矩形截面简支梁,截面尺寸为120mm×250mm,梁长为2.8m,跨度为

结层的拉剪承载力,可能在张拉时发生混凝土表层剪切破坏;若胶层厚度不够,则可能在张拉时发生胶结层粘结破坏[8]。1.4　加载方案及量测内容

试验中采用手动千斤顶,通过分配梁将荷载传给试件,利用传感器和YJ-X4数显静态应变仪控制荷载大小及加载进程,加载方案见图2。

根据研究目的,试验过程中重点量测以下内容:

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预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

各级荷载下钢筋的应变;梁侧面混凝土的应变;碳纤维布的应变;跨中截面的曲率;跨中位移等

。

图2　试验梁加载方案图

Fig.2　Testsetupofloading

2　试验结果及分析

为了比较不同的预应力水平、配布率对试件抗弯

性能的影响,将各试件的主要试验结果列于表4。表中Pcr、Py、Pu分别为试验梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,f40为40kN时的跨中挠度。

表4　试验结果

Table4　Summaryoftestresults

试件编号

L1L2L3L4L5L6L7L8L9

Pcr/kNPy/kNPu/kNf40/mm拉断CFRP拉断CFRP拉断CFRP拉断CFRP拉断CFRP拉断CFRP

拉断CFRP拉断

10.511.713.011.413.615.813.016.720.5

41.343.0649.047.652.657.0

49.154.256.256.960.963.967.0

6.7.276.526.126.485.704.96

,后期的应力应变增长小于非预应力构

件,环氧树脂层所发生的剪切变形及传递的剪应力均小于非预应力构件,不易发生粘结破坏。②预应力试件在制作时,混凝土表面打磨平整,且用丙酮清洗后,碳纤维布经过张拉,可以非常平直紧密地粘贴到试件表面,在一定程度上保证了混凝土的拉剪承载力和胶层的剪切承载力[8]。③有足够的胶层厚度。根据陈和滕基于断裂力学理论提出CFRP与混凝土剥离时的粘结强度公式[9],胶结层的厚度和剪切模量对粘结性能起着重要作用,粘结强度和粘结承载力随着胶层厚度的增加有一定程度的提高。

从试验结果看来,对碳纤维布施加预应力,能有效避免碳纤维布拉断前发生粘结破坏。2.2　预应力水平及配布率对开裂荷载、屈服荷载的影响

预应力梁的一个显著特点就是具有良好的抗裂性能,开裂荷载要大于相同配筋的普通钢筋混凝土梁。同时,预应力技术能够提高梁的屈服荷载(受拉钢筋屈服时的荷载)。由表5可知,配布率越高,开裂荷载和屈服荷载越大;预应力水平越高,开裂荷载和屈服荷载越大;但屈服荷载的提高幅度明显小于开裂荷载的提高幅度。

2.1　试件的破坏形态

在试验中,所有加固梁的破坏形态均为碳纤维布拉断。在破坏前,随着梁底裂缝宽度的增大并逐渐向上延伸,当荷载加至极限荷载的80%,梁跨中截面处的碳纤维布被撕裂成条状,继续加载

,靠近梁侧面的小条碳纤维布被拉断而发出微小的脆响,此时碳纤维布从断裂处沿着胶层迅速剥离,裂缝宽度迅速增大,梁随之破坏,部分梁的破坏特征图见图3～图5。

图3　试验梁L2的破坏情况

Fig.3　FailurepatternofbeamL2

所有试件外表面尽管没有设置U形箍,但在碳纤维布拉断之前都没有出现胶结层的的界面破坏,也没有发生任何粘结破坏的痕迹。

分析其原因,主要有三点:①由于碳纤维布预先12

当预应力水平较高时,配布率较低的梁的开裂荷

载可能高于那些配布率较高但预应力水平较低的梁的开裂荷载。L2、L3的开裂荷载高于L4的开裂荷载;L5、L6的开裂荷载高于L7的开裂荷载;L3的碳纤维布截面面积仅为L7的33%,但其开裂荷载相同。同样,当预应力水平较高时,配布率较低的梁的

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屈服荷载可能高于那些配布率较高但预应力水平较低的梁的屈服荷载。可见提高碳纤维布的预应力水平,可以提高梁的开裂荷载与屈服荷载,节省碳纤维布。

表5　试件开裂荷载、屈服荷载的比较

Table5　Comparisonofcrackingloadsandyieldingloadsofbeams10-6)Pcr/kN比值试件编号Acf/mm2εpi/(×L1

L2L3L4L5L6L7L86.666.666.6611.6911.6911.6920.0420.042038410060372034400061002050415010.511.713.011.413.615.813.016.7100%111%124%109%130%150%124%159%Py/kN

2.5　试件的曲率延性分析

比值

100%

104%108%106%113%119%115%127%41.343.044.443.846.649.047.652.6在表8中,随着配布率或预应力水平的提高,试验梁的曲率延性系数均减小,但预应力水平对梁的曲率延性的影响较大。L1、L4、L7的碳纤维布有效预拉应变在2×10-3左右,即预应力水平为16%时,梁的曲率延性系数分别为3.9、3.4、3.0,延性较好。当碳纤维布的预拉应变提高到6×10-3左右,即预应力水平为46%时,L3、L6、L9的曲率延性系数分别降低到2.7、2.6、2.5。可见在较高的预应力水平下,配布率对梁的延性的影响可以忽略,配布率无论高低,梁的延性始终较差;若预应力水平进一步提高,梁的曲率延性系数将会大幅度降低。为了保证梁破坏时具有一定的延性,内,表　8curvatureductilityfactorsofbeams

10-6)Acf/mm2εi/(6.666.666.6611.6911.6911.6920.0420.0420.04

203841006037203440006100205041506090

2.3　预应力水平及配布率对极限荷载的影响

在试验中,配布率越大,梁的极限荷载越大。在配布率较低时,载没有明显影响;的提高,,7中,与L7的极限荷载有一

L1L2L3L4L5L6L7L8L9

3.93.32.73.43.22.63.02.62.5

100%85%69%87%82%72%77%67%64%

定程度的提高,预应力较高时,碳纤维布更平整紧密地粘贴在混凝土表面,且碳纤维布与相应胶层在张拉过程中发生了较充分的应力重分布,从而可以充分发挥碳纤维布的强度。

表6　试件极限荷载的比较

Table6　Comparisonofultimateloadsofbeams

3　结论

100%

103%101%110%114%116%124%130%136%

试件编号

L1L2L3L4L5L6L7L8L9

-6A/mm2ε6.66

6.666.6611.6911.6911.6920.0420.0420.04

203841006037203440006100205041506090

(1)通过9根预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁

49.150.749.654.256.256.960.963.967.0

的抗弯性能试验,研究了碳纤维布的预应力水平和配布率对加固梁的受力性能的影响。试验中,所有梁的外表面虽未粘贴U形箍,但均为碳纤维布的拉断破坏,且在拉断前未发生剥离破坏,说明施加预应力可以防止碳纤维布的剥离破坏,充分发挥碳纤维布的强度。

(2)随着碳纤维布的预应力水平或配布率的提高,梁的开裂荷载、屈服荷载也随之提高;但屈服荷载的提高幅度明显小于开裂荷载的提高幅度。另外,配布率较低、预应力水平较高的梁的开裂荷载与屈服荷载有可能高于配布率较高而预应力水平较低的梁的开裂荷载与屈服荷载。

(3)梁的极限荷载随着配布率的提高而提高。在配布率较低时,预应力水平的提高对极限荷载没有影响;在配布率较高时,随着预应力水平的提高,梁的极限荷载会有一定程度的提高,但幅度较小。

(4)随着预应力水平和配布率的提高,梁的曲率延性系数随之减小,相对而言,预应力水平对梁的延

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2.4　试件的挠度

表7为试验梁40kN时对应的挠度。提高配布率和预应力水平,均可提高梁的刚度,减小挠度。

表7　试件挠度的比较

Table7　Comparisonofdeflectionsofbeams

试件编号

L1

L2L3L4L5L6L7L8-6A/mm2ε6.66

6.666.6611.6911.6911.6920.0420.0420384100603720344000610020504150100%99%94%98%88%83%88%77%7.397.336.957.276.526.126.485.70

预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能试验研究

性的影响更大。为了保证梁破坏时具有一定的延性,建议预应力水平最高控制在40%～50%。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jtv1.html