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无腹筋混凝土梁的碳纤维抗剪加固试验研究

来源：微智科技网

第32卷第5期2004年5月

同　济　大　学　学　报

JOURNALOFTONGJIUNIVERSITYVol.32No.5

　May2004

无腹筋混凝土梁的碳纤维抗剪加固试验研究

匡志平,刘成伟,王皓波

(同济大学建筑工程系,上海　200092)

摘要:对一系列无腹筋碳纤维加固梁进行了试验研究,分析了影响碳纤维抗剪加固效果的因素,并比较了粘贴方式的不同对无腹筋梁的加固效果.根据试验结果,得出无腹筋梁碳纤维加固的脆性特征比较明显,对于矩形梁,斜贴与U型贴对于极限承载力的提高基本相同,而斜贴碳纤维布更能有效约束加固梁的变形.关键词:碳纤维;抗剪加固;无腹筋梁中图分类号:TU528.582　　　　　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:0253-374X(2004)05-0575-05

ExperimentalResearchonConcreteBeamswithoutStirrupsStreng2

thenedforShearingbyUsingCarbonFiberReinforcedPlastic

KUANGZhi2ping,LIUCheng2wei,WANGHao2bo

(DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:Thispaperstudiestheexperimentalresearchonaseriesofcarbonfiberreinforcedplastic(CFRP)reinforcedconcretebeamswithoutstirrups,analyzesthefactorsthataffecttheshearreinforceeffectsbyusingcarbonfiberreinforcedplasticandcomparestheeffectsondifferingintheplastermode.Accordingtotheexperimentalresults,inthispaperwecanseethatthebrittlenesscharacterofconcretebeamswithoutstirrupsreinforcedbyCFRPisquitedistinct,forrectanglebeams,inclinedplas2termodeandUplastermodeenhaningequallytheterminalloadresistancecapacity,butinclinedplastermodecanbetterrestrictthetransfigurationofthereinforcedconcretebeams.Keywords:carbonfiberreinforcedplastic;shearreinforce;beamswithoutstirrups

　　碳纤维(CFRP)加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法,其研究始于20世纪80年代美、日等国家,由于碳纤维材料具有高强、轻质、耐腐蚀、耐疲劳、施工便捷等优异物理力学特征,在美、日等国家碳纤维加固的研究和利用发展迅速,然而在国内碳纤维的结构加固研究尚处于起步阶段,尽管美、日等国家已于90年代制订了相应的碳纤维加固规程,但其不一定适用于我国,因此,需结合国内的具体情况,对碳纤维结构加固进行研究.本文通过对6根碳

纤维加固无腹筋矩形梁、3根碳纤维加固无腹筋T型梁,以及2根矩形对比梁和2根T型对比梁的试验,分析了影响碳纤维抗剪加固效果的因素,并比较了粘贴方式不同时对无腹筋梁碳纤维的加固效果.

1　试验概况

1.1　试验方案加载方式

本次试件共计13根,其中5根T型梁,8根矩

收稿日期:2003-05-22

作者简介:匡志平(1965-),男,江苏扬中人,副教授,工学博士.E2mail:tongjian@pubilc2.sta.net.cn

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同　济　大　学　学　报第32卷　

形梁,仅配纵筋,混凝土设计标号C30.试验采用三分点加载法在两边产生剪力,加载图及试件具体尺寸如图1所示.

本次试验梁的剪跨比(T型梁).

ah0

圆柱体的轴心抗压强度.

表1　混凝土的基本力学指标

Tab.1　Basicmechanicalpropertiesoftheconcrete　MPaμf

/3μf=0.67μfμf=0.26μ2f′c=0.79μffccucutcu

=2.75(矩形梁)、2.5

30.420.42.5324.029900

　　钢筋的强度及其弹性模量按规范规定,即fy=

310MPa,E=200GPa.

碳纤维材料特性,试验方法参照《玻璃纤维织物拉伸断裂强度和断裂伸长的测试GB7698.6—标

[2]准》,测得碳纤维布性能如表2所示.结构胶的基本力学指标如表3所示.表2　碳纤维布的性能指标

Tab.2　PropertiesofCFRP

-3

cm)抗拉强度/MPa弹性模量/GPa断裂伸长率/%厚度/mm密度/(g・

图1　试验梁尺寸及加载方案(单位:mm)

Fig.1　Dimensionsofthetestbeamsand

loadingplan(unit:mm)

0.1111.7026002301.3～1.4

表3　结构胶的基本力学指标

Tab.3　Basicmechanicalproperties

ofthestructuralglue

种类试验用胶

拉伸强度/MPa

1.2　材料性能

试验梁采用C30混凝土,配合比如下,m(R42.5水泥)∶m(中砂(5～15mm))∶m(碎石)∶V(水)=455kg∶650kg∶1144kg∶0.23m3,在浇捣试

抗弯强

度/MPa

剪切强度/MPa

正拉伸强度/MPa

延伸率

/%3.7

验梁的同时,按照规范要求,共制作了9个150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试块,养护28d之后,在1000kN的静力试验机上以每秒0.4MPa,即每秒9kN速率进行加载直至破坏,所测力

1.3　加固方案

学指标如表1所示,本文没有进行混凝土试块的弹性模量试验,而是利用弹模的经验公式[1]求得,Ec=29.9GPa;μf为立方体轴心抗压强度;μf为棱

试件在标准状况下养护28d后,对构件的棱角处进行处理,使其转角处外表面的曲率半径大于20mm,并按参考文献[3]中的施工规定,用间隔30mm、宽30mm的碳纤维布对6根矩形梁以及3根T型梁进行加固,加固形式及编号详见图2和表4,

柱体轴心抗压强度;μf为立方体轴心抗拉强度;fc′为

梁RaL2-r,RaL3-r顶部没有锚固条,其余梁均在顶部做50mm宽的碳纤维锚固条.

图2　碳纤维布置图(单位:mm)

Fig.2　ArrangementofCFRP(unit:mm)

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1.4　测点布置与量测

量测内容包括跨中位移、混凝土应变、碳纤维布应变以及裂缝宽度和发展等.鉴于混凝土的离散性,混凝土上的应变片采用8cm量程,碳纤维布上的应变片采用5cm规格.在跨中及支座分别放置位移计

以量测跨中挠度.斜裂缝宽度的发展主要靠读数显微镜在每级荷载持荷时读数来记载,其他都是通过数据采集仪来收集数据.应变片具体粘贴位置及位移计布置见图3.

图3　应变片及位移计布置图(单位:mm)

Fig.3　Distributionofstraingaugesanddisplacementtransducer(unit:mm)

　　图中碳纤维布上的应变片在梁的另一侧同一个位置粘贴于混凝土上,以比较碳纤维与混凝土应变.矩形对比梁的应变片如加固梁一样,只是在加载点与支座连线上多布置2个,即共5个.

2(0.2+0.12λb)

ε(3)　　　　cfuEcfhbcf

式中:Vbrc为未加固梁的抗剪承载力,即式(1)中的Vcs;Vbrf为加固后的抗剪承载力;φ为加固系数,对

于U型贴取0.85;ncf为碳纤维片材的粘贴层数,ωcf

2　抗剪承载力确定及加载方案

2.1　加固前试件抗剪承载力确定

(1)对于集中荷载作用下混凝土无腹筋梁的抗

为碳纤维片材条带的宽度;tcf为单层碳纤维片材的

厚度;Scf为碳纤维条带的净间距;λb为梁的受剪剪跨比;εcfu为碳纤维的极限拉应变,本计算中采用碳纤维应变的较小值即0.013;Ecf为碳纤维的弹性模量;hbcf为侧面粘贴碳纤维的高度.本式只适合于碳纤维片的竖贴,取结果如表4.

(2)文献[6]中对其试验数据进行三次曲线拟合得出的碳纤维抗剪加固公式为

V2=2.14fc′ρ

h0a

剪承载力的计算,混凝土结构设计规范[4]中抗剪承载力的计算公式为

Vcs=

1.75fbh

λ+110

(1)ah0

λ=式中:λ为计算截面的剪跨比,其值为1.5≤≤3,h0为截面有效高度,a为剪跨长度.

(2)根据文献[5]提出的公式来计算,即

ρV′h0/a)cs=2.14(fc′

以上两式计算结果列于表4.2.2　碳纤维加固后承载力的确定

bh0+

ωtEfε2ηfd

・

(4)

)　　　0.9h0sinβ(cotα+cotβ

(2)

bh0

式中:η为碳纤维布有效宽度系数;α为斜裂缝的夹

角,假设为45°;εfd表示当梁剪切破坏时碳纤维布的有效应变.其具体计算见文献[6].2.3　加载方案

式中:V′cs为名义抗剪承载力;ρ表示纵筋配筋率,

(1)对于碳纤维加固后的梁的抗剪承载力根据

加载过程中采用分级加载,每级荷载持荷10min,预加载20kN(根据第1根梁数据).每级荷载10kN,达到40kN后,以5kN一级进行加载,实际

碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程[3]中提到的公式计算,即

V1≤Vbrc+Vbcf=Vbrc+φ

加载方式根据现场情况调整.加载方案不能完全确

2ncfωcttcf

Scf+ωcf

・

定是因为剪切破坏具有很大的随机性,裂缝或其他异常情况的产生都会影响下一步的加载行为.

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表4　梁编号及加固方式和承载力

Tab.4　Number,strengtheningformsand

limitcapacityofbeams

梁编号

L1-r,L2-rL1-t,L2-tRL1-r,RL2-r,RL3-r

RaL1-r,RaL2-r,RaL3-rRL1-t,RL2-t,RL3-t

截面形式　加固方法　矩形　T矩形矩形　T

　无　无竖向U型箍

45°斜向U型箍筋

抗剪承载力/kN2Vcs2V′2V12V2cs

52.055.652.052.055.6

63.294.863.263.2

52.055.663.294.8.0123.8

133.2

图5　T型梁荷载-挠度对比曲线

Fig.5　Load2distortioncurveof“T”beams

竖向U

型箍

94.8103.0124.9

　　注:由于采用单千斤顶加载,所以荷载的数值乘以2.

3.2　试验结果分析3.2.1　矩形梁试验结果与比较3　试验结果及分析

3.1　试验结果分析

荷载与梁的极限荷载及变形能力详见图4,5及表5.

加固之后梁的变形能力得到增强,对比梁的挠度在达到4mm之前就已经破坏,而加固梁都能超过8mm.图4还表明加固仅提高了梁的变形能力,并没有提高梁的刚度,这与一些国内外的试验结果是吻合的.剪切破坏的荷载-挠度曲线表现出一定的线性关系,同时极限承载能力也得到了极大的提高,说明碳纤维布在抗剪中起着很大的作用,抗剪承载能力至少提高了120%,这固然是由于无腹筋梁本身抗剪能力很差,但碳纤维布所起的作用也不容忽视.

同时还可看到,斜贴碳纤维布(简称斜贴)与竖贴碳纤维布(简称竖贴)对于提高无腹筋梁的极限承载力的效果是一样的,但是斜贴碳纤维布的加固方式对于提升梁的刚度有比较显著的效果,在同样的荷载下,挠度减小6%～29%(均值15.3%).除裂缝宽度对使用状态的影响外,斜贴加固方式更能满足梁的变形要求l0/200=9.5mm,显然这是因为斜向的碳纤维布与斜裂缝垂直相交,与竖贴布相比更能有效抑制斜裂缝的开展,从而减小了由于剪切变形而给梁带来的附加挠度,因此在条件允许的情况

图4　矩形梁荷载-挠度对比曲线

Fig.4　Load2distortioncurveofrectanglebeams

表5　碳纤维加固梁和对比梁的极限荷载与变形能力汇总

Tab.5　Limitloadresistanceanddistortioncapacityofthebeams

编号

L1-r

L2-rRL1-rRL2-rRL3-rRaL1-rRaL2-rRaL3-rL1-tL2-tRL1-tRL2-tRL3-t

最大挠度/mm

2.693.728.629.3910.638.877.481)8.784.133.416.875.9.482)

破坏荷载/kN荷载提高程度/%

59.869.9

破坏现象

加载点与支座之间突然产生一条斜裂缝,呈典型的斜拉破坏

托梁先屈服

162.6166.3166.71.3163.097.393.1

95.2

585456151157158154152

95kN时,在剪弯段出现多条斜裂缝.荷载加到155kN时,与斜裂缝相交的U型箍,靠近端部的被拉断,加载点附近的被剥离,整个

梁呈剪压破坏形式

加载到150kN时,斜裂缝宽度为0.5mm,试验梁明显发展到不稳定的状况.锚固与无锚固条的梁的试验现象没有太大区别,均呈剪压破坏形式

与矩形梁相似,呈斜拉破坏

与矩形加固梁不同的是,斜裂缝不是在中腹首先出现,而是弯曲裂缝先斜向发展,然后再在中腹出现斜拉裂缝.加载到150kN左右时,3根梁均在加载点与支座之间产生一条斜裂缝,斜拉破坏

150.6146.6148.6

　　　　1)RaL2-r加载到154.2kN时,数据采集系统局部破坏,此时对应最大挠度为7.48mm;

　　2)RL3-t加载到122kN时,数据采集系统局部破坏,此时对应最大挠度为4.48mm.

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下,加固时应该尽可能地采用斜贴加固.但实际操作中,斜贴方法的锚固效果难以保证,45°的斜向粘贴质量也不容易掌握,U型箍的采用还是非常普遍的.

3.2.2　T型截面梁试验结果分析与比较

不如矩形梁.3.3　试验值与理论值的比较

从表6中可以看出,文献[5]提出的无腹筋梁抗剪公式能较好地反映试件的承载力状况《混凝土结;构设计规范》中的无腹筋梁的抗剪公式以及《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》中碳纤维加固的抗剪公式与其相对应的极限承载力相比保险系数较大;文献[7]中能较好地反映碳纤维加固后试件的抗剪承载力状况,但试验中斜裂缝的夹角矩形梁为30°左右,T型梁为45°左右,与假设的45°相比不是太吻合,可以调整.

同矩形梁试验相比,经过加固后的T型梁其极

限承载能力与变形能力都得到了提高,取平均值,结果见表6(挠度仅计算2根加固梁).

可以看到,T型梁的加固效果明显不如矩形梁,观察试验中T型梁破坏的情况,碳纤维布并没有拉断的现象,说明T型梁的破坏源于碳纤维布的锚固破坏,碳纤维布还没有完全发挥作用,因此加固效果表6　极限承载力试验值与理论值的比较Tab.6　Comparisonbetweenexperimentalandcalculatedresultsoflimitcapacity

编号

L1-r

L2-rRL1-rRL2-rRL3-rRaL1-rRaL2-rRaL3-rL1-tL2-tRL1-tRL2-tRL3-t(1)

Vs/kN

(2)2VLcs/kN52.052.0

(2)-(1)(3)-(1)(4)-(1)(5)-(1)(3)(4)(5)

%/%/%/%

2V′/kN2V/kN2V/kN(1)(1)(1)(1)csL1L2

-13.0

-25.0

63.263.2

5.7-9.6

52.052.098.098.098.0

-13.0-25.6-39.7-41.1

63.263.2123.8123.8123.8133.2133.2133.294.4.8124.9124.9124.95.7-9.6-----23.925.620.118.918.3-2.61.8-17.1-14.8-15.959.869.9

托梁先屈服

162.6166.3166.71.3163.097.393.1150.6146.6148.655.655.6-42.9-59.794.4.81.81.8

55.655.6103.0103.0103.0-----42.959.731.629.730.7　　　注:(1)为极限承载力试验值;(2)为抗剪极限承载力理论值;(3)为名义抗剪极限承载力理论值;(4)为加固后抗剪极限承载力理论

值;(5)为碳纤维加固后抗剪极限承载力理论值.

纤维布的锚固要求.

4　结论

在碳纤维加固混凝土桥的研究中,对抗弯加固的研究已相当成熟,但由于剪切本身的复杂性,目前国内外均没有统一的有说服力的公式以及理论,为了使碳纤维更好地运用到实际工程的加固中来,需要进一步对碳纤维加固桥进行试验及理论分析.通过对本试验结果进行分析比较,得到以下初步结论:

(1)碳纤维可有效提高梁的抗剪承载力.

(2)在碳纤维加固矩形梁中,斜贴与U型箍对于极限承载力的提高效果差不多,但斜贴能有效控制裂缝发展以及减少挠度.

(3)碳纤维加固后的梁破坏其脆性特征比较明显,因此要控制好极限应变.

(4)相对于T型梁,矩形梁加固更容易满足碳

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