CFRP加固RC雙向板的撓度和破壞形態(tài)

李文盛,王曉偉

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州 434023)

0 前言

近年來(lái),隨著纖維復(fù)合材料在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固中廣泛應(yīng)用,相應(yīng)的加固試驗(yàn)研究也取得了豐富的成果。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固(Carbon-Fibre Reinforced Plastic,簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP)鋼筋混凝土(Reinforced Concrete,簡(jiǎn)稱(chēng)RC)梁的研究比較成熟,而對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土雙向板正常使用階段的撓度、裂縫的研究較少[1-6]?！短祭w維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146:2003)[7](以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)程)也未明確指出加固后鋼筋混凝土板的正常使用階段撓度、裂縫的驗(yàn)算方法。本文以鋼筋混凝土基本理論和方法為出發(fā)點(diǎn),結(jié)合試驗(yàn)研究,分析了二次受力情況下CFRP加固 RC雙向板的撓度變化、破壞形態(tài)和破壞機(jī)理,為設(shè)計(jì)與施工提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)共制作了 4塊相同規(guī)格的鋼筋混凝土雙向板,板的平面尺寸及配筋見(jiàn)圖1a(實(shí)線(xiàn)為板的實(shí)際尺寸,虛線(xiàn)為板的受力區(qū)),板厚80 mm,鋼筋保護(hù)層厚度為短向15mm,長(zhǎng)向?yàn)?5mm加上鋼筋直徑6mm。試驗(yàn)板編號(hào)以及配布方式見(jiàn)表1。加固板的同方向相鄰碳纖維布中心間距均為300mm,在這種貼布方式下,板的四角未貼布區(qū)域均呈正方形,圖1b為試驗(yàn)板JB1的貼布方式。

加固使用的碳纖維布和其他材料特性見(jiàn)表2。本試驗(yàn)所用的混凝土抗壓強(qiáng)度和鋼筋的抗拉強(qiáng)度均由試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得。

圖1 板規(guī)格及JB1板貼布方式

表1 試驗(yàn)板配布方式

表2 材料特性

圖2 加載裝置

試驗(yàn)板采用周邊簡(jiǎn)支支承[8],將預(yù)先制作的工字型圈梁置于 4個(gè)方墩上,試驗(yàn)板擱置于工字型圈梁上,加載裝置如圖2所示。為模擬均布荷載作用,將試驗(yàn)板劃分為 4×4個(gè)大小相同的區(qū)格,每個(gè)區(qū)格所施加的圓形局部荷載通過(guò)反力架、千斤頂、工字梁和鋼板實(shí)現(xiàn)靜力傳遞。板內(nèi)鋼筋和碳纖維布條帶的應(yīng)力均由預(yù)先貼在其表面的應(yīng)變片測(cè)得,各傳感器試驗(yàn)時(shí)預(yù)先標(biāo)定。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式,每級(jí)取 5 kN/m2,在每級(jí)加載完成后持荷 15 min以待儀表穩(wěn)定后讀數(shù)。為能更加貼近實(shí)際工程,本試驗(yàn)采用二次受力加固模式,即板在加固前先進(jìn)行預(yù)加載,待裂縫達(dá)到0.25mm時(shí)完全卸載并進(jìn)行加固,然后實(shí)施二次加載至破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 撓度變化分析

碳纖維與鋼筋應(yīng)變?cè)诩虞d初期很小,而且碳纖維的應(yīng)變略大于受拉縱筋的應(yīng)變,這符合平截面假定[9],說(shuō)明碳纖維與混凝土之間沒(méi)有發(fā)生滑移。

圖3為外荷載與各板板底中心點(diǎn)的撓度關(guān)系曲線(xiàn),通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在加載初期,加固板與對(duì)比板的撓度均呈線(xiàn)性發(fā)展,兩者曲線(xiàn)相近,這說(shuō)明碳纖維布在加載初期還未發(fā)揮作用;當(dāng)外荷載達(dá)到45 kN/m2時(shí),對(duì)比板撓度發(fā)生突變,且有明顯的增大,而加固板繼續(xù)呈線(xiàn)性發(fā)展,由此可見(jiàn)碳纖維布加固對(duì)雙向板的后期剛度提高較大,能有效抑制撓度的過(guò)快增長(zhǎng)。

圖3 外荷載與試驗(yàn)板板底中點(diǎn)撓度關(guān)系曲線(xiàn)

圖4表示各試驗(yàn)板的板底中心處的外荷載與鋼筋的應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn),可以看出各加固板的鋼筋應(yīng)變基本呈線(xiàn)性分布,而對(duì)比板的鋼筋應(yīng)變則在荷載加至 45 kN/m2時(shí)出現(xiàn)突變,此時(shí)對(duì)比板鋼筋屈服。

圖5表示板底中心處,加固板的外荷載與碳纖維布的應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)和對(duì)比板的外荷載與混凝土的應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn),由于碳纖維布對(duì)板底的約束作用,使得加固板的板底應(yīng)變比對(duì)比板要小很多。各加固板之間碳纖維布應(yīng)變相差不大,且都在荷載達(dá)到較大數(shù)值時(shí)才發(fā)生突變,此時(shí)加固板鋼筋屈服。

從試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析可見(jiàn):加固板的承載力和剛度較對(duì)比板而言,均有明顯提高。同時(shí),各加固板的撓度、鋼筋和碳纖維布的應(yīng)變并不隨碳纖維布用量的增加而出現(xiàn)顯著變化,這是由于 3塊加固板均是在板的相同區(qū)域進(jìn)行加固,而碳纖維布的強(qiáng)度很高,難以被充分利用,致使各加固板的加固效果相近。

圖6 對(duì)比板DB 1板底裂縫圖

2.2 板的破壞形態(tài)分析

規(guī)范規(guī)定在室內(nèi)正常環(huán)境下,板的最大裂縫寬度限值為0.3mm[10]。在荷載增加至 15 kN/m2時(shí),對(duì)比板DB1首先在板底中部沿長(zhǎng)跨方向出現(xiàn)一條正彎曲裂縫,隨著荷載的增加,在板底的4個(gè)角區(qū)先后出現(xiàn)多條斜向受彎裂縫;在荷載達(dá)到50 kN/m2時(shí),板底45°塑性線(xiàn)已全部形成,板底最大裂縫達(dá)到 0.3mm,板受彎破壞。此后,對(duì)比板仍有較大加載空間,且最終在荷載達(dá)到 105 kN/m2時(shí),在板底中部長(zhǎng)向主裂縫和 45°塑性線(xiàn)的裂縫相互貫通,最終裂縫形態(tài)見(jiàn)圖6,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)比板最終破壞的裂縫形態(tài)呈現(xiàn)典型的線(xiàn)性塑性鉸線(xiàn)形狀。

加固板JB1、JB2和JB3在加固前進(jìn)行預(yù)加載,當(dāng)荷載達(dá)到45 kN/m2時(shí),裂縫寬度均處于0.20.3 mm之間,這與對(duì)比板現(xiàn)象一致。此后完全卸載并貼布加固,養(yǎng)護(hù)達(dá)標(biāo)后重新加載,待荷載達(dá)15 kN/m2時(shí)開(kāi)始觀(guān)測(cè)裂縫及撓度。各板在四角處的斜向裂縫相對(duì)跨中集中貼布區(qū)域發(fā)展較快,但與對(duì)比板 DB1相比仍較慢,表明碳纖維布對(duì)混凝土裂縫的開(kāi)展具有明顯的抑制作用。試驗(yàn)板JB1、JB2分別在荷載達(dá)到115 kN/m2和120 kN/m2時(shí),出現(xiàn)了碳纖維布的剝離,繼續(xù)加載至150 kN/m2和155 kN/m2時(shí),碳纖維布出現(xiàn)大面積剝離,板隨后被沖切破壞,試驗(yàn)板 JB2的極限形態(tài)見(jiàn)圖7。試驗(yàn)板JB3在荷載達(dá)到130 kN/m2時(shí)出現(xiàn)了第一處剝離,當(dāng)繼續(xù)加載至 160 kN/m2時(shí),剝離開(kāi)始大面積發(fā)展,如圖8所示,此時(shí)及時(shí)卸載避免了板發(fā)生沖切破壞。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)碳纖維布加固鋼筋混凝土雙向板的試驗(yàn)研究和理論分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)用碳纖維布加固鋼筋混凝土雙向板,加固后板的承載能力、整體性、抗裂性能、剛度等都得到明顯的改善。碳纖維加固在加載前期對(duì)板的撓度影響不明顯,但是在后期對(duì)板的撓度的增長(zhǎng)具有有效的抑制作用。

(2)在均布荷載作用下,碳纖維布加固鋼筋混凝土雙向板的破壞始于碳纖維布條帶端部的剝離,因此可以考慮在碳纖維布的端部進(jìn)行適當(dāng)?shù)腻^固。

(3)碳纖維布的強(qiáng)度很大,但是由于剝離的緣故,很難被充分利用,因此碳纖維布的合理貼布量有待研究,以節(jié)約成本。

[1] ErkiM A,Hefferman P J.Rein forced Concrete Slabs Externally Strengthened with Fibre-reinforced Plastic Materials[C]//Taerwe L.Non-Metallic(FRP)Reinforcement for Concrete Structures.[S.l.]:E＆FN Spon,1995:509-516.

[2] 張繼文,呂志濤,滕錦光,等.外貼 CFRP或鋼條帶加固混凝土雙向板的受力性能以及承載力計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(4):42-48.

[3] 良桃,宋力,施楚賢.碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的抗彎試驗(yàn)和理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2007,8(1):72-79.

[4] 鄭俊杰,李志華,翟世鴻.玻璃纖維混凝土板的試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):城市科學(xué)版,2009,26(1):19-21.

[5] 李俊清,劉曙光.碳纖維加固鋼筋混凝土雙向板的試驗(yàn)研究[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2007,15(5):73-77.

[6] 蔣元平,蔣滄如,舒林,等.CFRP加固鋼筋混凝土梁抗裂性的理論及實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30 (8):109-112.

[7] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS146:2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社, 2003.

[8] 沈在康.混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用講評(píng)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1991.

[9] GB50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[10] GB50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.