均布荷載下碳纖維布加固雙向板的試驗研究

李 源 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

劉 俊 (黃石理工學(xué)院,湖北黃石435002)

在我國大量的混凝土建筑中,很多都存在結(jié)構(gòu)后期老化問題以及一些初始缺陷造成混凝土結(jié)構(gòu)開裂、抗震性能不良、承載力不足等諸多影響安全和使用功能的問題,均使結(jié)構(gòu)需要進行改造和加固。近十幾年來,國際上興起采用建筑用纖維增強復(fù)合材料粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)的新型補強加固方法。對于這種加固方法,國內(nèi)外均有相關(guān)方面的研究,浙江大學(xué)的伍連敏等進行了局部荷載作用下混凝土雙向板碳纖維加固的受力性能試驗研究[1];郭根樟等對外貼玻璃纖維條帶加固鋼筋混凝土雙向板的受彎性能進行了非線性全過程分析,研究了加固板的撓度以及纖維應(yīng)變隨荷載變化的規(guī)律[2];張繼文[3]、Y.C.Wang[4]等提出了碳纖維與混凝土界面應(yīng)力分布的計算模型,借助于計算機可以計算出粘結(jié)應(yīng)力分布。然而,現(xiàn)有資料表明,已有的研究成果大多集中于梁加固后的抗彎、抗剪性能以及柱加固后的抗剪、抗震性能,對于雙向板經(jīng)碳纖維布加固后的各項性能尚沒有成熟的研究成果。由于外貼碳纖維布對雙向板進行補強加固的理論研究明顯滯后于實踐應(yīng)用,故如何對加固后的雙向板各項性能進行評估成為一個迫切需要解決的課題。為此,筆者試驗研究了簡支條件下受均布荷載作用的碳纖維布加固雙向板的承載力提高情況以及加固對雙向板剛度、變形能力的影響。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

該試驗共設(shè)計制作了4塊1500mm×1800mm×80mm的鋼筋混凝土雙向板,各板配筋均為:短向?6@150mm,長向?6@200mm。試驗板的混凝土強度等級設(shè)計為C25,實測立方體抗壓強度為28MPa,鋼筋的平均保護層厚度為15mm。其中,DB1為對比板;JG1、JG2、JG3為預(yù)裂加固板,均采用板底單層貼布方式,碳纖維布的貼布量及分布如圖1所示。

1.2 材料的力學(xué)性能

板內(nèi)鋼筋和加固使用的碳纖維布基本力學(xué)性能指標見表1。

表1 材料基本力學(xué)指標

1.3 加載方案

試驗板采用簡支支承,作動器的加載力由工字梁和鋼板實現(xiàn)靜力傳遞,均布荷載由4×4個均勻分布在板頂?shù)膱A形配送鐵傳給試驗板。采用分級加載方案,每級取5kN/m2,在每級加載完成后持荷15min待儀表穩(wěn)定后讀數(shù)。加固板在加固前進行預(yù)載,至裂縫達到0.2mm(裂縫寬度限值0.3mm[5])時完全卸載,然后進行加固。

圖1 碳纖維貼布方式

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-應(yīng)變分析

承受均布荷載時,雙向板的最大正彎矩在板底跨中沿短跨方向,各板在此處的外荷載與鋼筋、碳纖維布及混凝土應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2和圖3。

圖2 外荷載與鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3 外荷載與混凝土及碳纖維布應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖2可知,對比板在加載到破壞的整個過程中,鋼筋應(yīng)變呈現(xiàn)出3個階段,即開裂前的彈性階段、開裂后的彈塑性階段及鋼筋屈服后的塑性階段 (第3階段由于鋼筋應(yīng)變片在鋼筋屈服后被破壞,故規(guī)律不明顯)。加固板在加固前已經(jīng)加載至開裂,加固后重新加載,沒有出現(xiàn)對比板在開裂后鋼筋應(yīng)變突然增大的現(xiàn)象。

圖3的關(guān)系曲線表明對比板由于沒有碳纖維布的加固作用,其板底應(yīng)變要明顯大于加固板。在加載的前期,碳纖維布應(yīng)變基本呈線性分布,此時鋼筋應(yīng)變也呈線性,而隨著荷載的增加,鋼筋發(fā)生屈服,增加的荷載全部由碳纖維布承擔(dān),使得碳纖維布的應(yīng)變明顯增大,在加載的后期,隨著應(yīng)變的增加,鋼筋達到強化階段,此時碳纖維布的應(yīng)變有所減小。

2.2 荷載-撓度分析

圖4為外荷載與各板板底中心點的撓度關(guān)系曲線,結(jié)合試驗現(xiàn)象,加固板在外荷載作用下?lián)隙然境示€性發(fā)展,加載后期稍有增大趨勢。對比板在加載前期撓度呈線性發(fā)展,且大小與加固板相近,甚至略小于部分加固板,這是由于加固板在加固前均進行了預(yù)裂,使得粘貼的碳纖維布在加載的初期不能與試驗板共同受力變形,故與直接加固板的撓度關(guān)系曲線不同[6]。當(dāng)外荷載達到45kN/m2時,對比板撓度發(fā)生突變,且有明顯的增大,而加固板繼續(xù)呈線性發(fā)展,由此可見加固對雙向板的后期剛度提高較大。

圖4 外荷載與試驗板板底中心撓度關(guān)系曲線

2.3 破壞形態(tài)分析

圖5為DB1和JG3(JG1、JG2類似)的板底裂縫形態(tài)圖,對于對比板而言,首先在板底中部沿長跨方向出現(xiàn)一條正彎曲裂縫,隨著荷載的增加,在板底的4個角區(qū)先后出現(xiàn)多條斜向受彎裂縫,裂縫寬度在靠近中部區(qū)域較寬,往角部則逐漸減小。

對于加固板而言,板底部分正彎曲裂縫被碳纖維布條帶遮擋住了,但4個角部區(qū)域仍出現(xiàn)多條斜向受彎裂縫,與對比板不同的是,斜向受彎裂縫是從碳纖維布條帶的搭接處出發(fā)往角部發(fā)展的。加固板的裂縫寬度在碳纖維布的集中加固區(qū)域較窄,沿著集中加固區(qū)域外圍產(chǎn)生的裂縫則較寬,往角部則逐漸減小。值得注意的是,加固板在加載后期均出現(xiàn)了碳纖維布的剝離,其中JG3的板底剝離如圖5(b)橢圓所圍區(qū)域及圖5(c)所示。

圖5 試驗板極限形態(tài)圖

對比板和加固板的板底角部主裂縫最終均延伸至板的長邊,這是由于板2個方向的配筋不同引起,板的長方向配筋量少于短方向的配筋量,導(dǎo)致角部主裂縫不是嚴格的沿45°角發(fā)展,而是偏于板的短方向,最終延伸至板的長邊。

2.4 承載力分析

加固板在加載的后期,碳纖維布首先在端部發(fā)生剝離,此后板底裂縫迅速開展,當(dāng)剝離大面積發(fā)展致使板產(chǎn)生很大的塑性變形時,板失去繼續(xù)承載的能力而告破壞。如表2所示,3塊加固板的屈服荷載和極限荷載較對比板都有較大提高。但3塊加固板之間隨碳纖維布用量的增加,屈服荷載、初始剝離荷載和極限荷載提高幅度較小,主要原因是各加固板均是在相同的區(qū)域粘貼碳纖維布,而碳纖維布的強度約為鋼筋的十倍,很難充分利用,且在加載的后期容易剝離,故線性增加碳纖維布的用量并不能使板的承載力線性增大。另外,從圖3和圖4的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線也可以得出相同的結(jié)論。

表2 試驗板的屈服荷載、初始剝離荷載、極限荷載及破壞特征

3 結(jié) 論

1)利用碳纖維布對鋼筋混凝土雙向板進行加固可以顯著提高板的承載力、抗裂性能和抗變形能力,是一種行之有效的加固方法。

2)加固板的破壞幾乎發(fā)生在碳纖維布大面積剝離的同時,故延性有所下降。

3)與直接加固板[6]不同,碳纖維布加固對預(yù)裂加固板的后期剛度提高較大。因此,在實際的加固工程中,為使碳纖維布在承受荷載的早期與構(gòu)件能夠共同受力,提高加固效果,應(yīng)盡可能將上部荷載移去并在加固過程中采用千斤頂支撐雙向板,使得雙向板恢復(fù)大部分變形。另外,筆者認為碳纖維布的預(yù)應(yīng)力加固能較好的處理這個問題,因此有待進一步研究。

4)碳纖維布的強度約為鋼筋的十倍,故很難充分利用,線性增加碳纖維布的用量并不能使板的承載力線性增大,因此在相同的加固區(qū)域粘貼碳纖維布,存在一個經(jīng)濟貼布率的問題有待進一步研究。

5)通過觀察試驗板在加載后的板底裂縫圖,結(jié)合荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線,可以推知試驗板在極限破壞狀態(tài)下的裂縫形態(tài)是典型的線性塑性鉸線模式,對比板的破壞圖示為倒角錐形,加固板則與倒幕式塑性鉸線模式基本相似。

[1]伍連敏,楊驪先,孫柄楠,等.混凝土雙向板碳纖維布加固的受力性能研究 [J].浙江大學(xué)學(xué)報,2005,39(1):81～86.

[2]郭樟根,曹雙寅,王安寶,等.F RP加固 RC雙向板受力全過程的非線性分析 [J].特種結(jié)構(gòu),2006,23(2):83～86,99.

[3]張繼文.外貼FRP、鋼薄板或條帶加固鋼筋混凝土雙向板的研究 [D].南京:東南大學(xué),2000.

[4]Wang Y C,Chen C H.Analytical study on reinforced concrete beams strengthened for flexure and shear with composite plates[J].Composite structures,2003,59:137～148.

[5]GB50068-2001,建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].

[6]胡成.鋼筋混凝土雙向板單向加固技術(shù)的試驗研究 [D].南京:東南大學(xué),2005.