粘貼碳纖維或鋼板加固受彎構(gòu)件的效果對(duì)比

王敏容

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粘貼碳纖維或鋼板加固受彎構(gòu)件的效果對(duì)比

王敏容

（五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門，529020）

粘貼碳纖維或鋼板是橋梁加固中常用的兩種被動(dòng)加固方法，以粘貼碳纖維布和鋼板加固鋼筋混凝土T梁為例，從加固計(jì)算原理、加固后承載力、各材料強(qiáng)度和剛度方面對(duì)比分析加固效果. 計(jì)算結(jié)果表明：粘貼1～3層碳纖維布加固與粘貼4～10 mm鋼板加固對(duì)比，前者對(duì)梁的承載力及剛度提高效果都不如后者；粘貼碳纖維布的高強(qiáng)度沒有得到充分發(fā)揮，加固對(duì)各材料的應(yīng)力強(qiáng)度改善不明顯，適合于構(gòu)件的抗裂性加固；若要提高梁的承載力和整體剛度，采用粘貼鋼板加固比較合適.

碳纖維布加固；粘鋼加固；橋梁加固；受彎構(gòu)件；承載力計(jì)算

粘貼碳纖維或鋼板加固是采用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將碳纖維或鋼板粘貼在被加固構(gòu)件的受拉部位或薄弱部位的表面，使其與被加固構(gòu)件形成整體共同受力，以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和改善結(jié)構(gòu)受力性能. 粘貼碳纖維和鋼板是橋梁加固中常用的被動(dòng)加固方法，均可提高梁的承載力，適用于原構(gòu)件受拉主筋或斜筋配筋不足以及原構(gòu)件受拉鋼筋嚴(yán)重腐蝕或受損的梁和板的加固. 由于部分工程人員對(duì)這2種加固方法認(rèn)識(shí)不深，實(shí)際操作中將二者互換而常造成不必要的浪費(fèi)，本文根據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ/T J22—2008）[1]，采用粘貼鋼板和碳纖維布加固鋼筋混凝土T梁，從加固計(jì)算原理、加固后承載力、材料強(qiáng)度和剛度等方面對(duì)比其加固效果，分析兩種加固方法的適用范圍.

1 粘貼碳纖維和鋼板加固方法

1.1 粘貼碳纖維加固法

粘貼碳纖維加固是將碳纖維材料用黏結(jié)劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上，利用碳纖維的高強(qiáng)抗拉強(qiáng)度來增大結(jié)構(gòu)的抗拉或抗剪能力的一種加固方法. 適用于梁、板的抗彎和抗剪加固. 其力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示.

表1 橋梁加固用碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)

碳纖維布自重很輕，厚度為0.111～0.167 mm，粘貼不超過3層，對(duì)整個(gè)加固結(jié)構(gòu)重量及橋下凈空的影響微乎其微. 碳纖維布粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了原有混凝土的裂縫，其高強(qiáng)高模量的特性還限制了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)展，從而提高了混凝土構(gòu)件的整體剛度.

1.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固是用環(huán)氧樹脂或建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板沿構(gòu)件的受拉區(qū)或抗剪薄弱部位粘貼在混凝土構(gòu)件的邊緣，利用鋼板來補(bǔ)充原構(gòu)件鋼筋的不足，以提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度的一種加固方法. T梁正截面承載力不足出現(xiàn)梁底裂縫時(shí)可在梁底粘貼鋼板. 當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力區(qū)斜筋不足時(shí)，可在混凝土構(gòu)件的側(cè)面，并垂直于剪切裂縫的方向斜向粘貼鋼板，也可豎向粘貼條狀鋼板或使用U形和L形的箍板. 其力學(xué)性能指標(biāo)如下表2所示.

表2 橋梁加固用鋼板主要力學(xué)性能指標(biāo)

粘貼鋼板一般厚度為4～10 mm，基本不影響加固構(gòu)件的外形和橋梁凈空，橋梁自重增加也很小. 可在不影響或少影響交通的情況下施工，施工工藝簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量容易控制. 在梁底粘貼鋼板可以提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，對(duì)以控制結(jié)構(gòu)變形為主要目的的加固是十分有效的.

2 正截面加固承載力計(jì)算

2.1 基本假定

碳纖維或鋼板加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力計(jì)算，均遵守以下基本假定[1-2]：

4）碳纖維或鋼板與構(gòu)件牢固粘貼在一起，采取可靠的錨固措施，達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)前，碳纖維或鋼板與混凝土之間無粘結(jié)剝離破壞.

2.2 破壞形態(tài)

2.3 正截面承載力計(jì)算

混凝土受壓區(qū)高度可由下式計(jì)算得到：

加固碳纖維（鋼板）的拉應(yīng)變由兩階段受力的應(yīng)變比例關(guān)系可以得到：

加固碳纖維（鋼板）的拉應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中加固前受拉邊緣混凝土的初始應(yīng)變（碳纖維或鋼板的滯后應(yīng)變）為：

3 粘貼碳纖維布和鋼板加固效果對(duì)比

以下通過粘貼碳纖維布和鋼板加固某鋼筋混凝土橋?yàn)槔?jì)算比較2種粘貼加固在承載力、材料強(qiáng)度和剛度方面的加固效果.

1）加固后承載力比較

粘貼碳纖維布和鋼板加固的承載力計(jì)算結(jié)果見表3、4所列.

表3 粘貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)承載力

表4 粘貼鋼板加固結(jié)構(gòu)承載力

對(duì)比表3和表4的加固后承載能力，在常用的粘貼厚度內(nèi)，粘貼碳纖維布加固對(duì)抗彎承載力提高效果不理想，粘貼3層碳纖維布加固后的承載力不如4 mm鋼板加固后的承載力. 從表3可以看出，粘貼2層碳纖維布對(duì)承載力提高較小，粘貼3層碳纖維布比較合理，承載力提高6.5%，且增加一層碳纖維布，承載力增加5.1%；而粘貼4 mm鋼板，承載力提高7.9%，每增加1層鋼板，承載力可提高3.7%；對(duì)比增加一層粘附物對(duì)承載力的提高程度，碳纖維布提高承載力比鋼板高，增加碳纖維布面積對(duì)承載力提高作用較大.

2）材料總應(yīng)力比較

考慮構(gòu)件加固前荷載由原構(gòu)件承擔(dān)，加固后荷載由原構(gòu)件和粘貼物組成的組合截面承擔(dān)，材料具有分階段受力的特點(diǎn). 采用文獻(xiàn)[7]中計(jì)算原理，粘貼2種材料加固時(shí)跨中截面的新、舊各材料的最終應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5所列.

表5 粘貼碳纖維布或鋼板加固各材料應(yīng)力

從表5的計(jì)算結(jié)果可知，隨著粘貼碳纖維布層數(shù)和鋼板厚度的增加，混凝土壓應(yīng)力、受拉鋼筋應(yīng)力以及粘貼材料的應(yīng)力都逐漸減少，均沒有超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，加固后各材料均能安全工作. 粘貼碳纖維布或鋼板面積的增加，碳纖維布或鋼板與混凝土共同工作，增加了開裂截面慣性矩和截面的抗彎慣性矩，在相同的荷載作用下，各材料應(yīng)力減小. 由于T梁梁肋寬度較小，粘貼碳纖維布面積有限，碳纖維布對(duì)梁截面慣性矩作用較小，加固后混凝土壓應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力均大于粘貼鋼板加固，而且碳纖維布拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并沒有發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)度作用，碳纖維布面積的增加對(duì)各材料應(yīng)力的減少幅度都很小，粘貼碳纖維加固效果不如粘貼鋼板加固效果，此計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[9-10]中試驗(yàn)結(jié)果一致. 如果增加或減少粘貼鋼板面積，混凝土壓應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力的差距值會(huì)減小，但受原構(gòu)件受拉鋼筋強(qiáng)度、新舊材料的滯后應(yīng)變影響以及粘結(jié)膠與混凝土粘結(jié)表面強(qiáng)度的限制，加固效果不會(huì)有很大的改變.

3）剛度比較

4 結(jié)語

1）粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土梁，鋼筋屈服后，受拉區(qū)碳纖維不一定達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞;而粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁發(fā)生適筋梁破壞時(shí)，受拉鋼筋（鋼板）屈服，受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變. 梁的破壞有2種形態(tài)，對(duì)不同破壞形態(tài)應(yīng)分別采用相應(yīng)的承載力計(jì)算公式.

2）在常用的粘貼范圍內(nèi)，粘貼2～3層（4～6 mm）鋼板對(duì)梁的承載力及剛度提高效果都優(yōu)于粘貼2～3層碳纖維布加固，粘貼碳纖維布加固并沒有發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)度作用，碳纖維布加固對(duì)構(gòu)件受壓區(qū)混凝土、受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力改善不明顯.

3）碳纖維布加固不適用于提高梁的抗彎承載力為目標(biāo)的加固，為提高構(gòu)件的抗裂性，制約裂縫的發(fā)展，可以采用碳纖維布加固. 若要提高梁的承載力和整體剛度，采用粘貼鋼板加固比較可靠.

本文提出的粘貼碳纖維與鋼板承載能力計(jì)算公式和加固效果對(duì)比，可供鋼筋混凝土橋梁加固設(shè)計(jì)參考. 但本文僅從加固理論出發(fā)對(duì)比2種方法加固鋼筋混凝土梁的適用性，加固效果仍需從試驗(yàn)方面進(jìn)行深一步的研究. 針對(duì)碳纖維布加固后梁發(fā)生破壞時(shí)，碳纖維的高強(qiáng)度并未完全發(fā)揮作用這一現(xiàn)象，可更進(jìn)一步從試驗(yàn)完善碳纖維的許用拉應(yīng)變?nèi)≈狄约俺休d能力計(jì)算公式.

[1] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. JTG /T J22—2008 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2008.

[2] 鄔曉光，白青俠，雷自學(xué). 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用計(jì)算示例[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3] 陳煥勇，單成林，梁立農(nóng). 現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)粘鋼加固受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理[J]. 中外公路，2009，29(6): 195-198.

[4] 劉來君，秦煜，張艷等. 二次受力對(duì)粘貼鋼板加固梁承載力的影響[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011, 31(1): 46-50.

[5] 周愛軍. 粘貼碳纖維布加固橋梁的抗彎承載力計(jì)算方法與應(yīng)用[J]. 鐵道建筑，2006(10): 32 -34.

[6] 李棠，張祁，王清遠(yuǎn)，等. 碳纖維布加固鋼筋混凝土T形梁的抗彎承載力計(jì)算與分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2009, 41(2): 85-90.

[7] 單成林. 舊橋加固設(shè)計(jì)原理及計(jì)算示例[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[8] 單成林，顏苓. 論現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)粘貼纖維加固受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理[J]. 工程抗震與加固改造，2010, 32(3): 73-76.

[9] 單成林. 粘貼鋼板或碳纖維加固受彎構(gòu)件效果對(duì)比試驗(yàn)研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 19(1): 36-42.

[10] 任偉，賀拴海，袁旭斌. 粘貼纖維布、鋼板加固鋼筋混凝土T梁試驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008, 40(3): 323-330.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

A Contrast Analysis of CFRP-strengthened Flexural Members and Flexural Memberswith Bonded Steel

WANGMin-rong

(School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

CFRP-bonding and steel plate-strengthening have been the most popular ways to reinforce RC beams in bridge reinforcement. Taking the RC T-beams strengthened with CFRP-bonding and those strengthened with steel plates as example, the reinforcement effect is comparatively analyzed from the perspective of the calculation principle, flexural capacity, material strength and section stiffness. The results show that the strengthening effect of steel plate bonding of four to ten millimeters is obviously superior to bonding of one to three layers of CFRP in improving flexural capacity and beam stiffness; the high intensity of CFRP is not fully in force. So bonding CFRP is fit for anti-cracking reinforcement, and bonding steel plates is fit for increasing flexural capacity and beam stiffness.

strengthening by bonding CFRP; strengthening by bonding steel plates; bridge strengthening; flexural members; calculation of flexural capacity

1006-7302（2013）03-0061-07

U445.7+2

A

2013-04-12

江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（31019003）；五邑大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（31022002）

王敏容（1980—），女，湖北應(yīng)城人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及舊橋加固.