不同方法加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板受力性能試驗(yàn)研究

胡克旭劉宜良 汪 洋

（同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

不同方法加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板受力性能試驗(yàn)研究

胡克旭*劉宜良 汪 洋

（同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

采用板底粘貼碳纖維布和板頂疊合混凝土層的方法研究對預(yù)應(yīng)力空心板的加固效果。共進(jìn)行了3塊板的加固試驗(yàn)，分別采用板底粘貼碳纖維布、板頂疊合混凝土現(xiàn)澆層、同時(shí)粘貼碳纖維布和疊合混凝土層3種加固方法，通過測試開裂荷載、極限荷載、撓度和應(yīng)變，研究了加固板受彎性能。結(jié)果表明：在本試驗(yàn)條件下，采用板底粘貼碳纖維布方式加固對板的承載力和延性均有大幅提升；采用板頂疊合層加固的方式對板的承載力和剛度有大幅提升，但破壞形式仍為脆性破壞；而同時(shí)采用板底粘貼碳纖維布和板頂疊合層的方式，對板的承載力提高更大，延性也大幅提升。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，碳纖維布加固，混凝土疊合層加固，受彎試驗(yàn)

1 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板由于其價(jià)格便宜、工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝方便等特點(diǎn)，20世紀(jì)六七十年代在我國被大范圍使用。目前，大量使用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的建筑仍在服役。然而，在房屋長期使用過程中，這些以預(yù)應(yīng)力混凝土空心板作為樓板的建筑，或由于內(nèi)部使用功能導(dǎo)致荷載的改變，或由于年久失修存在安全隱患，需要對樓板進(jìn)行加固處理。

現(xiàn)階段使用纖維復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要針對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是預(yù)應(yīng)力空心樓板的研究很少。閆長旺等［1］在2007年進(jìn)行了7塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的粘貼碳纖維（CFRP）加固試驗(yàn)，對比分析了粘貼CFRP加固后板的承載力、剛度、延性性能；劉成才等［2］在2006年進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力混凝土疊合空心板的正截面受彎承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：在120 mm厚的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板上澆筑40 mm疊合層的疊合板，其疊合交界面性能滿足使用要求，疊合板的剛度比未疊合板顯著提高。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同方法加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的受彎性能，為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)試件

利用工程拆除中卸下的4塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板進(jìn)行加固研究。試驗(yàn)用板為兩種規(guī)格，分別為滬標(biāo)《滬G302預(yù)應(yīng)力多孔板》［3］中YKB-4-27-3及YKB-5-27-3，制作于1993年。實(shí)測空心板板寬380 mm和480 mm，板長2 840 mm，抽孔直徑為76 mm，每孔間配置3根φb4低碳冷拔鋼筋。

2.1.1 材性試驗(yàn)

為了解試驗(yàn)用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的混凝土強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度，利用其中的一塊板進(jìn)行材性試驗(yàn)。在板上切取3個(gè)混凝土試塊測試抗壓強(qiáng)度，在3根預(yù)應(yīng)力鋼筋上貼應(yīng)變片測試其殘余應(yīng)力，截取3根預(yù)應(yīng)力鋼筋測試其抗拉強(qiáng)度。實(shí)測3個(gè)混凝土試塊平均抗壓強(qiáng)度為50 MPa，鋼筋的殘余應(yīng)力平均為393 MPa，鋼筋的平均抗拉強(qiáng)度為851 MPa（無明顯屈服點(diǎn)）。

加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板所使用的碳纖維布為國內(nèi)某企業(yè)提供的QL-800-2型碳纖維片材，抗拉強(qiáng)度3 400 MPa，彈性模量為2.16×105MPa，公稱質(zhì)量200 g／m2，名義計(jì)算厚度0.111 mm。

疊合層加固用混凝土為C55自密實(shí)細(xì)石混凝土，實(shí)測3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊28天齡期抗壓強(qiáng)度為61.6 MPa。

2.1.2 試件制作

余下的3塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板中，其中1塊YKB-4-27-3板采用板底貼CFRP布加固（編號B1），另2塊YKB-5-27-3分別采用板頂疊合40厚混凝土現(xiàn)澆層加固（編號B2）同時(shí)在板底粘貼CFRP和板頂疊合混凝土層加固（編號B3）。由于加固板的寬度不同，考慮到CFRP布加固量盡量一致，B1板底貼2層CFRP布，B3板底貼3層CFRP布。另外，考慮原空心板板端損壞，試驗(yàn)用凈跨2 500 mm。試件加固示意如圖1和圖2所示，試件制作如圖3所示。

圖1 B1，B3板底貼CFRP加固平面示意圖（括號內(nèi)的尺寸為B3）Fig.1 Bonding CFRP under slab（The dimensions in brackets are B3）

2.2 加載方案與測點(diǎn)分布

采用液壓千斤頂三分點(diǎn)集中加載，加載裝置如圖4所示。采用分級加載，每級荷載為計(jì)算破壞荷載的10%，在接近開裂荷載和極限荷載時(shí)，每級荷載為破壞荷載的5%，直至試件破壞。

加載過程中記錄試件的位移及應(yīng)變變化。采用位移計(jì)測量板跨中、加載點(diǎn)及支座處位移（如圖4中的D1－D5）。在跨中截面粘貼應(yīng)變片分別測量跨中混凝土上部受壓區(qū)應(yīng)變、預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)變、CFRP纖維應(yīng)變和混凝土疊合層應(yīng)變。應(yīng)變測點(diǎn)位置如圖5所示，每個(gè)截面對稱布置2個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，統(tǒng)一編號為：預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)變S1，S2；空心板頂面混凝土應(yīng)變S3，S4；板底CFRP應(yīng)變S5，S6；疊合層混凝土頂面應(yīng)變S7，S8。

圖2 B1、B2、B3加固截面示意圖Fig.2 Section of B1，B2，B3

圖3 試件制作與試驗(yàn)加載狀況Fig.3 Construction of specimens and loading device

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

為研究不同方法加固板的破壞機(jī)理，試驗(yàn)過程中對每個(gè)試驗(yàn)試件進(jìn)行了破壞過程的跟蹤記錄，實(shí)際破壞特征如下：

圖4 加載裝置與撓度測點(diǎn)布置Fig.4 Loading device and measuring point arrangement

圖5 試件跨中截面應(yīng)變片布置示意Fig.5 Strain gauges arrangement of the section atmidspan

B1為只進(jìn)行板底粘貼CFRP加固的試件。加載至12 kN時(shí)，混凝土底部CFRP有輕微噼啪聲。加載至18 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)混凝土開裂，靠近加載點(diǎn)處出現(xiàn)斜裂縫。連續(xù)加載至36 kN時(shí)預(yù)應(yīng)力空心板中出現(xiàn)兩聲巨響，加載至47 kN時(shí)，板底出現(xiàn)粉狀脫離現(xiàn)象，伴隨劈啪聲。加載至49 kN時(shí)，板在左側(cè)加載點(diǎn)外側(cè)被斜向拉裂，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋拉斷回縮，一幅CFRP布拉斷，另一幅在支座處剝離。整體破壞現(xiàn)象類似梁的斜拉破壞，如圖6（a）所示。

B2為上部澆筑疊合層加固的試件。加載至27 kN時(shí)，跨中板底出現(xiàn)初始裂縫。隨后加載至40 kN時(shí)，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)斷裂巨響。加載至45.8 kN時(shí)，板跨中裂縫延伸至混凝土疊合交界處，內(nèi)部部分預(yù)應(yīng)力鋼筋拉斷，結(jié)構(gòu)發(fā)生受彎破壞。試驗(yàn)顯示，疊合層與被加固結(jié)構(gòu)未發(fā)生滑移劈裂，共同工作性能良好。

B3為上部澆筑疊合層、下部粘貼CFRP的試件。加載至30 kN時(shí)，加載點(diǎn)外側(cè)附近出現(xiàn)初始裂縫。加載至50 kN時(shí)，底部混凝土陸續(xù)剝落。加載至69 kN時(shí)，左側(cè)加載點(diǎn)處板發(fā)生脆性斷裂，內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋回縮。整體破壞類似梁的斜拉破壞，如圖6（b）所示。

圖6 B1和B3試件破壞狀態(tài)Fig.6 Failuremode of specimen B1 and B3

表1為試驗(yàn)所得各試件開裂荷載、開裂撓度、極限荷載、極限撓度以及破壞形態(tài)的匯總情況。結(jié)果表明，板頂疊合層加固的空心板B2，承載力提高明顯，但破壞時(shí)板的撓度很小，仍呈普通空心板的脆性破壞形態(tài)。而粘貼碳纖維加固能顯著提高試件的承載能力和變形能力；加固試件B1和B3均出現(xiàn)了受剪破壞的情況，說明粘貼碳纖維加固的方法能夠顯著提高試件的抗彎承載力，加固試件由原來的抗彎控制轉(zhuǎn)為抗剪控制。

表1 實(shí)測各試件荷載及撓度Table 1 M easured load and deflection of each specimen

3.2 荷載－撓度曲線

圖7為試驗(yàn)所得各試件的荷載－撓度曲線，不同加固方法對板的承載力均有明顯提高，而板底粘貼碳纖維加固的B1和B3變形能力較B2也有大幅度提高。

3.3 荷載－應(yīng)變曲線

圖8－圖10為根據(jù)試驗(yàn)所得的各試件隨荷載增加，跨中板頂混凝土、板底CFRP、預(yù)應(yīng)力鋼筋、疊合層頂混凝土的應(yīng)變變化過程。

圖7 B1、B2、B3試件實(shí)測荷載-跨中撓度曲線Fig.7 B1，B2，B3 load-midspan deflection curve

圖8 B1跨中截面荷載－應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curve atmidspan of B1

圖9 B2跨中截面荷載－應(yīng)變曲線Fig.9 Load-strain curve atmidspan of B2

圖10 B3跨中截面荷載－應(yīng)變曲線Fig.10 Load-strain curve atmidspan of B3

圖11和圖12分別為開裂荷載和破壞荷載下的各試件跨中截面應(yīng)變分布情況，可以看出，無論是開裂荷載還是極限荷載，加固板的跨中截面基本能滿足平截面假定。

圖11 開裂荷載下加固試件跨中截面變形示意Fig.11 Strain ofmidspan section under cracking load

圖12 極限荷載下加固試件跨中截面變形示意Fig.12 Strain ofmidspan section under ultimate load

4 加固效果分析

為進(jìn)一步對比分析不同加固方法的加固效果，本文對各試件開裂荷載、極限承載力和極限變形進(jìn)行了計(jì)算分析。分析時(shí)，做如下基本假定：①截面符合平截面假定；②混凝土和鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［4］取用；③CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性；④忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度；⑤忽略CFRP和混凝土之間的相對滑移；⑥疊合層與舊混凝土間粘結(jié)良好。

為方便計(jì)算，將原空心板截面依截面面積、形心和慣性矩不變的原則，換算成等效工字形截面，兩種截面換算后結(jié)果如圖13所示。

圖13 預(yù)應(yīng)力板等效工字形截面Fig.13 Equivalent cross-section of the slabs

4.1 開裂荷載

B1、B2、B3試件的開裂荷載計(jì)算參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［4］中有關(guān)規(guī)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 開裂荷載計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對比Table 2 Comparison of cracking load between calculated and experim ental values

表3 極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Table 3 Comparison of ultimate load between calculated and experim ental values

由于受試驗(yàn)試件數(shù)量限制，本文未進(jìn)行不加固的原始預(yù)應(yīng)力空心板的受力性能對比試驗(yàn)。但為對比分析，分別對B1板加固前的板以及B2與B3加固前的板的開裂荷載進(jìn)行了理論計(jì)算，并以此作為加固效果的對比依據(jù)。計(jì)算得B1板加固前的開裂荷載為14.4 kN，B2和B3板加固前的開裂荷載為18.1 kN。由此可得，粘貼CFRP的B1和未加固板相比，開裂荷載提高25%。而采用澆筑混凝土疊合層的B2和B3的開裂荷載較加固前分別有49%和65%的提升。另外，粘貼CFRP加固的B3和未粘貼CFRP的B2相比，開裂荷載提高11%。對比B1和B2開裂荷載的提高幅度可見，粘貼CFRP加固對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板開裂荷載的提高幅度明顯小于疊合混凝土加固方法。

4.2 極限承載力

CFRP加固的板的抗彎承載力按照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608—2010）［5］中4.2.5條T形截面加固正截面受彎承載力的方法計(jì)算，抗剪承載力按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［4］中6.3.4條加固截面的斜截面受剪承載力計(jì)算方法驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)實(shí)測B2的抗彎承載力、B3的抗剪承載力均小于理論值，原因可能為：①疊合層混凝土由于制作原因，強(qiáng)度未達(dá)到標(biāo)稱強(qiáng)度，導(dǎo)致截面抗剪能力下降；②預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力水平不齊，試驗(yàn)時(shí)先后拉斷，導(dǎo)致實(shí)測抗彎承載力低。

同樣，為對比極限承載力加固效果，對B1板加固前的極限承載力和B2、B3板加固前的極限承載力分別進(jìn)行了計(jì)算。B1板加固前抗彎和抗剪承載力計(jì)算值分別為29.3 kN和45.6 kN；B2和B3板加固前抗彎和抗剪承載力計(jì)算值分別為36.8 kN和54.1 kN。由此可得，粘貼CFRP加固板B1對未加固板極限承載力提高67%，采用上部澆筑疊合層的加固板B2對未加固板極限承載力提高24%，同時(shí)粘貼CFRP和疊合混凝土層的加固板B3對未加固板極限承載力提高87%，而B3對B2的極限承載力提高51%。說明，對于極限承載力而言，CFRP加固效果明顯高于疊合層加固。

4.3 撓度計(jì)算

撓度計(jì)算采用文獻(xiàn)［6］中的方法，文中部分公式及參量見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［4］中有關(guān)規(guī)定。表4為極限荷載下計(jì)算撓度與實(shí)驗(yàn)值對比。表中試件撓度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比值，其平均值為1.157，標(biāo)準(zhǔn)差為0.233，變異系數(shù)為0.202，說明文獻(xiàn)［6］的計(jì)算方法可用于本試驗(yàn)條件的撓度計(jì)算。

表4 撓度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比Table 4 Comparison of deflection between calculated and experimental values

同樣，為對比加固后剛度變化，對B1板加固前的撓度和B2、B3板加固前的撓度分別進(jìn)行了計(jì)算。B1板加固前撓度計(jì)算值為25.8 mm；B2和B3板加固前的撓度計(jì)算值為26.1 mm。由此可得，粘貼CFRP加固板B1對未加固板破壞時(shí)撓度提高96%，上部澆筑疊合層的加固板B2對未加固板破壞時(shí)撓度無明顯提高，而同時(shí)粘貼CFRP和疊合混凝土層的加固板B3對未加固板破壞時(shí)撓度提高51%，B3對B2的極限承載力提高97%。結(jié)果說明，粘貼CFRP能夠大幅度提高預(yù)應(yīng)力空心板的變形性能，而疊合層加固方法無變形性能方面的提高。

5 結(jié) 論

本文進(jìn)行了3塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的不同加固方法對比試驗(yàn)，通過與實(shí)測結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的對比，得出以下結(jié)論：

（1）三種加固方法對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的受力性能均有明顯提高。本試驗(yàn)中，板底粘貼CFRP加固板B1的開裂荷載較加固前提高25%，極限承載力較加固前提高67%，變形能力（撓度）較加固前提高96%；上部澆筑疊合層的加固板B2的開裂荷載較加固前提高49%，極限承載力較加固前提高24%，變形能力（撓度）較加固前無明顯提高；同時(shí)粘貼CFRP和疊合層加固板B3的開裂荷載較加固前提高65%，極限承載力較加固前提高87%，變形能力較加固前提高51%。

（2）對預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用板底粘貼CFRP加固，可大幅提高其承載能力和變形能力；而板頂疊合混凝土層加固，可明顯提高其承載能力，但對變形能力提高不明顯。因此，建議實(shí)際工程中優(yōu)先選用板底粘貼CFRP的加固方法；而在需要大幅提高承載力的情況下，可采用同時(shí)粘貼CFRP和疊合混凝土層的方法加固。

［1］ 閆長旺，劉曙光，王玉清.碳纖維加固預(yù)應(yīng)力空心板抗彎承載力試驗(yàn)研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，2（37）：250-254.Yan Changwang，Liu Shuguang，Wang Yuqing.Experimental study of the flexural capacity of prestressed RC hollow core slabs strengthened by CFRP［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2008，2（37）：250-254.（in Chinese）

［2］ 劉成才，王俊，何元勇.預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究［J］.中州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，1（23）：111-114.Liu Chengcai，Wang Jun，He Yuanyong.On the structural behavior of the pre-stressed concrete thinhollow slabs［J］.Journal of Zhongzhou University，2006，1（23）：111-114.（in Chinese）

［3］ 上海市建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).滬G302預(yù)應(yīng)力混凝土空心板［S］.上海：上海市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化辦公室，1993.Shanghai Architectural Design Standards.Shanghai G302 prestressed concrete hollow slab［S］.Shanghai：Shanghai Engineering Construction Standardization Office，1993.（in Chinese）

［4］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50010—2010 Code for design of concrete structures［S］.Beijing：China Building Industry Press，2010.（in Chinese）

［5］ 中國冶金建設(shè)協(xié)會.GB 50608—2010纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2010.China Metallurgical Construction Association.GB 50608—2010 Technical code for infrastructures application of FRP composites［S］.Beijing：China Planning Press，2010.（in Chinese）

［6］ 閆長旺，劉曙光，王剛，等.碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力空心板剛度試驗(yàn)與計(jì)算［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，11（30）：103-107.Yan Changwang，Liu Shuguang，Wang Gang，et al.Experimental research and calculation of sectional stiffness of pre-stressed RC hollow core slab strengthened by CFRP［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，11（30）：103-107.（in Chinese）

［7］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367-2006 Design code for strengthening concrete structure［S］.Beijing：China Building Industry Press，2006.（in Chinese）

［8］ Elgabbas F，El-Ghandour A A，Abdlrahman A A，et al.Different CFRP strengthening techniques for prestressed hollow core concrete slabs：experimental study and analytical investigation［J］.Composite Structures，2010，92：401-411.

Experimental Study on M echanical Performances of Different Strengthening M ethods for Pre-stressed Hollow Core Concrete Slabs

HU Kexu*LIU Yiliang WANG Yang
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）

In order to investigate the effect of strengthening pre-stressed RC hollow slabs with carbon fiber reinforced plastics（CFRP）and by adding concrete laminated layer，in this paper，3 strengthened hollow core slabswere tested.These 3 slabs are respectively strengthened by bonding CFRP，adding concrete laminate layer，and by both bonding CFRP and adding laminate layer.In this research，cracking load，ultimate load，deflection and strain were recorded to study the flexural performance of these strengthened slabs.The results showed that：In this experimental condition，the bearing capacity and ductility have increased dramatically under strengthening by CFRP.Italso indicate that the bearing capacity and stiffness increased dramatically under strengthening by laminate layer，but the failuremode of this slab is still brittle failure.If using both CFRP and the laminate layer，both bearing capacity and ductility can be improved.

pre-stressed hollow core concrete slab，strengthening with CFRP，strengthening with concrete laminate layer，flexural test

2013－10－13

*聯(lián)系作者，Email：kexuhu＠163.com