碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能試驗

陳強　劉靈勇　周先雁

摘要：針對損傷嚴(yán)重鋼筋混凝土梁進行環(huán)氧樹脂修復(fù)與碳纖維布加固，加固之后進行力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果表明，三根損傷嚴(yán)重破壞的鋼筋混凝土梁加固修復(fù)處理后，梁的荷載撓度曲線及荷載應(yīng)力曲線呈現(xiàn)線性，極限承載能力提高達(dá)50%左右，結(jié)構(gòu)延性略有下降，結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)類似受彎構(gòu)件正截面破壞。試驗證明，采用的碳纖維布加固和環(huán)氧樹脂修復(fù)已破壞的鋼筋混凝土構(gòu)件的方法是行之有效的，可為實際工程加固設(shè)計提供理論和實際參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；鋼筋混凝土梁；加固；試驗

中圖分類號：S 7；TU 375文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0112-06

Mechanical Performance Test of Reinforced Concrete

Beam with Carbon Fiber Cloth

Chen Qiang1，2，Liu Lingyong1，Zhou Xianyan2

（1.College of Civil Engineering，Hunan City University，Yiyang 413000，Hunan Province；2.College of Civil

Engineering and Mechanics，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004）

Abstract：Mechanical performance test on reinforced concrete beams with carbon fiber cloth and epoxy resin were done in this paper.The test beams had seriously structural damage before reinforcement.The test results showed that after reinforcement the loaddeflection curve and loadstress curve of test beams were basically linear，and the ultimate bearing capacity of the beams increased by almost 50%.The structural ductility declined slightly and the breaking form was similar to the failure in normal cross section.The test results indicated that the method of reinforcing concrete component with carbon fiber cloth and epoxy resin was effective，which can provide references for reinforcing design of a real project.

Keywords： carbon fiber cloth；reinforced concrete beam；reinforcement；test

收稿日期：2014-09-28

基金項目：湖南省科技廳科技計劃項目（2012GK3066）

第一作者簡介：陳強，博士研究生，副教授。研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)理論分析。Email：846039016@qq.com

引文格式：陳強，劉靈勇，周先雁.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能試驗[J].森林工程，2015，31（1）：112-117.混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間會受到不同程度的破壞損傷，對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。因此，對已受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行補強與加固已經(jīng)成為建筑業(yè)的一個新的熱點[1-2]。目前，關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的加固方法較多，本實驗以環(huán)氧樹脂修復(fù)與碳纖維布的加固應(yīng)用為例。他們是在混凝土表面粘貼碳纖維布，使得混凝土結(jié)構(gòu)和碳纖維布整體受力，提高原來結(jié)構(gòu)的抗彎或抗剪能力。相對其他加固方法，此法能明顯提高強度，質(zhì)量很輕且耐腐蝕，施工操作極為方便且對原來結(jié)構(gòu)影響小，應(yīng)用前景大[3-6]。

1試驗介紹

1.1試件準(zhǔn)備

原始試件為2片普通鋼筋混凝土簡支梁，梁長2 200 mm，截面尺寸及配筋如圖1所示，受力主筋為HRB335鋼筋，其余都為R235鋼筋，C25混凝土。

加固前2根鋼筋混凝土梁已經(jīng)發(fā)生適筋破壞（梁的下部出現(xiàn)裂縫，受拉鋼筋達(dá)到屈服，同時受壓區(qū)混凝土被壓碎），此時試驗梁已經(jīng)不能再繼續(xù)承受荷載。加固前2根梁破壞形態(tài)及裂縫分布如圖2和圖3所示。

1.2試驗梁加固與修復(fù)

1.2.1碳纖維布加固技術(shù)原理簡介

對試驗梁進行加固時，用環(huán)氧樹脂沿受拉方向或垂直于裂縫方向?qū)⒂铆h(huán)氧樹脂預(yù)浸過的碳纖維復(fù)合增強片材粘貼在需要補強的構(gòu)件上[7]。當(dāng)構(gòu)件受荷載作用時，裂縫將受到碳纖維片的影響而難以擴展，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的剛度、強度、延性和抗裂性的目的[8-9]。

圖1鋼筋混凝土簡支梁幾何尺寸及配筋圖

Fig.1 Geometry size of ferroconcrete simply supported beam and reinforcement figure

圖2普通鋼筋混凝土梁破壞時裂縫分布情況

Fig.2 Ordinary reinforced concrete beam fracture distribution圖3已發(fā)生破壞的普通鋼筋混凝土梁

Fig.3 The damage of ordinary reinforced concrete beam

第1期陳強等：碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能試驗

森林工程第31卷

1.2.2加固材料與性能

兩根試驗梁梁體底面和兩側(cè)均采用環(huán)氧樹脂膠黏劑粘貼碳纖維（CFRP）布進行加固，共3層，采用環(huán)氧樹脂灌注修補混凝土的裂縫。碳纖維布及其膠黏劑的各項指標(biāo)見表1、表2和表3。

表1碳纖維布復(fù)合材料的安全性及適配性合格指標(biāo)

Tab.1 The suitability and safety of carbon fiber

cloth composites qualified indicators

性能項目單位性能指標(biāo)設(shè)計厚度mm0.167，且?guī)?0g·m-2纖維貼面抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值MPa≥3 000受拉彈性模量EMPa≥210 000伸長率%≥1.50彎曲強度MPa≥600層間剪切強度MPa≥35仰貼條件下纖維復(fù)合材

與混凝土正拉粘結(jié)強度MPa≥2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞

表2碳纖維布膠粘劑的安全性及適配性合格指標(biāo)

Tab.2 The suitability and safety of carbon

fiber cloth adhesive qualified indicators性能項目試驗方法標(biāo)準(zhǔn)單位性能指標(biāo)密度g·cm-2<1.2粘度（25℃）GB/T12007.4MPa·s<3 300抗拉強度受拉彈性模量伸長率GB/T2568MPa≥40MPa≥3 000%≥1.5抗彎強度GB/T2570MPa≥50抗壓強度GB/T2569MPa≥70鋼—鋼拉伸抗

剪切強度標(biāo)準(zhǔn)值GB/T7124MPa≥14鋼—鋼不均

勻扯離強度GJB94kN/m≥20與混凝土的

正拉粘結(jié)強度GB/50367

附錄FMPa≥2.5，

且為混凝土

內(nèi)聚破壞不揮發(fā)物含量

（固體含量）GB/T2793%≥99表3粘貼碳纖維布底膠的主要性能指標(biāo)

Tab.3 Main performance index of carbon fiber cloth glue

性能項目試驗方法標(biāo)準(zhǔn)單位性能指標(biāo)鋼—鋼拉伸抗剪切

強度標(biāo)準(zhǔn)值GB/T7124MPa≥14與混凝土的正

拉粘結(jié)強度GB/50367

附錄FMPa≥2.5，且為混

凝土內(nèi)聚破壞不揮發(fā)物含量

（固體含量）GB/T2793%≥99混合后初粘度

（23℃）GB/T12007.4MPas≤6 000

修補膠的性能要求，與混凝土的正拉粘結(jié)強度≥2.5，且為混凝土內(nèi)聚破壞。

1.2.3結(jié)構(gòu)修復(fù)與碳纖維布加固工藝步驟

根據(jù)規(guī)范要求，碳纖維布加固施工的一般步驟如下：施工準(zhǔn)備工作—混凝土構(gòu)件表面處理—配制并涂刷樹脂結(jié)構(gòu)膠—破損混凝土修復(fù)處理，結(jié)構(gòu)恢復(fù)處理（如圖4所示）—涂刷樹脂—粘貼碳纖維布（如圖5所示）—表面防護—碳纖維布表面處理。

2試驗

2.1試驗加載方案

（1）加載設(shè)備。試驗采用三分點加載，由20 t級油壓千斤頂及分配梁實現(xiàn)，試驗加載裝置如圖6所示。

（2）測量儀器。百分表及表架、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及電阻應(yīng)變片、測力顯示器及力傳感器、裂縫測寬儀、鋼卷尺及其他常用工具等。

（3）測點布置?？缰屑儚澗囟位炷帘砻骐娮钁?yīng)變片8個，撓度測點5個，如圖6所示。

圖4結(jié)構(gòu)恢復(fù)處理

Fig.4 Structure recovery processing圖5黏貼碳纖維增強復(fù)合材料布（CFRP）

Fig.5 Stick carbon fiber cloth composites

圖6試驗加載裝置和測點布置圖（mm）

Fig.6 Loading device and measuring point arrangement（mm）

2.2試驗步驟

測試主要內(nèi)容為各級荷載下的撓度、應(yīng)變及其分布規(guī)律和裂縫開展情況等。

試驗前，根據(jù)實際所用材料的力學(xué)性能及梁體截面實測幾何尺寸，計算得出梁的開裂計算荷載Pcr（Pcr=2.88kN）和計算極限荷載Pu（Pu=45.45kN），作為加載時的控制荷載。

用肉眼觀察試件裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展情況，接近破壞時，注意觀察他的破壞特征并確定出極限破壞值。

（1）試驗加載裝置如圖6所示，首先架設(shè)加載裝置，然后將應(yīng)變片貼在圖6中的測點布置位置，用AB膠加固應(yīng)變片；接著安裝百分表并用10 m長的銅導(dǎo)線將應(yīng)變片連接在應(yīng)變儀上；最后檢查有無初始干縮裂縫等。

（2）預(yù)加載，預(yù)加載荷載值必須小于構(gòu)件的開裂荷載值，此時構(gòu)件不能產(chǎn)生塑性變形，加載過程中觀測百分表及應(yīng)變儀的讀數(shù)，觀察儀表是否工作正常并及時排除故障，然后卸載到零。

（3）正式試驗，荷載應(yīng)分級進行加載。首先讀取儀表初始讀數(shù)或調(diào)零，然后分級加載至計算開裂荷載Pcr，每級加載結(jié)束都要記錄好百分表和應(yīng)變儀的讀數(shù)，觀察并記錄裂縫的產(chǎn)生或開展情況，但荷載加至開裂荷載仍未開裂，繼續(xù)分級增加荷載，直到產(chǎn)生裂縫，記錄實際開裂荷載值Pocr，分配梁及梁體的自重之和作為第一級荷載值，每級荷載持荷五分鐘后讀數(shù)并記錄。

（4）試驗梁開裂后分級加載至計算破壞荷載Pu。但荷載加至計算破壞荷載仍未產(chǎn)生破壞，繼續(xù)分級增加荷載，當(dāng)受壓混凝土壓碎，構(gòu)件達(dá)到破壞狀態(tài)，記錄實際破壞荷載值Pu，加載過程中，仔細(xì)觀察并記錄試件的破壞特征。

3試驗成果及分析

3.1加固前后試驗梁的三分點荷載與撓度變化

加固前后試驗梁的L/4、跨中及3L/4撓度的關(guān)系曲線（P-f）如圖7和圖8所示。

圖71#梁荷載位移曲線

Fig.7 Load displacement curve of 1# beam

圖82#梁荷載位移曲線

Fig.8 Load displacement curve of 2# beam

3.2加固前后試驗梁的荷載與跨中撓度

加固前后，試驗梁的荷載與跨中撓度的關(guān)系曲線（P-f1/2）如圖9和圖10所示。

圖91#梁加固前后跨中荷載位移對比曲線

Fig.9 1 # beam midspan loaddisplacement

contrast curve before and after the reinforcement圖102#梁加固前后跨中荷載位移對比曲線

Fig.10 2 # beam midspan loaddisplacement

contrast curve before and after the reinforcement

3.3加固前后荷載與跨中底部應(yīng)力（Pσ1/2）

加固前后，試驗荷載與跨中底部應(yīng)力的關(guān)系曲線（Pσ1/2）如圖11和圖12所示。加固后試驗梁的破壞形態(tài)如圖13所示。

圖111#梁加固前后跨中底部應(yīng)變位移對比曲線

Fig.11 1 # beam midspan straindisplacement

contrast curve before and after the reinforcement圖122#梁加固前后跨中底部應(yīng)變位移對比曲線

Fig.12 2 # beam midspan straindisplacement

contrast curve before and after the reinforcement

3.5加固前后試驗梁的實驗結(jié)果分析

由圖7和圖8可以得到，1#和2#試驗梁加固前，當(dāng)梁達(dá)到極限荷載時，位移逐漸增大，且增大比例明顯大于加固后的結(jié)果。

從圖9和圖10可得出，試驗梁加固前跨中位移隨著荷載的增加，位移逐漸增大，在一定范圍內(nèi)時，荷載P與跨中撓度f1/2呈線性關(guān)系，超過某一界限后，隨著荷載的增加，位移迅速增加直至試驗梁破壞。而試驗梁加固后的P-f1/2關(guān)系曲線基本呈線性關(guān)系，沒有明顯屈服點在同級荷載作用下，加固前梁的位移明顯大于加固后梁的位移。

由圖11和圖12可以看出，試驗梁加固前跨中底部應(yīng)力隨著荷載的增加，位移逐漸增大，在一定范圍內(nèi)時，荷載P與跨中底部應(yīng)力σ1/2呈線性關(guān)系，超過某一界限后，隨著荷載的增加，位移迅速增加直至試驗梁破壞。而試驗梁加固后的P-σ1/2關(guān)系曲線基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。

從實驗結(jié)果得到，加固后1#梁的極限荷載Pu=62.49 kN遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加固前梁的極限荷載Pu=40.45 kN，提高幅度達(dá)54.5%；1#梁加固前，對應(yīng)極限荷載，跨中最大位移35.71 mm，明顯大于加固后的跨中撓度16.83 mm。2#梁加固后，極限荷載Pu=58.36 kN遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加固前梁的極限荷載Pu=40.0 kN，提高幅度達(dá)45.9%；2#梁加固前對應(yīng)極限荷載跨中最大位移40.12 mm，明顯大于加固后的跨中撓度16.86 mm。實驗證明碳纖維布加固方法能夠有效提高混凝土梁的承載能力和剛度。

圖13加固后梁的破壞形態(tài)

Fig.13 The damage form of beam after reinforcement

4結(jié)論

根據(jù)鋼筋混凝土梁破壞試驗和已破壞的鋼筋混凝土用環(huán)氧樹脂修復(fù)與碳纖維布加固后的破壞試驗二者所得出的試驗結(jié)果進行對比分析，可得出以下結(jié)論：

（1）環(huán)氧樹脂修復(fù)壓碎混凝土和碳纖維布外貼加固已破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受力性能比原結(jié)構(gòu)的受力性能都高，實驗梁加固后極限承載能力提高50%左右，碳纖維布取代受拉鋼筋承受荷載作用，恢復(fù)且提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。

（2）外貼碳纖維布在受力過程中能夠有效地抑制裂縫的擴展，使原有結(jié)構(gòu)的整體性得到了保證，混凝土結(jié)構(gòu)剛度衰減得到了延緩，原有梁的結(jié)構(gòu)剛度得到了提高。

（3）碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的重復(fù)利用，即節(jié)能又環(huán)保，施工工期短，且成本低廉，加固后結(jié)構(gòu)外形美觀，能很好的融入環(huán)境，值得大面積推廣應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：肖生苓]

（上接第21頁）

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[責(zé)任編輯：劉美爽]