水工混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)破壞分析

劉春偉（臨沂市水利局，山東臨沂276400）

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水工混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)破壞分析

劉春偉
（臨沂市水利局，山東臨沂276400）

【摘要】本次試驗(yàn)選擇5根混凝土梁，根據(jù)設(shè)計(jì)的加固方案，對(duì)各梁進(jìn)行加固。通過觀察各梁在加載過程中的變化，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出梁的受力性能。從試驗(yàn)結(jié)果看，復(fù)合加固后梁的極限承載力有了顯著提高，裂縫開展較慢。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力；CFRP；鋼板；鋼筋混凝土；受彎構(gòu)件

1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1構(gòu)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇5根試件，所有試件混凝土采用C20，配筋率為0.7%，箍筋采用Φ8@100鋼筋，配箍率0.67%，架立筋2Φ8，縱筋采用2Φ12鋼筋，截面采用250 mm×150 mm矩形截面，梁長(zhǎng)2 500 mm，經(jīng)截面驗(yàn)算不會(huì)先發(fā)生斜截面剪切破壞，加固方案詳見表1。

表1　加固方案

1.2測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)是受彎構(gòu)件的加固實(shí)驗(yàn)，擬在荷載分配梁二分點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的混凝土梁截面及跨中截面?zhèn)让尜N應(yīng)變片，側(cè)面擬貼五個(gè)測(cè)點(diǎn)，①號(hào)測(cè)點(diǎn)在梁底，②號(hào)測(cè)點(diǎn)位于截面1/4高處，③號(hào)測(cè)點(diǎn)位于截面1/2高處，④號(hào)測(cè)點(diǎn)在截面3/4高處，⑤號(hào)測(cè)點(diǎn)在梁頂，如粘貼有鋼板的梁，則粘帖在鋼板上。梁頂面邊緣布置⑥號(hào)測(cè)點(diǎn)，以量測(cè)頂面混凝土在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變情況。在相應(yīng)截面底面縱筋貼應(yīng)變片，測(cè)量縱筋應(yīng)變。并在底面距跨中540mm的兩側(cè)位置的CFRP布置⑦、⑧號(hào)測(cè)點(diǎn)，在跨中布置⑨號(hào)測(cè)點(diǎn)，以量測(cè)CFRP應(yīng)變，并可測(cè)量施加預(yù)應(yīng)力的大小。

2　加載過程

對(duì)試件預(yù)加載，檢查各儀器的工作性能，然后以極限荷載10%為級(jí)度逐級(jí)加載，各級(jí)載間停5 min，加載速率約為1 kN/min。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1梁破壞過程

未加固梁B1的破壞過程是：承載力加載至15.8 kN，在純彎段出現(xiàn)明顯的豎向裂縫。然后，隨著荷載的增加，裂縫寬度明顯變大，裂縫條數(shù)增多。最后，跨中百分表指針劇烈擺動(dòng)，撓度增大，根本無法讀數(shù)。依照混凝土構(gòu)件破壞標(biāo)志，應(yīng)該認(rèn)定混凝土梁已破壞。

梁B2的破壞過程：加載至20 kN，在距離梁中心15 cm處出現(xiàn)微小裂縫，寬0.1 mm，長(zhǎng)4 cm。隨著荷載的不斷增加，此裂縫寬度明顯變大。當(dāng)荷載加至61.6 kN時(shí)，聽見梁底出現(xiàn)咔咔的響聲，碳纖維布與梁底粘結(jié)面逐漸分離。百分表指針劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，撓度增大。隨后碳纖維布發(fā)出砰的一聲斷裂，距離中心30 cm處有混凝土碎屑掉落，出現(xiàn)剝離破壞。

梁B3的破壞過程：承載力加載至24 kN，在距離梁中心11.5 cm處出現(xiàn)微小裂縫，長(zhǎng)3 cm。當(dāng)荷載加至68 kN時(shí)，聽見梁底左端發(fā)出咔咔的響聲，第四條裂縫寬0.41 mm。加載至72 kN時(shí)，梁底右端發(fā)出咔咔的響聲。加載至74.4 kN時(shí)，百分表指針劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，撓度急劇增大，右端部拉錨一體化機(jī)具附近碳纖維布發(fā)出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現(xiàn)剝離破壞。主要裂縫基本均勻分布。

梁B4的破壞過程：承載力加載至22 kN，在距離中心15 cm處出現(xiàn)，微小裂縫，寬0.2 mm，長(zhǎng)1 cm。隨著荷載的不斷增加，此裂縫寬度明顯變大，裂縫條數(shù)增多，鋼筋與碳纖維布應(yīng)變不斷增大，加載至66 kN，百分表讀數(shù)變化也越來越快。當(dāng)荷載加至67.8 kN時(shí)，聽見梁底發(fā)出咔咔的響聲。加載至71.2 kN時(shí)，梁底發(fā)出更厲害的咔咔響聲。加載至74.6 kN時(shí)，百分表指針劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，撓度急劇增大，碳纖維布發(fā)出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現(xiàn)剝離破壞，端部U型箍也出現(xiàn)破壞。主要裂縫基本均勻分布。

梁B5的破壞過程：開裂時(shí)首先出現(xiàn)毛細(xì)裂縫，長(zhǎng)1.5 cm。加載至58 kN，梁底碳纖維布發(fā)出咝咝的響聲。當(dāng)荷載加至70 kN時(shí)，梁右端出現(xiàn)剝離，碳纖維布發(fā)出咔咔的響聲。加載至74.6 kN時(shí)，梁左端碳纖維布發(fā)出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現(xiàn)剝離破壞，鋼板與混凝土面剝離，受壓區(qū)混凝土壓碎，左端機(jī)具錨栓剪斷。主要裂縫基本均勻分布。左端出現(xiàn)剝離，鋼板出現(xiàn)剝離，受壓區(qū)混凝土破壞，布未拉斷，左端錨固裝置銷釘一根彎曲，一根斷裂，滾軸出現(xiàn)滑移，受壓區(qū)混凝土破壞可能與此有關(guān)。

3.2梁破壞現(xiàn)象分析

未加固梁開裂較早，梁B1在荷載達(dá)到15.8 kN開裂，裂縫發(fā)展較快，破壞時(shí)梁撓度急劇增加。與為加固梁相比，預(yù)應(yīng)力加固梁開裂較晚，梁B3、B5分別在荷載達(dá)到24 kN、22 kN開裂，梁開裂后裂縫開展較慢，隨著荷載的增加，梁不斷出現(xiàn)微小裂縫，裂縫間距較未加固梁均勻。

除未加固梁B1，其他梁破壞時(shí)均有混凝土碎屑掉落，粘結(jié)層有不同程度的脫離加固面，梁B3碳纖維布在拉錨一體化機(jī)具附近斷裂，梁B4錨固箍發(fā)生斷裂，由于U型箍的作用，明顯抑制了碳纖維布的剝離，梁B5由于機(jī)具內(nèi)錨栓突然斷裂，混凝土應(yīng)力急劇增加，受壓區(qū)混凝土發(fā)生破壞，有大量混凝土碎屑掉落，跨中位置鋼板與加固面發(fā)生剝離。由此可見，梁發(fā)生破壞時(shí)，碳纖維布充分參與了工作，但梁B2、B5粘結(jié)面處理不是非常好，破壞時(shí)粘結(jié)面局部發(fā)生剝離。

在同等荷載下加固梁縱筋應(yīng)變均比未加固梁縱筋應(yīng)變大，荷載應(yīng)變曲線斜率較大，說明碳纖維布參與了工作，使加固梁縱筋應(yīng)變變小，受拉區(qū)荷載由碳纖維布和鋼筋共同承擔(dān)。特別是預(yù)應(yīng)力梁B3、B5縱筋應(yīng)變比其他加固梁縱筋應(yīng)變小，說明預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼筋施加了預(yù)壓作用。

4　結(jié)語

1）碳纖維布加固鋼筋混凝土梁后，梁的承載力提高，提高程度與碳纖維布用量密切相關(guān)，但提高程度與用量不成正比。碳纖維布在加固構(gòu)件時(shí)不宜過多，用量過大會(huì)造成構(gòu)件超筋破壞，使碳纖維布不能充分發(fā)揮其高強(qiáng)性能。本次試驗(yàn)均粘貼三層碳纖維布加固混凝土梁，主要研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的力學(xué)性能。

2）粘貼碳纖維布的混凝土梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載都有很大提高。例如B2開裂荷載提高26.58%，屈服荷載提高52.03%，極限荷載提高54%；B3開裂荷載提高51.9%，屈服荷載提高65.54%，極限荷載提高86%；B4開裂荷載提高39.24%，屈服荷載提高59.46%，極限荷載提高86.5%；B5開裂荷載提高39.24%，屈服荷載提高68.24%，極限荷載提高86.5%。

3）粘貼鋼板會(huì)顯著提高混凝土的屈服承載力，如B3開裂荷載提高51.9%，屈服荷載提高65.54%，極限荷載提高86%。由于B5梁拉錨一體化機(jī)具錨栓突然斷裂，導(dǎo)致碳纖維布承載力急劇卸除，梁發(fā)生破壞，所以加強(qiáng)錨栓強(qiáng)度后，其極限承載力還有提高空間。但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，粘貼鋼板面積過小，與不加鋼板的梁比較，承載力提高效果不明顯。如果增大鋼板面積，承載力會(huì)有較大提高，以后研究中可嘗試加大鋼板截面積。

（責(zé)任編輯遲明春）

【中圖分類號(hào)】TV3

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1009-6159（2016）-03-0007-02

收稿日期：2015-05-11

作者簡(jiǎn)介：劉春偉（1982—），男，工程師