預(yù)應(yīng)力CFRP板加固RC梁變形性能試驗(yàn)

陳華 謝斌 王鵬凱

摘 要：為了研究采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后的混凝土梁的變形性能，制作了5根混凝土試驗(yàn)梁，并對(duì)其進(jìn)行靜載試驗(yàn)；對(duì)其中的4根梁采用了預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固，研究加固梁在正常使用階段混凝土梁裂縫、撓度隨荷載的變化.結(jié)果表明：試驗(yàn)梁的特征荷載在采用了預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固后有了明顯的提高，并且張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，特征荷載提高越大；采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固的混凝土梁對(duì)抑制混凝土梁裂縫有明顯的效果，且張拉CFRP板預(yù)應(yīng)力水平越高，則抑制效果越明顯；試驗(yàn)梁采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固后，剛度增加明顯，撓度明顯減小.

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力CFRP板；變形性能；撓度；裂縫

中圖分類號(hào)：TU378 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.004

0 引言

目前，現(xiàn)行規(guī)范介紹了對(duì)于采用碳纖維片材（ CFRP）對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法[1].碳纖維具有一般鋼筋所不具備的高強(qiáng)特性，以往對(duì)碳纖維的使用容易造成性能浪費(fèi).為了充分利用其特性，近幾年很多學(xué)者通過對(duì)CFRP施加預(yù)應(yīng)力來(lái)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[2-7].對(duì)CFRP片材進(jìn)行表面粘貼之前給其施加一定的預(yù)應(yīng)力，可以很好地利用CFRP材料的高強(qiáng)性能，可使構(gòu)件使用階段的受力性能得到很大的提高，對(duì)防止剝離破壞以及應(yīng)變滯后現(xiàn)象都有很大的改善等[8-9].另外，CFRP板擁有CFRP布沒有的優(yōu)點(diǎn)，例如：質(zhì)量性能穩(wěn)定、施工便捷等.所以對(duì)CFRP板材施加預(yù)應(yīng)力不失為一種很好的加固方法.本文制作了5根混凝土梁并對(duì)其進(jìn)行受力試驗(yàn).研究采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后混凝土梁的變形性能.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作了5根混凝土試驗(yàn)梁（試件編號(hào)L1，JGL2—JGL6），試件設(shè)計(jì)參數(shù)有：1）張拉控制應(yīng)力為30%、40%、50%、60%；2）梁的不同配筋率.試驗(yàn)梁底筋、面筋和箍筋均采用三級(jí)鋼筋HRB400，試驗(yàn)梁為矩形梁，其截面尺寸為[b×h=250 mm×400 mm]，跨高比為9∶1，碳纖維板的長(zhǎng)度為3.0 m.試驗(yàn)梁尺寸和截面配筋見圖1，試件參數(shù)見表1.

1.2 材料性能

混凝土、鋼筋、CFRP板的力學(xué)性能指數(shù)見表2—表4.

1.3 量測(cè)內(nèi)容

包括梁的豎向荷載、跨中撓度、鋼筋的應(yīng)變、CFRP板的應(yīng)變、等彎段混凝土應(yīng)變.

1.4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)加載裝置是采用美國(guó)進(jìn)口的MTS電液伺服加載裝置，用杭州晶明靜態(tài)采集系統(tǒng)來(lái)采集鋼筋、CFRP板及混凝土的應(yīng)變，梁的撓度測(cè)量和裂縫寬度讀取分別使用位移計(jì)和讀數(shù)顯微鏡.試驗(yàn)裝置如圖2所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

5根混凝土梁的破壞形態(tài)分別是：L1為受壓區(qū)混凝土壓碎；JGL2、JGL3、JGL4和JGL5發(fā)生了CFRP板拉斷破壞.由于L1發(fā)生的是受壓區(qū)混凝土壓碎破壞，因此，破壞狀態(tài)底部混凝土裂縫寬度大，混凝土有少量掉落，頂部受壓區(qū)混凝土呈壓碎狀態(tài).對(duì)JGL2、JGL3、JGL4兩端的錨具均用打包條對(duì)其進(jìn)行加固，最后的破壞形態(tài)均為CFRP板拉斷破壞，為脆性破壞.對(duì)試件JGL5兩端的錨具也采用了打包條進(jìn)行處理，試件極限破壞時(shí)，整條CFRP板發(fā)生了斷裂，產(chǎn)生了許多CFRP碎屑.其破壞情況見圖3—圖7.

2.2 荷載-撓度

從圖8可以看出，試驗(yàn)梁在開裂之前，其跨中撓度與荷載之間基本上呈線性發(fā)展趨勢(shì)；開裂之后，試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線的曲率變大，撓度的增長(zhǎng)速度隨著荷載的增大就越大.構(gòu)件的剛度基本上可以分為3個(gè)階段，分別是：1）混凝土開裂前；2）混凝土開裂至受拉鋼筋屈服；3）受拉鋼筋屈服到極限破壞狀態(tài).

從圖8可以看出，張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，試驗(yàn)梁在相同荷載下的跨中撓度就越小，說明張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，對(duì)加固梁剛度的提高就越大，對(duì)加固梁撓度的發(fā)展抑制效果就越明顯.

2.3 裂縫分布

1）裂縫寬度與荷載之間的關(guān)系

觀察圖9，可以得出：裂縫寬度與荷載之間的關(guān)系基本上呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).

2）L1與JGL5的對(duì)比

由圖9可以得出：采用了預(yù)應(yīng)力CFRP加固的試驗(yàn)梁JGL5，其開裂荷載遠(yuǎn)大于未加固的試驗(yàn)梁L1，且JGL5的裂縫發(fā)展速度比L1慢很多，JGL5的裂縫寬度-荷載曲線的斜率也比L1的小很多，說明混凝土梁在用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后，CFRP板能有效地提高梁的開裂荷載，并有效地抑制梁裂縫寬度增長(zhǎng).由圖10可以得出，JGL5的裂縫數(shù)量少于L1，裂縫間距也細(xì)小裂縫的數(shù)量也少，說明采用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后的混凝土梁能非常有效地抑制裂縫的產(chǎn)生，減少裂縫的數(shù)量.

3）張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平對(duì)梁裂縫的影響

觀察圖9可以看出，開裂荷載的大小是JGL2JGL3>JGL4，說明張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，加固后的混凝土梁開裂荷載越大，對(duì)梁裂縫寬度抑制的效果越明顯.觀察圖11，可以看出，試驗(yàn)梁裂縫的數(shù)量是JGL2>JGL3>JGL4>JGL5，采用張拉[60%σfu]CFRP板的JGL5屈服狀態(tài)下的裂縫數(shù)量只有9條裂縫，且?guī)缀鯚o(wú)細(xì)裂縫的產(chǎn)生，說明采用張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，梁裂縫數(shù)量越少，對(duì)混凝土梁裂縫數(shù)量的增加抑制效果就越明顯.

2.4 抗彎承載力

對(duì)試驗(yàn)所做的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各試驗(yàn)梁的抗彎承載力見表5.

由表5可以看出，JGL5的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均比L1的要大許多，其中開裂荷載增加了47 kN，說明試驗(yàn)梁在用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后，CFRP板能對(duì)加固梁的開裂起很好的抑制作用，有效地提高梁抗彎承載力.對(duì)比JGL3、JGL4、JGL5可以得出：隨著對(duì)CFRP板張拉的預(yù)應(yīng)力水平越高，梁的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載均有提高.部分試驗(yàn)梁的開裂荷載與屈服荷載的對(duì)比見圖12和圖13.

從圖12和圖13中可以看出各梁開裂荷載與屈服荷載的對(duì)比情況.對(duì)比L1和JGL5發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)梁在用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固后，相較于未加固的試驗(yàn)梁，加固后的試驗(yàn)梁其開裂荷載和屈服荷載有了比較大的提升.對(duì)比JGL2、JGL3、JGL4可以看出：隨著張拉CFRP板的預(yù)應(yīng)力水平越高，開裂荷載和屈服荷載也相應(yīng)的提高，但提高的幅度不大.

3 有限元分析

在鋼筋混凝土有限元模型中，根據(jù)鋼筋與混凝土處理方式的不同主要分為3種模型[10]：整體式模型、分離式模型、組合式模型，本文采用的是分離式模型對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行建模，建模的參數(shù)均是根據(jù)本文試驗(yàn)梁實(shí)際參數(shù).混凝土單元選用ANSYS模擬混凝土材料的三維實(shí)體單元Solid65，鋼筋單元選用Link180單元，CFRP板選用彈性殼體單元Shell63，集中荷載和支座處鋼墊塊選用實(shí)體單元Solid45模擬，同時(shí)為了防止彈性墊塊位移變形過大，需將其中keyopt（1）設(shè)置為1.

3.1 ANSYS有限元建模

預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼筋混凝土梁有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖14—圖16所示.

3.2 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

將有限元軟件ANSYS計(jì)算所得的荷載-位移曲線與試驗(yàn)所得的荷載-位移曲線結(jié)果對(duì)比，如圖17所示.

通過圖17可以得出：利用有限元軟件ANSYS計(jì)算所得荷載-位移曲線與試驗(yàn)所得的荷載-位移曲線兩者之間有較好的吻合度.

4 結(jié)論

采用了預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固使鋼筋混凝土梁的特征荷載有了很大的提高，并且預(yù)應(yīng)力水平越高，效果越好；采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固的混凝土梁能有效限制其裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，且張拉預(yù)應(yīng)力水平越高，抑制效果越明顯；試驗(yàn)梁采用預(yù)應(yīng)力CFRP板進(jìn)行加固后，剛度大幅增加，撓度變形大幅減小.

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Experimental study on deformation behavior of RC beams strengthened

with prestressed CFRP plates

CHEN Hua1，2， XIE Bin1， WANG Pengkai1

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China；2.Department of Civil Engineering and Architecture，Nanning College，Nanning 530004 ， China）

Abstract ：In order to study the deformation performance of concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates， five concrete test beams were made in this paper. The five test beams were tested for static load. One of the five test beams was unreinforced and the other four were tested. Beams were reinforced with prestressed CFRP plates. The research and analysis of the deformation performance of the reinforced beam in normal use stage were conducted， and the changes of the cracks and deflections of the concrete beam with the load during the normal use period were studied. The results show that the characteristic load of the test beam is significantly improved after the prestressed CFRP plate is used for reinforcement. The higher the prestress level of the tensioned CFRP plate is， the larger the characteristic load is increased； the prestressed CFRP plate is used for the test beam. Reinforced concrete beams have very obvious effect on restraining the cracks of concrete beams， and the higher the prestress level of tensioned CFRP plates， the more obvious the suppression effect； after the test beams are reinforced with prestressed CFRP plates， the stiffness increases significantly， deflection deformation obviously reduces.

Key words：prestressed CFRP plates； deformation properties； deflection； cracks

（學(xué)科編輯：黎 婭）