王 儀,王兆晨,趙 晉,尤培波
(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,河南 平頂山 467036;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443000)
由于環(huán)境侵蝕、火災(zāi)地震等環(huán)境因素和施工失誤、碰撞沖擊等人為因素,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用中可能會(huì)出現(xiàn)承載力不足、耐久性降低等現(xiàn)象。常用的加固方法有粘鋼法、增大截面法、復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固法和外貼碳纖維布(CFRP)等[1]。其中,碳纖維布加固具有成本相對(duì)低、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性能好、施工方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),已在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用碳纖維布加固方法進(jìn)行了大量的研究,主要涉及抗彎加固、抗剪加固和抗壓加固研究。其中,Al-Negheimish等[4]進(jìn)行了碳纖維布加固扁寬梁抗彎試驗(yàn),結(jié)果顯示加固梁的抗彎承載力顯著提高;仇澤等[5]進(jìn)行了碳纖維布修復(fù)加固帶損傷梁試驗(yàn),試驗(yàn)表明加固效果取決于二者的粘結(jié)性能;周朝陽等[6]提出新型抗剪加固方法,試驗(yàn)得出混錨預(yù)應(yīng)力加固顯著提高梁的抗剪承載力;趙晉等[7]進(jìn)行了CFRP板加固梁抗剪試驗(yàn),得出內(nèi)嵌碳纖維板條加固可以有效增大梁的承載力;蔡斌等[8]通過MATLAB進(jìn)行了數(shù)值分析,研究了碳纖維加固大偏心受壓柱承載力可靠度變化規(guī)律;葉列平等[9]進(jìn)行了FRP布約束混凝土方柱軸心受壓性能的有限元分析,得出與試驗(yàn)相近的結(jié)果,為今后進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和影響因素分析奠定了基礎(chǔ)。而在碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土梁加固中,研究大多集中在矩形截面梁,對(duì)T型截面梁的研究較少,而在建筑結(jié)構(gòu)中,T型梁同樣應(yīng)用廣泛;對(duì)梁受彎情況下的研究較多,對(duì)彎扭復(fù)合作用下的研究較少。因此,本文進(jìn)行了在彎扭復(fù)合作用下,碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土T型梁加固效果的試驗(yàn)研究,并與僅受彎矩作用的加固構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比,為今后采用碳纖維布加固在復(fù)合受力狀態(tài)下鋼筋混凝土T型梁的應(yīng)用提供參考。
試驗(yàn)一共制作9根鋼筋混凝土T型梁。梁全長(zhǎng)為2 700 mm,尺寸為bf=250 mm,hf=75 mm,b=150 mm,h=300 mm。其中,縱向受力鋼筋選用2Φ14,架立鋼筋選用4Φ8。箍筋選用Φ6,采取兩端加密的布置方式,兩端箍筋間距為100 mm,跨中箍筋間距為200 mm?;炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30,梁左端底部安裝固定鉸支座,支座中心距離梁左端150 mm;梁右端底部安裝活動(dòng)鉸支座,支座中心距離梁右端150 mm。3根梁受彎矩作用,6根梁受彎扭復(fù)合作用。為施加扭矩,在T型梁的左端增加一段長(zhǎng)為300 mm的矩形段。梁的具體尺寸見圖1。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測(cè)試了混凝土梁中材料參數(shù),見表1。
試驗(yàn)所設(shè)置的加固方案如表2所示,具體加固形式見圖2。表中試驗(yàn)梁編號(hào)解釋如下:試驗(yàn)梁的梁編號(hào)由三段構(gòu)成,第一段中的字母NW表示彎扭復(fù)合作用下的試驗(yàn)梁,字母WJ表示彎矩作用下的試驗(yàn)梁;第二段的字母D表示底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布,字母K表示僅在跨中荷載作用點(diǎn)之間粘貼碳纖維布;第三段的數(shù)字1~3表示粘貼碳纖維布的層數(shù)。若第二段無字母時(shí),梁底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布且每隔105 mm粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍(參考梁除外)進(jìn)行錨固;若第二段有字母時(shí),僅在碳纖維布兩端粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍進(jìn)行錨固。
表2 加固方式
注:粘貼碳纖維布的梁都在碳纖維布的兩端粘貼長(zhǎng)度為550 mm的U型箍各一個(gè)
圖2 加固簡(jiǎn)圖
試驗(yàn)梁采用兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn),使用60 T高精度推力千斤頂進(jìn)行加載,通過分配梁將跨中荷載分配在梁上,使得梁中部建立純彎段;為施加扭矩,在梁的左端矩形段上施加扭矩荷載。加載裝置如圖3所示。
正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載。正式加載時(shí),首先施加扭轉(zhuǎn)荷載,方向?yàn)轫槙r(shí)針方向,當(dāng)扭矩增加到2 400 N·m時(shí),保持扭矩不變(僅受彎矩作用的梁不需施加扭轉(zhuǎn)荷載);然后進(jìn)行受彎加載,開始加載時(shí)跨中荷載每級(jí)增加5 kN,持續(xù)作用時(shí)間為5 min,加載至出現(xiàn)第一條裂縫時(shí),將每級(jí)加載增大到10 kN,并維持每級(jí)荷載的持續(xù)作用時(shí)間不變,直至加載到梁腹板出現(xiàn)大部分裂縫且裂縫寬度明顯加大,這時(shí)將每級(jí)加載降低為3 kN,但每級(jí)荷載的持續(xù)作用時(shí)間不變,直至加載梁被破壞。
圖3 加載裝置
在千斤頂?shù)捻敳堪仓昧鞲衅?;在梁上共布?個(gè)位移計(jì),分別位于梁兩端支座處頂部、梁跨中底部和梁左右各三分之一處底部,進(jìn)行梁位移和撓度的測(cè)量;在梁跨中位置的底部縱筋上布置兩個(gè)應(yīng)變片,進(jìn)行鋼筋應(yīng)變的測(cè)量。圖4為位移計(jì)布置圖,以NW-0為例。
圖4 位移計(jì)布置
試驗(yàn)過程中,采集了各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù),描繪了裂縫的分布及發(fā)展規(guī)律,并記錄了最終的破壞形式,在此基礎(chǔ)上,確定了構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載。試驗(yàn)梁的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。
表3 試驗(yàn)結(jié)果
注:Pc表示開裂荷載;Py表示屈服荷載;Pu表示極限荷載;Pu/Pu,c表示強(qiáng)度提高率;δy表示屈服撓度;δu表示極限撓度;δu/δy表示延性。
由表3可知:梁的破壞模式以CFRP斷裂和U型箍剝離為主;同時(shí)對(duì)比NW-D-2和WJ-D-2可知,僅在梁端部進(jìn)行U型箍錨固的梁,容易發(fā)生CFRP剝離破壞。其梁破壞模式如圖5所示。以NW-3梁為例,其破壞過程如下:先施加扭矩,后施加彎矩荷載;加載到45 kN時(shí),梁底部跨中位置附近出現(xiàn)第一條裂縫;加載到199 kN時(shí),碳纖維布部分開裂,出現(xiàn)斷裂響聲,此時(shí)撓度為17.75 mm;加載到206.6 kN時(shí),梁右端U型箍開始剝離混凝土表面,破壞荷載為209.8 kN。試驗(yàn)梁的破壞模式如圖5所示。
圖5 梁破壞模式
梁跨中的荷載-撓度關(guān)系反映了梁承載能力的變化,本試驗(yàn)中各工況的荷載-撓度曲線都近似由三段直線組成,曲線第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)開裂荷載,曲線第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)屈服荷載。則每根加固梁的受力過程可分為三個(gè)階段,第一階段為開始加載到混凝土開裂;第二階段為混凝土開裂到縱向受拉鋼筋屈服;第三階段為縱向受拉鋼筋屈服到梁最終破壞。
2.2.1 碳纖維布層數(shù)對(duì)加固效果的影響
將NW-1、NW-2、NW-3與NW-0歸為第一組梁,用于分析不同碳纖維布粘貼層數(shù)對(duì)加固效果的影響,其荷載-撓度曲線如圖6所示。
圖6 第一組梁荷載-撓度曲線
由圖6和表3可知:
(1)在混凝土開裂前,碳纖維布對(duì)梁的抗彎剛度影響不大,在第一階段末,開裂荷載隨著碳纖維布層數(shù)的增加變化不大;
(2)當(dāng)混凝土開裂后,碳纖維布加固作用的效果明顯,其加固T型梁的抗彎剛度隨著碳纖維布層數(shù)的增加而增大;在第二階段末,隨著碳纖維布層數(shù)的增加,屈服荷載也隨之增加;
(3)當(dāng)縱向受力鋼筋屈服后,碳纖維布承受大部分的作用力;隨著碳纖維布層數(shù)的增加,極限荷載隨之提高,粘貼一層碳纖維布可使極限荷載增加約8.8%;粘貼兩層碳纖維布可使極限荷載增加約42.7%;粘貼三層碳纖維布可使極限荷載增加約53.9%;但不難發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維布粘貼層數(shù)的增加極限荷載的增加程度有下降的趨勢(shì);
(4)根據(jù)延性的定義,隨著碳纖維布層數(shù)的增加,鋼筋混凝土T型梁的延性有降低的趨勢(shì),粘貼一層碳纖維布時(shí)的延性下降30.0%;粘貼兩層碳纖維布時(shí)的延性下降43.1%;粘貼三層碳纖維布時(shí)的延性下降54.3%;因此在進(jìn)行碳纖維布加固時(shí)所粘貼的碳纖維布的層數(shù)不易過多。
2.2.2 碳纖維布粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)加固效果的影響
將NW-2、NW-D-2、NW-K-2與參考梁歸為第二組梁,用于分析碳纖維布粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)加固效果的影響,其荷載-撓度曲線如圖7所示。
由圖7和表3可知:
圖7 第二組梁荷載-撓度曲線
(1)對(duì)比NW-2、NW-D-2與NW-0曲線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)在底部全長(zhǎng)粘貼兩層碳纖維布時(shí),相對(duì)比未加固梁,梁屈服荷載分別增加了17.5%和38.4%,極限荷載分別增加42.7%和52.8%,說明底部全長(zhǎng)粘貼碳纖維布加固效果顯著;對(duì)比NW-K-2與NW-0曲線,不難發(fā)現(xiàn)此時(shí)二者曲線比較接近,說明當(dāng)僅在底部跨中粘貼碳纖維布時(shí),不能有效提高屈服荷載和極限荷載,其加固效果不明顯。由此可見,碳纖維布的粘貼長(zhǎng)度對(duì)加固梁受力性能的提高起著至關(guān)重要的作用。
(2)對(duì)比NW-2與NW-D-2曲線,發(fā)現(xiàn)二者的加固效果比較接近,NW-2的開裂荷載略大于NW-D-2曲線,說明沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U型箍錨固的方式抗裂的效果較好;然而在彎扭荷載復(fù)合作用下,采用僅在端部用U型箍錨固的方式的梁抗彎性能略好于沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U型箍錨固的梁,說明采用沿全長(zhǎng)均勻進(jìn)行U箍錨固的方式并不能明顯改善梁的抗彎承載能力。
2.2.3 荷載作用方式對(duì)加固效果的影響
將NW-0、NW-D-2、NW-K-2與WJ-0、WJ-D-2、WJ-K-2歸為第三組梁,用于分析不同荷載作用方式對(duì)加固效果的影響,其荷載-撓度曲線如圖8所示。
圖8 第三組梁荷載-撓度曲線
由圖8和表3可知:
(1)對(duì)比曲線可知,分別在彎扭復(fù)合作用和彎矩單獨(dú)作用下,各T型梁的開裂荷載比較接近,說明不同荷載作用方式對(duì)加固后T型梁的開裂荷載影響不大。
(2)對(duì)比NW-0與WJ-0、NW-D-2與WJ-D-2、NW-K-2與WJ-K-2三組曲線可知,對(duì)于不同碳纖維布加固方式,在彎扭復(fù)合作用下,梁的屈服荷載和極限荷載相較彎矩單獨(dú)作用時(shí)均有所增加,說明此時(shí)由于順時(shí)針扭轉(zhuǎn)荷載的存在,對(duì)梁的抗彎承載能力有提高的作用;表明荷載作用方式對(duì)于梁的加固效果有著不可忽視的影響,對(duì)于此種情況應(yīng)該在工程中引起重視,與僅受彎矩作用的梁的加固方式應(yīng)區(qū)別對(duì)待。
(3)對(duì)比曲線結(jié)合表3可知,僅改變梁的受力狀態(tài),對(duì)鋼筋混凝土T型梁的延性影響不大。
通過碳纖維布加固彎扭復(fù)合作用下鋼筋混凝土T型梁的試驗(yàn),分析了不同CFRP粘貼層數(shù)、粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)鋼筋混凝土梁彎扭復(fù)合作用下性能的影響;同時(shí)對(duì)比了彎扭復(fù)合作用和僅受彎矩作用時(shí)對(duì)梁的加固效果的影響,主要結(jié)論如下:
(1)在彎扭復(fù)合作用下,采用CFRP加固鋼筋混凝土T型梁時(shí),不同的CFRP粘貼層數(shù)、粘貼長(zhǎng)度和錨固方式對(duì)鋼筋混凝土梁的開裂荷載影響不大;采用底部全長(zhǎng)粘貼CFRP時(shí),隨著粘貼層數(shù)的增加鋼筋混凝土T型梁的抗彎承載能力逐漸增大,但承載能力增加的程度和鋼筋混凝土T型梁的延性均有下降的趨勢(shì),說明并非粘貼CFRP的層數(shù)越多越好,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推薦選用粘貼兩層比較合理;通過對(duì)比不同CFRP粘貼長(zhǎng)度和錨固方式的梁的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)沿梁底部全長(zhǎng)粘貼的效果明顯優(yōu)于僅在梁底部跨中粘貼,且采用U形箍端部錨固即可達(dá)到良好的抗彎加固效果。因此,為了保證加固效果,推薦沿梁底部全長(zhǎng)粘貼端部錨固的加固方式即可。
(2)在不同荷載作用下,梁的加固與其受力狀態(tài)密切相關(guān)。在實(shí)際工程中,梁經(jīng)常處于復(fù)合受力狀態(tài),為達(dá)到良好的加固效果,不能僅關(guān)注梁在受彎狀態(tài)的加固,更應(yīng)該重視梁在彎矩、扭矩等荷載復(fù)合作用下的加固方法研究。