新型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)梁強(qiáng)度關(guān)鍵技術(shù)研究

曹玉祥 安璐 全學(xué)友 張任飛 李志強(qiáng)

摘 要：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer 以下簡(jiǎn)稱CFRP），是在20世紀(jì)60年代逐步發(fā)展起來(lái)的新型材料。防腐性能更好、粘結(jié)性能與鋼筋相差不多并且抗拉強(qiáng)度更高的CFRP材料成為代替鋼筋的工程材料，不僅可以極大地改善各種惡劣環(huán)境條件下的工程結(jié)構(gòu)使用性能、大大延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)使用壽命，并且可以開(kāi)拓傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)使用材料的可選范圍，達(dá)到新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)工程結(jié)構(gòu)使用的關(guān)鍵性科研成果。也實(shí)現(xiàn)了新型材料在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)上的重要突破這一顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)完成了大量運(yùn)用CFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和理論研究，并于2003年頒布了我國(guó)第一部CFRP加固技術(shù)規(guī)程《CFRP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS145：2003）。碳纖維板（CFRP）復(fù)合材料的使用，能夠大大增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)梁、板、柱承受外部荷載的強(qiáng)度，也可以在抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中應(yīng)用于國(guó)際先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)使用壽命健康檢測(cè)體系，使得抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性安全產(chǎn)生科學(xué)有效的保障效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;工程結(jié)構(gòu)使用壽命;增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)梁強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0126-04

0引言

通過(guò)對(duì)普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復(fù)合材料的梁的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度提高情況;由于新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度大幅度提高的效能，本技術(shù)因此將應(yīng)用于目前國(guó)際上先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)使用壽命健康檢測(cè)體系中，對(duì)于抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中重要工程結(jié)構(gòu)的整體安全產(chǎn)生系統(tǒng)性保障效應(yīng)[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

（1）鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁正截面強(qiáng)度靜載試驗(yàn)（梁的尺寸參見(jiàn)圖1）。

（2）在相同的條件下制作截面尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度均相同的四根簡(jiǎn)支梁，取其中的兩根梁在梁底粘貼碳纖維板，然后加載并記錄每根梁的開(kāi)裂荷載、破壞荷載、撓度。

倒置試驗(yàn)梁，采用反力鋼梁及拉桿加載，從下面向上面分級(jí)加載，在標(biāo)準(zhǔn)荷載以前分5級(jí)。作用在試件上的試驗(yàn)設(shè)備重量及自重等，應(yīng)作為第一級(jí)荷載值，第二級(jí)～第五級(jí)荷載值應(yīng)根據(jù)梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定。

當(dāng)試件接近破壞時(shí)，注意觀察試件的破壞特征并確定破壞荷載值：

（1）受壓區(qū)混凝土破損;

（2）縱向受拉鋼筋屈服;

（3）構(gòu)件縱向受拉鋼筋處最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試精度

3.1實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

材料與試樣及實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備：

（1）選擇日本東麗公司生產(chǎn)的T300型環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合板，斜紋編織鋪層結(jié)構(gòu)[3-5]，纖維體積含量40%;“固特棒”結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合板專用膠，垂流度1～0，抗壓強(qiáng)度89.7MPa，拉伸抗剪強(qiáng)度89.7MPa，正拉粘結(jié)強(qiáng)度4.2MPa。

（2）加載設(shè)備，反力鋼梁、千斤頂測(cè)力計(jì)、拉桿、分配梁等。

（3）數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（DH3818-2）。

（4）刻度放大鏡。

（5）CMOS相機(jī)：MER-500-7UM-L型，中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司。

3.2實(shí)驗(yàn)梁尺寸及配筋（圖2）

混凝土抗壓設(shè)計(jì)值：C20，按澆制實(shí)件由壓力機(jī)測(cè)得：f=20.5（MPa）。

鋼筋強(qiáng)度：受拉主筋Rg=235MPa（實(shí)際屈服強(qiáng)度）。箍筋Rg=180MPa。

3.3加載方式及測(cè)點(diǎn)布置

從下面向上面加載，倒置實(shí)驗(yàn)梁，用反力梁及拉桿加載，如圖3所示。

4實(shí)驗(yàn)步驟

（1）梁的理論開(kāi)裂和破壞荷載，按實(shí)驗(yàn)梁截面及使用材料計(jì)算[6-7]。

P裂=2.1kN，P破=6.35kN

（2）裂縫前取10%破壞荷載為一級(jí)，以后取20%，破壞荷載為一級(jí)。

PⅠ=1kN，PⅡ=2kN，PⅢ=3kN，PⅣ=5kN，PⅤ=7kN

（3）按級(jí)加載，每級(jí)加載后10min～15min讀數(shù)，在加PⅠ、PⅡ時(shí)注意觀察裂縫的出現(xiàn)情況。

5梁裂縫情況及破壞特征記錄

無(wú)碳纖維板設(shè)計(jì)梁為彎曲變形破壞，如圖4所示;粘貼新型碳纖維復(fù)合材料板的梁為剪切變形破壞，如圖5、圖6所示。

6測(cè)試結(jié)果分析

6.1無(wú)碳纖維板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

6.1.1受拉主筋應(yīng)力δ與荷載平均值P的關(guān)系

荷載平均值P與受拉主筋應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖7。

6.1.2荷載平均值P與跨中撓度f(wàn)的關(guān)系曲線

跨中撓度f(wàn)與荷載平均值P的關(guān)系見(jiàn)圖8。

6.2有碳纖維板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

6.2.1受拉主筋應(yīng)力與荷載平均值P的關(guān)系

有碳纖維板受拉主筋應(yīng)力δ與荷載平均值P的關(guān)系見(jiàn)圖9、圖10。

6.2.2荷載平均值P與跨中撓度f(wàn)的關(guān)系曲線

有碳纖維板荷載平均值P與跨中撓度f(wàn)關(guān)系見(jiàn)圖11。

6.3應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

（1）實(shí)測(cè)無(wú)碳纖維板梁開(kāi)裂荷載平均應(yīng)力值：2.9kN;

（2）實(shí)測(cè)無(wú)碳纖維板梁破壞荷載平均應(yīng)力值：10.65kN;

（3）實(shí)測(cè)有碳纖維板梁開(kāi)裂荷載平均應(yīng)力值：9.7kN;

（4）實(shí)測(cè)有碳纖維板梁破壞荷載平均應(yīng)力值：20.6kN。

7結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，粘貼了新型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的鋼筋混凝土梁，提高原有設(shè)計(jì)梁的承載力，初裂荷載提高兩倍，破壞荷載提高一倍，撓度減少1/3，改變了結(jié)構(gòu)梁的受力情況。采用新型碳纖維復(fù)合材料（CFRP），對(duì)于增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)梁承受外加荷載抵抗強(qiáng)度，有非常顯著的工程實(shí)價(jià)值用。

（2）原有設(shè)計(jì)梁為彎曲變形破壞，粘貼了新型碳纖維復(fù)合材料板的梁為剪切變形破壞，該新型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）板在實(shí)際工程有非常好的應(yīng)用前景。

（3）碳纖維板（CFRP）復(fù)合材料的使用，大大增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)梁、板、柱承受外部荷載的強(qiáng)度，能夠在抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中應(yīng)用于國(guó)際先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)使用壽命健康檢測(cè)體系，使得抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性安全產(chǎn)生科學(xué)有效的保障效應(yīng)[8-10]。

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