预应力碳纤维布加固混凝土梁的试验研究_姜新佩

预应力碳纤维布加固混凝土梁的试验研究α

姜新佩1,刘丽娜2,邓子辰1,3

1.西北工业大学力学与土木建筑学院,陕西西安　710072;

2.河北工程大学,河北邯郸　056038

3.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连　116023

摘　要:采用自行研制的碳纤维布预应力张拉机具,对10根混凝土梁受力性能进行了试验研究。对比分析了未加固、非预应力碳纤维布加固、预应力碳纤维布加固、施加不同的预应力水平、不同的附加锚固方式梁的开裂荷载、极限荷载、抗弯刚度等受力性能。试验结果表明:粘贴预应力碳纤维布加固可使梁的承载能力有一定程度提高,可大大提高梁的开裂荷载、抗弯刚度,减小梁的挠度和裂缝宽度,能充分发挥碳纤维布高强度特性;在相同预应力水平下,合适的附加锚固方式,可有效防止碳纤维的剥离破坏,进一步提高梁的承载力;所研制的预应力碳纤维布加固技术可用于实际工程。

关　键　词:预应力,碳纤维布,加固,混凝土梁

中图分类号:V215.6 文献标识码:A 文章编号:100022758(2007)0420492206

目前,我国有不少建筑物由于各种原因而需要加固改造。在各种加固方法中,碳纤维增强聚合物(CFR P)加固技术具有许多优点[1～4],在我国已得到广泛的应用。但是,从目前的理论和试验研究分析来看,用CFR P加固混凝土梁也存在一些问题:①CFR P和钢材的弹性模量基本相同,而其极限强度却是钢材的十几倍,与加固构件粘合后其变形是一致的,要利用其高强度的优点必然要产生过大的应变,采用非预应力CFR P加固时不可能充分发挥其高强特性[5]。②实际工程中的加固梁均属2次受力,碳纤维的应力、应变始终滞后于原结构累计的应力、应变。③非预应力CFR P加固对梁的刚度提高不显著。由预应力混凝土结构得到启发,将CFR P预张拉后粘结于混凝土受弯构件,对此进行试验研究,分析其受力机理,这不仅是对这种新型加固方法的有益探索,也有重要的理论和实践意义。

1　试验介绍

1.1　试验设计

本次试验共制作了10根试件,截面尺寸为b×h=150mm×250mm,梁全长l=3200mm;净跨l0 =3000mm。纵向受拉钢筋均为2510,纵向钢筋配筋率为0.419%,全梁均匀配置的箍筋为56@100,架立钢筋为256。为了便于比较分析,试件采用的混凝土强度等级和钢筋配置均相同,每根加固梁粘贴1层长3000mm、宽100mm的碳纤维布。试件分为3组:第1组试件为对比梁,其中L1、L2为非预应力碳纤维布加固对比梁,L3为未加固对比梁;第2组为不同预应力水平下的试验梁,梁编号为YLA1、YLA2、YLA3、YLA4;第3组为相同预应力水平下不同附加锚固方式的试验梁,梁编号为YLB1、YLB2、YLB3。附加锚固采用碳纤维U型箍,宽度为100mm

,除YLB3梁的U型箍间距为400mm外,其余梁的U型箍间距均为100mm。试验梁的附加锚固及预应力水平见表1,模板及配筋图见图1。

图1　试验梁模板及配筋图

2007年8月第25卷第4期

西北工业大学学报

Journal of N o rthw estern Po lytechnical U niversity

A ug.2007

V o l.25N o.4

α收稿日期:2006210216基金项目:国家111引智计划(B07050)及河北省建工新产品研究计划(20052104)资助作者简介:姜新佩(1962-),西北工业大学博士生,教授,主要从事结构工程的研究。

表1　试验梁的设计参数

试验梁编号

预拉力 kN

CFR P 初始应力(M Pa )

CFR P 初始应变(ΛΕ

)附加锚固方式

锚固范围 mm 压条长度 mm

L 3

000无0L 1000梁端400500L 2000梁端400500

YLA 1

8479.042038梁端400500YLA 212718.563058梁端400500YLA 316958.084077梁端400500YLA 4181077.844587梁端400500

YLB 1

10598.802548无

0YLB 210598.802548梁端400,加载点300

500YLB 3

10

598.80

2548

全梁

3200

1.2　试验材料试验梁的混凝土强度设计等级为C 20,按《普通

混凝土力学性能试验方法》进行试验,测得30个立方体试块抗压强度平均值为24.5M Pa 。试验梁均采用 级钢筋,实测纵向受力主筋510的屈服强度为310M Pa 、极限强度为468M Pa ,架立筋及箍筋56的

屈服强度为329M Pa 、极限强度为523M Pa 。碳纤维材料采用上海同砼碳纤维布有限公司生产的CFS 22

3.55222020172100碳纤维布,主要力学性能见表2。粘贴碳纤维布所用胶为天地金草田科技有限公司生产的JCT 26型粘碳纤维胶,其粘结抗剪强度实测值为19.2M Pa ,大于设计要求18M Pa 。

表2　碳纤维布材料的主要力学性能

厚度t cf mm

宽度 mm

密度 g ・m 2

抗拉强度f cfu M Pa

弹性模E cf M Pa

极限拉应变Εcf

%0.167

100

220

3550

2.35×105

0.015

1.3　试验梁的加载方案及量测内容

本次试验采用两点式静力加载,加载点为梁的3分点,加载方案为分级加载。试验加载装置如图2所示。试验量测内容有:①支座及跨中挠度;②跨中钢筋、碳纤维布的拉应变、梁侧不同高度处混凝土(拉压

)应变;剪弯段碳纤维布的应变;③裂缝宽度及间距;④碳纤维布的剥离开展以及拉断情况;⑤梁的最终破坏形态。

图2　试验加载装置示意图

1.4　张拉机具的设计

研制出了专门用于预应力碳纤维布加固受弯构件的施工机具(见图3)。该装置的工作原理为:用环氧树脂预先将碳纤维布两端分别粘贴在带刻痕的锚固钢板上,环氧树脂固化后,将其安装在梁的受拉面,用构件本身作为加力台座,用扳手拧动螺母,带动锚固钢板移动,张紧碳纤维布。张拉完毕后,将钢杆压于锚固钢板表面,旋紧手扳葫芦,将锚固钢板紧压在混凝土梁表面,并在CFR P 上堆放配重,确保

CFR P 与混凝土粘结可靠

。

试验证明,作者设计的施工机具可有效地对CFR P 施加预应力,满足预应力

施工技术要求。

图3　施加预应力装置示意图

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394・第4期姜新佩等:预应力碳纤维布加固混凝土梁的试验研究