李興權(quán)

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000）

0 引言

采用碳纖維布增強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼板加固技術(shù)相比，F(xiàn)RP 具有重量輕、強(qiáng)度重量比高、剛度重量比高、耐腐蝕、耐疲勞、高效施工等一系列優(yōu)點(diǎn)，在土木工程中得到廣泛應(yīng)用，其研究已成為目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。CFRP 為脆性材料，而鋼筋為延性材料，在用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)，CFRP 的脆性性能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重要影響，在許多情況下，比其他的方法更有優(yōu)勢，所以，開發(fā)研究碳纖維布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)有重要的價(jià)值，利用驗(yàn)證后的有限元模型進(jìn)一步分析了相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)加固梁抗彎承載力的影響，為加固實(shí)際工程提供了理論依據(jù)。

1 CFRP 布加固鋼筋混凝土梁荷載試驗(yàn)

在實(shí)際的程中，一部分鋼筋混凝土梁在加固之前都帶有明顯的裂縫，因此，模擬實(shí)際工程，本實(shí)驗(yàn)除了對(duì)比梁之外，均先進(jìn)行預(yù)裂加載，預(yù)裂到一定程度后，再粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。量測試件在各級(jí)荷載作用下產(chǎn)生的撓度，最終描述荷載與撓度的關(guān)系，量測各級(jí)荷載下梁純彎截面應(yīng)變分布情況，實(shí)測出梁的最大破壞荷載。

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1）通過鋼筋混凝土梁以及CFRP 布粘貼加固后鋼筋混凝土梁的靜力加載試驗(yàn)研究，分析碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在短期荷載作用下正常使用階段抗裂性能的影響因素以及裂縫的發(fā)展規(guī)律。

2）通過對(duì)混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑與配筋率的比值及保護(hù)層厚度3種不同因素進(jìn)行CFRP 布加固的比較，分析不同因素對(duì)鋼筋混凝士加固梁裂縫性能的影響。

3）研究CFRP 布加固鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)及其原因；通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出加固梁裂縫汁算模式。

1.2 測試內(nèi)容

1）鋼筋應(yīng)變測量：將連接鋼筋應(yīng)變儀的導(dǎo)線在試驗(yàn)時(shí)接人靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測應(yīng)變值，記求每級(jí)荷載下鋼筋應(yīng)變值。

2）混凝士表面應(yīng)變測量：將連接混凝土應(yīng)變儀的導(dǎo)線住試驗(yàn)時(shí)接人靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測應(yīng)變。記錄每級(jí)荷載下混凝土的應(yīng)變值。

3）CFRP 布應(yīng)變測量：將連接跨中CFRP 布應(yīng)變儀的導(dǎo)線在試驗(yàn)時(shí)接入靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測應(yīng)變值。記錄每級(jí)荷載下CFRP 布的應(yīng)變值。

4）采用智能裂縫寬度測量：儀測試純彎區(qū)內(nèi)的裂縫寬度。

表1 鋼筋材料實(shí)測

2 加載方案及試驗(yàn)測量內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)的參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)梁的編號(hào)及加固情況

表3 碳纖維布性能指標(biāo)

表4 粘膠劑性能指標(biāo)

2.2 加載方案

圖1

圖2

2.3 測量內(nèi)容及數(shù)據(jù)公式

對(duì)截面高度h/2 處取矩，則混凝土受壓區(qū)內(nèi)各小單元的內(nèi)力矩總和為

式中σci是對(duì)應(yīng)于ri各點(diǎn)的帶條平均應(yīng)力值，x 為受壓區(qū)高度。七等分的r 值不取各等分的平均值，而是取下列數(shù)值最好r1=0.4419x，r2=0.2648x，r3=0.1620x，r4=0，r5=-0.1620x，r6=-0.2648x，r7=-0.4419x

這樣內(nèi)力臂zi為Zi=0.5x+ri-0.5h

由平衡條件可以得到：

由力矩平衡條件可得：

按受力相等的原則，可將碳纖維布的面積轉(zhuǎn)化為鋼筋的面積，即

式中，Acfs，fcfs，Ase，fy和 分別代表碳纖維布的面積、抗拉強(qiáng)度、等效的鋼筋面積與鋼筋的抗拉強(qiáng)度。碳纖維布的面積Acfs取其凈面積，即：

Acfs=tcfsBcfsn

其中，tcfs為碳纖維布的計(jì)算厚度，Bcfs為碳纖維布的幅寬（單位：mm），n為加固梁中碳纖維布的粘貼層數(shù)。

對(duì)受壓區(qū)混凝土合力作用點(diǎn)取矩，即：

式中，x 是水平力的平衡條件求得,可表示為：

上式中，fc為凝土抗壓強(qiáng)度；Ass為鋼筋混凝土構(gòu)件中所配縱筋面積與碳纖維布的等效鋼筋面積的總和，Ass=As+Ase。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 撓度

在加荷初期，各實(shí)驗(yàn)梁的撓度相差不多，受拉區(qū)混凝土開裂后，尤其縱筋屈服后，未加固試驗(yàn)梁的撓度急劇增長，而經(jīng)加固的梁的撓度增長較慢。在相同荷載作用下，加固梁的撓度均小于為加固梁的撓度。破壞時(shí)，梁BMI-1 的撓度達(dá)到40mm，而加固梁的撓度一般在25～35mm 之間。由此可見，碳纖維布的使用，可以在一定程度上提高試件的抗彎剛度。

3.2 裂縫開展情況

在實(shí)驗(yàn)過程中，所有的梁均在純彎段內(nèi)出現(xiàn)明顯的彎曲裂縫。相當(dāng)于未加固梁BMI-1，補(bǔ)強(qiáng)加固梁的裂縫出現(xiàn)較晚，且發(fā)展較慢，實(shí)驗(yàn)中還對(duì)正常使用階段時(shí)加固梁的裂縫開展情況做了觀測，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁經(jīng)碳纖維布加固后，裂縫數(shù)量多，裂縫寬度小，且間距遠(yuǎn)小于未加固梁。表5 列出了個(gè)梁在跨中撓度與跨度之比在1/250 左右時(shí)開裂情況的實(shí)測數(shù)據(jù)。

表5 正常使用情況下裂縫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 碳纖維布對(duì)梁剛度的貢獻(xiàn)

碳纖維布對(duì)梁剛度的提高與前面類似也可分成三個(gè)階段，第一階段，混凝土開裂之前，碳纖維布對(duì)梁的剛度提高微乎其微；第二階段，至鋼筋屈服前，BMI-2，BMI-3、BMI-4 比梁BMI-1 的斜率略有增大，表明碳纖維布對(duì)這階段的剛度有提高，提供幅值約2.9%，3.0%，7.3%；第三階段，至極限狀態(tài)，這階段，梁BMI-2、BMI-3、BMI-4 曲線的斜率比梁BMI-1 曲線要大得多，大大減緩了混凝土構(gòu)件因鋼筋屈服后，裂縫迅速開展，高度迅速上升，而使構(gòu)件的有效截面迅速減小，剛度迅速喪失。BMI-2～BMI-4 相對(duì)BMI-1 梁剛度提高的幅度分別為283%，271%，258%。

4 結(jié)論

本文在試驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)CFRP 加固的鋼筋混凝土梁建立了三維實(shí)體模型，進(jìn)行了大量的計(jì)算分析，主要得出以下結(jié)論：

1）按各國規(guī)范給出的加固梁承載力公式計(jì)算各試驗(yàn)梁的抗彎承載力，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)外貼CFRP 的鋼筋混凝土梁正截面承載力的實(shí)驗(yàn)，測定三組數(shù)據(jù)，主要得出受彎的鋼筋混凝土梁在外貼CFRP 材料后，其承載力得到提高。

2）在剪力作用下，鋼筋混凝土梁在外貼CFRP 材料后，其承載力也能夠得到提高，但提高幅度要小于受彎時(shí)構(gòu)。

3）通過加固梁的荷載一位移曲線、裂縫開展情況等的試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果的對(duì)比研究，說明本文建立的CFRP 加固梁非線性有限元模型可以很好地模擬加固梁的抗彎性能。

4）本文分析了CFRP 片材的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土加固梁的抗彎性能的影響，分析結(jié)果可以指導(dǎo)加固技術(shù)更好地應(yīng)用于工程。

5）本文所采用的損傷塑性模型假定混凝土各向同性，與實(shí)際有一定的差距，應(yīng)進(jìn)一通過向異性損傷塑性模型的相關(guān)研究。

［1］余江滔，劉媛，陸洲導(dǎo)，等.表層嵌貼碳纖維板條加固混凝土梁的抗彎試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011，27(2)：138-144.

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