江 雪， 李 浩， 王 蕾

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于碳纖維板的高強(qiáng)、剛度大、彈性模量高、延性好等特點(diǎn)，對碳纖維板施加預(yù)拉應(yīng)力單向加固混凝土雙向板與非預(yù)應(yīng)力碳纖維板單向加固混凝土雙向板、普通未加固板在使用荷載情況下的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，探討粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固雙向板在使用荷載下的受彎性能，歸納預(yù)應(yīng)力碳纖維板單向加固雙向板的受力特性和破壞機(jī)理。但目前國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固的研究仍主要集中在梁、柱及單向板等構(gòu)件上，其計(jì)算理論、施工技術(shù)比較成熟［1，2］，而用于加固混凝土雙向板的研究所見文獻(xiàn)很少，這在相當(dāng)程度上局限了預(yù)應(yīng)力碳纖維的應(yīng)用發(fā)展。本試驗(yàn)在總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固梁、單向板的理論基礎(chǔ)之后，提出了方案一、方案二兩套新的雙向板試驗(yàn)加固方案。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件尺寸及配筋

本試驗(yàn)共制作了6塊鋼筋混凝土雙向板，兩套方案的試件相同，設(shè)計(jì)板截面尺寸均為1800 mm×1500 mm×60 mm，設(shè)計(jì)采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，雙向?qū)ΨQ配置φ8@200的受力鋼筋，如圖1所示。

1.2 試件特性

圖1 試驗(yàn)尺寸及配筋

根據(jù)試驗(yàn)要求，共制作了6塊雙向板。根據(jù)用途，各試件的編號(hào)及其相關(guān)的參數(shù)如表1所示:

表1 試件參數(shù)設(shè)計(jì)表

1.3 試驗(yàn)裝置及加載方案

為了模擬實(shí)際使用荷載情況下雙向板的受力性能，方案一加載采取板面中心區(qū)域均布加載的方法，方案二采用板面中心集中加載法。兩方案中的混凝土雙向板都簡支于四邊磚墻支墩上，四邊簡支雙向板尺寸為1800 mm×1500 mm×40 mm，不同之處在于方案一是在板面中心的荷載千斤頂下布置一塊500 m×400 mm×30 mm厚的鋼板以模擬面積為300 mm×200 mm的局部均勻荷載，而方案二是由千斤頂直接將荷載傳遞到板面中心。加載采用最大壓力為320 kN的機(jī)械式千斤頂，壓力測量采用量程為200 kN的弦振式壓力傳感器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本試驗(yàn)采用正向加載。

1.3.1 加載方案概述

試驗(yàn)加載過程分為預(yù)加載和正式加載兩部分，而正式加載部分又分開裂荷載、屈服荷載、極限荷載三部分。混凝土雙向板各試驗(yàn)板在加載整個(gè)過程中結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定到失穩(wěn)破壞過程對應(yīng)的三個(gè)階段的荷載情況見表2。

表2 各試驗(yàn)板特征荷載理論計(jì)算值 kN

1.3.2 破壞時(shí)的板底裂縫形態(tài)分析

由文獻(xiàn)［3］和［4］的理論分析知板底裂縫形態(tài)大致如圖2所示，各板隨著荷載的增加，在板底長跨方向首先出現(xiàn)一條正彎曲的裂縫，粘貼上碳纖維板后，各板的裂縫開展緩慢，隨著荷載繼續(xù)增加，板底裂縫條數(shù)和裂縫寬度相應(yīng)增加，達(dá)到一定荷載時(shí)裂縫條數(shù)趨于穩(wěn)定。由文獻(xiàn)［3］的結(jié)論知，方案一中原型板PB和各加固板的破壞形態(tài)大體相似，板底在矩形局部加載區(qū)域面下形成較寬的矩形裂縫，矩形的形狀大致與加載面重合。方案二中板底跨中的裂縫數(shù)量和寬度較方案一少一些。

圖2 板底裂縫

圖3 碳纖維板粘貼方式和應(yīng)變片布置

2 應(yīng)變片的布置與粘貼

為了準(zhǔn)確測定能施加到試驗(yàn)板上的有效預(yù)應(yīng)力、碳纖維強(qiáng)度的利用程度以及纖維板與混凝土之間的粘結(jié)是否可靠。方案一、二中應(yīng)變片的布置均分為板內(nèi)鋼筋上的應(yīng)變片和碳纖維板上的應(yīng)變片。板內(nèi)鋼筋應(yīng)變，由澆筑混凝土試件時(shí)事先在鋼筋表面上粘貼保護(hù)的鋼筋應(yīng)變片測取;碳纖維板應(yīng)變，由在碳纖維板表面上粘貼的應(yīng)變片測取。

3 試件張拉施工工藝、張拉制度以及端部錨固措施

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，為了盡量減少預(yù)應(yīng)力與混凝土的損失、避免碳纖維板與混凝土的粘結(jié)滑移以及在加載過程中錨固區(qū)域發(fā)生的應(yīng)力集中破壞(剝離破壞)，采用合適的施加預(yù)應(yīng)力裝置和端部錨固措施對試驗(yàn)的成功尤為關(guān)鍵。在總結(jié)目前的預(yù)應(yīng)力碳纖維板的施工工藝基礎(chǔ)上，方案一擬采取的是柳州歐維姆有限責(zé)任公司施加預(yù)應(yīng)力的裝置及端部錨固方案，即先拉后貼。方案二利用“反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)”將碳纖維板粘貼在雙向板上(具體的施工工藝過程見文獻(xiàn)［5］和［6］)。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，由于粘貼過程中的預(yù)應(yīng)力損失以及粘結(jié)滑移等不利因素造成方案一中端部錨固區(qū)域的剪切應(yīng)力較方案二小，錨固區(qū)域不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中破壞，而方案二中由于板的截面較梁大很多，實(shí)際的施工工藝很難做到利用”預(yù)應(yīng)力反拱技術(shù)“將碳纖維板貼到板上，即使做到，板底相向的剪力可能會(huì)使錨固端發(fā)生應(yīng)力集中破壞，不易操作。

4 量測方法

4.1 應(yīng)變片設(shè)置

應(yīng)變片分別設(shè)置在非預(yù)應(yīng)力碳纖維板、預(yù)應(yīng)力碳纖維板、板內(nèi)受拉鋼筋處。其中預(yù)應(yīng)力上的應(yīng)變片設(shè)置依據(jù)張拉力的不同也有所不同，根據(jù)不同加固方式的受力特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力纖維板試驗(yàn)板、非預(yù)應(yīng)力纖維板試驗(yàn)板、未加固板上的應(yīng)變片依次減少。

4.2 撓度測量

撓度測量采用百分表，共五個(gè)測點(diǎn)，分別對稱分布在四個(gè)磚墻支座中心點(diǎn)處、板中心加載點(diǎn)對應(yīng)的板底位置。

4.3 裂縫觀測

裂縫觀測采用讀數(shù)顯微鏡。本次試驗(yàn)確定的達(dá)到極限條件為按照《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的正常使用極限和承載力極限狀態(tài)下的相關(guān)要求。

5 PB板、非預(yù)應(yīng)力板、預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)板的開裂、屈服、極限荷載計(jì)算

5.1 PB板的開裂荷載

由力的平衡和力矩平衡條件得出:單筋矩形截面的最大受彎承載力為:Mu，max=(1-0.5εb)，as，max=(1-0.5εb)，查表知:a1=1.0，as，max=0.426，x、y 向?qū)?yīng)長、短跨方向。在短跨y 方向:Mu，max=，計(jì)算得出qy=40.872 kN/m，由 qx/qy=(ly/lx)4=0.4256，qx=17.395 kN/m，由此得出加載點(diǎn)施加的力P=25.046 kN。由普通RC構(gòu)件的開裂彎矩的計(jì)算公式:Mcr=γxftkw0計(jì)算知，加載點(diǎn)施加的力P=13.355 kN，兩種情況下推出方案一、方案二的開裂荷載取值分別為 19.2 kN，29.57 kN 。

5.2 PB板的展服荷載

由于理論上沒有成熟的模型，在加載過程中只有分析千斤頂表盤讀數(shù)和壓力傳感器以及鋼筋應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)才能推導(dǎo)出。參照文獻(xiàn)［3］和［7］的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出兩種方案下屈服荷載分別為P=29.48 kN，44.94 kN。

5.3 PB板的板限荷載

由圖3應(yīng)變片的布置圖和碳纖維板的加固方式，由于碳纖維的延性很差，先假定在均布加載區(qū)域不發(fā)生碳纖維脆性破壞，在板的對角線方向先出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)而參照文獻(xiàn)［8］用塑性分析法中的線性絞線屈服模式中的結(jié)論，Pu=2(WiA+WiB)計(jì)算出Pu分別為35.96 kN和53.93 kN。

非預(yù)應(yīng)力板的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的計(jì)算參照文獻(xiàn)［4］;預(yù)應(yīng)力板的開裂、屈服、極限荷載參照文獻(xiàn)［7］。

6 結(jié)語

從表2試驗(yàn)板荷載理論計(jì)算值可知，與原型對比板相比，各加固板的開裂荷載、屈服荷載以及破壞極限荷載都有了顯著的提高，其中預(yù)應(yīng)力加固板相應(yīng)的荷載提高程度最大。通過方案的比較分析得出，方案一雖然承載力提高程度較小，但采取先拉后貼方式可以保證端部錨固區(qū)域不發(fā)生剝離破壞，實(shí)際施工也容易操作。方案二采取的集中加載方式承載力提高的程度效果明顯，但是預(yù)應(yīng)力的張拉方式在實(shí)際操作中不易控制。試驗(yàn)主要是從預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固試驗(yàn)板進(jìn)行展開，從粘貼量、間距、以及施加的預(yù)應(yīng)力這三個(gè)變量出發(fā)，著重研究加固板的破壞機(jī)理、破壞形態(tài)、力學(xué)性能變化、碳纖維的利用強(qiáng)度等特征，為預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固雙向板在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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