許清風(fēng) 李向民 陳建飛 貢春成

(1上海市工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200032)

(2上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200032)

(3貝爾法斯特女王大學(xué)建筑土木工程學(xué)院,英國(guó)貝爾法斯特 BT7 1NN)

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(簡(jiǎn)稱預(yù)制空心板)在我國(guó)應(yīng)用廣泛．結(jié)構(gòu)累積損傷和使用荷載的增加,可能導(dǎo)致預(yù)制空心板承載力不足,需進(jìn)行加固．國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)粘貼CFRP布、內(nèi)嵌CFRP板、粘貼型鋼、內(nèi)嵌鋼筋、板底植筋并噴射混凝土等方法加固預(yù)制空心板進(jìn)行了試驗(yàn)研究[1-6]．

竹材是一種低碳可再生的可持續(xù)材料,具有抗拉強(qiáng)度高、材質(zhì)均勻、高強(qiáng)重比、穩(wěn)定性好、耐磨等突出優(yōu)點(diǎn),在建筑領(lǐng)域一直有所應(yīng)用．許清風(fēng)等[7]和朱雷等[8]進(jìn)行了粘貼竹片加固木梁和混凝土梁的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,粘貼竹片加固木梁和RC梁均為低碳高效的加固技術(shù)．

本文在已有研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了粘貼竹板加固預(yù)制空心板力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,為預(yù)制空心板樓面的維修加固提供技術(shù)依據(jù)．

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文進(jìn)行了9塊粘貼竹板加固預(yù)制空心板的對(duì)比試驗(yàn)．其中,未加固對(duì)比試件3個(gè),編號(hào)為S1～S3.粘貼竹板加固預(yù)制空心板試件6個(gè),分別為:① 試件S4,板底跨內(nèi)粘貼1層5mm厚的橫壓竹板;② 試件S5,板底跨內(nèi)粘貼1層5mm厚的側(cè)壓竹板;③ 試件S6,板底跨內(nèi)粘貼1層20mm厚的側(cè)壓竹板,且竹板兩端設(shè)置200mm寬的CFRP箍,其厚度為0.167mm,搭接長(zhǎng)度為100mm;④ 試件S7,板底跨內(nèi)粘貼1層5mm厚的側(cè)壓竹板和1層5mm厚的橫壓竹板,且竹板兩端設(shè)置200mm寬的CFRP箍,其厚度為0.167mm,搭接長(zhǎng)度為100mm;⑤ 試件S8,板底跨內(nèi)沿板軸粘貼1層300mm寬、5mm厚的側(cè)壓竹板;⑥ 試件S9,板底跨內(nèi)粘貼2條150mm寬、5mm厚的側(cè)壓竹板,其間距為60mm．

試件的詳細(xì)尺寸及特征如圖1所示．

圖1 試件尺寸及特征(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用上海市建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《120預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(冷拔低碳鋼絲φb4、φb5)》[9]中的YKB-5-39-3型預(yù)制空心板．預(yù)制空心板名義高度為120mm,實(shí)測(cè)厚度為110mm．混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30;實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為52.4MPa;冷拔低碳鋼絲的實(shí)測(cè)極限抗拉強(qiáng)度為773MPa．

試驗(yàn)用竹板由機(jī)器加工而成．竹板拉伸試驗(yàn)圖見圖2．3根5mm厚的橫壓竹板的抗拉強(qiáng)度平均值為101MPa,彈性模量為9236MPa;3根5mm厚的側(cè)壓竹板的抗拉強(qiáng)度平均值為100MPa,彈性模量為9530MPa．選用吳江八都得力建筑結(jié)構(gòu)膠廠生產(chǎn)的DL-JGN型建筑結(jié)構(gòu)黏結(jié)膠,其鋼-鋼抗拉強(qiáng)度大于33MPa,鋼-鋼抗剪強(qiáng)度大于18 MPa．

圖2 竹板材性試驗(yàn)圖

1.3 位移計(jì)和應(yīng)變片布置

為了解受力過程中預(yù)制空心板的變形情況,在試件跨中和支座布置位移計(jì);為了解混凝土和竹板的變形情況,在相應(yīng)位置布置應(yīng)變片．位移計(jì)和應(yīng)變片讀數(shù)采用DH3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．試件位移計(jì)布置位置見圖3．

1.4 加載制度

本試驗(yàn)所有試件均采用三分點(diǎn)加載,支座間距為3.6m,加載點(diǎn)之間間距為1.2m．荷載由液壓千斤頂施加并通過分配梁傳遞,在預(yù)制空心板加載位置墊砂以使受力均勻．正式加載前進(jìn)行預(yù)加載消除系統(tǒng)誤差．正式加載采用單調(diào)分級(jí)加載,每塊預(yù)制空心板的試驗(yàn)時(shí)間為20～30min．

圖3 位移計(jì)布置圖(單位:mm)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 未加固對(duì)比試件

對(duì)于對(duì)比試件S1～S3,在荷載增加至極限荷載的56%～67%時(shí),于純彎區(qū)段靠近跨中出現(xiàn)第1條豎向裂縫;隨著荷載的增加,純彎區(qū)彎曲裂縫逐漸增多;加載至極限荷載時(shí),伴隨巨大聲響,預(yù)制空心板在跨中區(qū)域或加載點(diǎn)處突然斷裂破壞,所有縱筋均拉斷．S1～S3的開裂荷載分別為15.3,12.7,15.0 kN,其平均值為14.3 kN;極限荷載分別為22.8,22.7,22.8 kN,其平均值為22.8 kN．對(duì)比試件S1～S3的破壞形態(tài)見圖4．

圖4 對(duì)比試件的破壞形態(tài)

2.2 加固試件

對(duì)于加固試件S4～S9,在荷載增加至15.0～28.0kN時(shí),于純彎區(qū)跨中附近出現(xiàn)第1條彎曲裂縫;隨著荷載的繼續(xù)增加,純彎區(qū)出現(xiàn)多條彎曲裂縫,并向上開展． 其中,試件S6的裂縫數(shù)量明顯少于試件S4～S5以及對(duì)比試件S1～S3;試件S7的裂縫數(shù)量明顯少于試件S4～S5,但多于試件S6．

當(dāng)荷載增加至極限荷載時(shí),除試件S7外,其余試件均發(fā)出巨大聲響．試件S4于彎剪區(qū)竹板端部發(fā)生剝離,進(jìn)而在一側(cè)加載點(diǎn)外側(cè)發(fā)生剪切破壞．試件S5于一側(cè)彎剪區(qū)竹板端部發(fā)生剪切破壞,竹板外側(cè)預(yù)制空心板縱筋從混凝土中剝離．試件S6在竹板一側(cè)發(fā)生剪切破壞．試件S7伴隨撕裂聲,在一側(cè)竹板邊緣發(fā)生剪切破壞,竹板和CFRP箍未見明顯破壞．試件S8在竹板一側(cè)端部發(fā)生剪切破壞,混凝土壓碎、鋼筋彎起．試件S9在跨中位置彎曲破壞,板底竹板全部拉斷,鋼筋多數(shù)拉斷,預(yù)制空心板板面出現(xiàn)貫穿裂縫．

加固試件S4～S9的破壞形態(tài)見圖5．

圖5 加固試件的破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件承載力

各試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見表1．表中，Pcr為開裂荷載;P[ω]為達(dá)到允許撓度l0/200時(shí)的荷載,其中l(wèi)0為預(yù)制空心板跨度;Pu為極限荷載;δP[ω],δPu分別為P[ω]和Pu的提高幅度;Δu為試件達(dá)到Pu時(shí)的位移．

表1 各試件荷載及位移試驗(yàn)結(jié)果

3.2 荷載-跨中撓度曲線

試件荷載-跨中撓度曲線如圖6所示．試件開裂荷載和極限荷載對(duì)比結(jié)果如圖7所示．

圖6 荷載-跨中撓度曲線

圖7 開裂荷載和極限荷載對(duì)比圖

由表1、圖6和圖7可知,粘貼竹板加固后,預(yù)制空心板的開裂荷載較未加固對(duì)比試件有所提高,提高幅度為5%～96%,平均提高41%;極限荷載顯著提高83%～184%,平均提高123%． 僅粘貼1層5mm厚竹板加固時(shí),加固試件破壞時(shí)的限位移增加20%～103%;粘貼2層5mm厚竹板或1層20mm竹板加固時(shí),極限位移減少11%～17%．

3.3 彎曲剛度

取各試件在荷載分別為0,0.4Pu時(shí)的割線剛度為試件初始彎曲剛度;取各加固試件開裂后荷載-位移曲線的平均斜率為試件開裂后彎曲剛度．各加固試件初始彎曲剛度和開裂后彎曲剛度的對(duì)比結(jié)果見圖8．

由圖8可知,隨竹板寬度和厚度的增加,加固試件的初始彎曲剛度略有增加,開裂后彎曲剛度明顯提高．

圖8 試件彎曲剛度對(duì)比圖

3.4 允許撓度下的荷載

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的規(guī)定,正常使用極限狀態(tài)下預(yù)制空心板的允許撓度為l0/200．本文選用預(yù)制空心板跨度l0=3600mm,因而跨中允許撓度[ω]=18mm．對(duì)比試件和加固試件在跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)的荷載P[ω]對(duì)比見表1．

由表1可知,粘貼竹板加固后,加固試件跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)的荷載P[ω]增加8%～76%,增加幅度隨著加固竹板厚度和寬度的增加而增大,平均增加35%．因此,粘貼竹板加固預(yù)制空心板對(duì)提高正常使用極限狀態(tài)下的承載能力有明顯作用．

3.5 應(yīng)變

典型試件的跨中截面沿截面高度的應(yīng)變變化見圖9．由圖可知,對(duì)比試件和加固試件的跨中截面應(yīng)變隨荷載增加仍基本符合平截面假定．

圖9 試件跨中截面沿截面高度應(yīng)變變化圖

對(duì)比試件和粘貼竹板加固試件的跨中受拉邊緣和受壓邊緣的應(yīng)變對(duì)比見圖10．所有試件的1#應(yīng)變片均位于跨中板頂混凝土受壓邊緣中心．對(duì)比試件S1,S3和加固試件S9的12#應(yīng)變片位于跨中板底混凝土受拉邊緣中心,其余加固試件的12#應(yīng)變片位于板底跨中竹板受拉邊緣中心;試件S8，S9的13#應(yīng)變片位于板底跨中未貼竹板處空隙混凝土的中心;試件S9的11#應(yīng)變片位于板底跨中一片竹板的中心．由圖10可知,隨著竹板寬度和厚度的增加,相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板的拉應(yīng)變和受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變均明顯降低．隨竹板厚度和寬度的增加,粘貼竹板加固試件的開裂后彎曲剛度明顯增大．加固試件S4～S7受拉邊緣中心竹板處的拉應(yīng)變最大僅為4×10-3～7×10-3,這與試件發(fā)生剪切破壞相符．當(dāng)竹板寬度減少至300mm,臨近破壞時(shí)受拉邊緣中心竹板的最大拉應(yīng)變達(dá)到1.4×10-2～1.5×10-2,試件S9已發(fā)生彎曲破壞．試件S8，S9的板底跨中未粘貼竹板處混凝土的拉應(yīng)變與對(duì)比試件相近．

圖10 試件跨中邊緣應(yīng)變對(duì)比圖

對(duì)比試件和加固試件的板頂和板底沿跨中寬度方向的應(yīng)變對(duì)比見圖11．其中,1#～4#應(yīng)變片位于板頂跨中截面，分別距邊緣220,110,10,60mm；10#～13#應(yīng)變片位于板底跨中截面，分別距邊緣10,125,235,65mm．由圖11可知,對(duì)于對(duì)比試件和板底滿貼竹板的加固試件,其跨中截面板頂和板底在加載過程中沿寬度方向均勻受力．而對(duì)于板底粘貼條帶竹板的加固試件S8，S9,其跨中截面板頂在加載過程中沿寬度方向基本均勻受力,板底竹板沿寬度方向均勻受力,但條帶竹板和混凝土受力存在較大差異．

對(duì)比試件和加固試件的板頂和板底沿板軸方向應(yīng)變對(duì)比見圖12．由圖可知,在加載過程中,所有試件的跨中純彎區(qū)段沿板軸向的板頂壓應(yīng)變和板底拉應(yīng)變均較為均勻,彎剪區(qū)顯著減?。畬?duì)于板底局部粘貼竹板的加固試件S8，S9,其竹板的拉應(yīng)變顯著大于受拉邊緣的混凝土拉應(yīng)變．

圖11 試件跨中沿寬度方向應(yīng)變對(duì)比圖

圖12 試件沿板軸方向應(yīng)變對(duì)比圖

4 結(jié)論

1) 破壞形態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果均表明,粘貼竹板加固預(yù)制空心板可顯著提高其承載力．未加固試件和粘貼適量竹板加固預(yù)制空心板均發(fā)生彎曲破壞,當(dāng)竹板寬度和厚度較大時(shí)則會(huì)發(fā)生剪切破壞．

2) 粘貼竹板加固預(yù)制空心板的開裂荷載平均提高41%,極限荷載平均提高123%．加固試件的開裂荷載和極限荷載均隨竹板厚度和寬度的增加而增大．

3) 粘貼竹板加固預(yù)制空心板的跨中撓度達(dá)到允許撓度時(shí)，荷載平均增加35%,增加幅度隨竹板厚度和寬度的增加而增大．粘貼竹板對(duì)提高正常使用極限狀態(tài)下的承載能力亦有明顯作用．

4) 隨著竹板寬度和厚度的增加,加固試件的初始彎曲剛度略有增加,開裂后彎曲剛度明顯提高．

5) 隨著荷載的增加,對(duì)比試件和加固試件的跨中截面應(yīng)變?nèi)曰痉掀浇孛婕俣ǎS著竹板寬度和厚度的增加,相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板拉應(yīng)變和受壓邊緣中心混凝土壓應(yīng)變均有所降低．在加載過程中,跨中截面板頂沿寬度方向均勻受力．

6) 竹材是一種可再生低碳生物質(zhì)材料,具有抗拉強(qiáng)度高、材料性能穩(wěn)定、易本地化、價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)．采用竹板代替其他加固材料,符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向．下一步工作應(yīng)深入研究粘貼竹板加固預(yù)制空心板的作用機(jī)理、耐久性能、防火性能,并在此基礎(chǔ)上提出粘貼竹板加固預(yù)制空心板的設(shè)計(jì)方法和施工工藝．

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[1]賈廷躍.碳纖維加固空心板試驗(yàn)研究與承載規(guī)律分析[J].公路工程,2009,34(1):30-34.

Jia Tingyue.Experimental research and flexural analysis on hollow slab strengthened with carbon fiber reinforced polymer[J].HighwayEngineering,2009,34(1):30-34.(in Chinese)

[2]Elgabbas F,El-Ghandour A,Abdelrahman A,et al.Different CFRP strengthening techniques for prestressed hollow core concrete slabs: experimental study and analytical investigation[J].CompositeStructures,2010,92(2):401-411.

[3]丁亞紅,曾憲桃,李志鵬.外貼碳纖維布加固預(yù)應(yīng)力空心板設(shè)計(jì)[J].建筑技術(shù),2007,38(6):437-439.

Ding Yahong,Zeng Xiantao,Li Zhipeng.Analysis and design of pre-stressed hollow concrete slab strengthened with CFRP[J].ArchitectureTechnology,2007,38(6):437-439.(in Chinese)

[4]葛培中,李長(zhǎng)友,施功,等.板底噴射混凝土加固技術(shù)[J].建筑技術(shù),2004,35(6):452-453.

Ge Peizhong,Li Chongyou,Shi Gong,et al.Jetted concrete slab bottom strengthening technology[J].ArchitectureTechnology,2004,35(6):452-453.(in Chinese)

[5]李曰辰,李秀君.粘型鋼法加固預(yù)應(yīng)力空心板[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(25):6327-6329.

Li Yuechen,Li Xiujun.Strengthen prestressed hollow by section-steel bonded[J].ScienceTechnologyandEngineering,2010,10(25):6327-6329.(in Chinese)

[6]Hassan T,Rizkalla S.Flexural strengthening of prestressed bridge slabs with FRP systems[J].PCIJournal,2002,47(1):76-93.

[7]許清風(fēng),陳建飛,李向民.粘貼竹片加固木梁的研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2012,44(1):36-42.

Xu Qingfeng,Chen Jianfei,Li Xiangmin.Study on timber beams strengthened with bamboo strips[J].JournalofSichuanUniversity:EngineeringScienceEdition,2012,44(1):36-42.(in Chinese)

[8]朱雷,許清風(fēng),陳建飛.粘貼竹片加固混凝土梁的試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2012,28(3):144-149.

Zhu Lei,Xu Qingfeng,Chen Jianfei.Strengthening RC beams with externally bonded bamboo strips [J].StructuralEngineers,2012,28(3):144-149.(in Chinese)

[9]上海市建工設(shè)計(jì)研究院.97滬G306 120預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(冷拔低碳鋼絲φb4、φb5)[S].上海: 上海市建工設(shè)計(jì)研究院,1997.