陳偉宏，馬景明，崔雙雙

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108;2.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院電網(wǎng)事業(yè)部，北京100095;3.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州350108)

0 引言

粘貼CFRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)可以有效提高鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力.加固膠粘劑是該技術(shù)的關(guān)鍵因素，因?yàn)槟z粘劑良好的性能是保證CFRP布與混凝土構(gòu)件共同工作的基礎(chǔ).目前加固所用膠粘劑多為環(huán)氧類有機(jī)膠，其軟化點(diǎn)介于60～80℃，導(dǎo)致加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐高溫性能較差.可以采取在CFRP布表面涂防火涂料和用耐高溫膠取代有機(jī)膠來解決該問題［1-3］.火災(zāi)發(fā)生后，即使在CFRP布表面涂防火涂料，CFRP布與混凝土之間也難免會(huì)產(chǎn)生滑移甚至失去粘結(jié)，其耐高溫性能提高有限.無機(jī)膠具有無毒、成本低、耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，筆者制備了一種可以耐600℃高溫的無機(jī)膠［4］.用該膠在混凝土表面粘貼CFRP布的面內(nèi)剪切強(qiáng)度與有機(jī)膠相當(dāng)［5］.

通過用無機(jī)膠粘貼一層CFRP布加固4根經(jīng)歷受彎承載極限狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁，并進(jìn)行正截面受彎性能試驗(yàn)，來研究加固后構(gòu)件的破壞模式、承載力等.

1 試驗(yàn)簡介

1.1 組合梁設(shè)計(jì)情況［6］

4根組合梁截面b×h=300 mm×400 mm，計(jì)算跨度為3 800 mm.l梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，保護(hù)層厚度25 mm.預(yù)應(yīng)力筋為φp5低松弛高強(qiáng)鋼絲，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1 670 N/mm2，彈性模量為Ep=2.05×105MPa.張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk.分別將4根組合梁編號(hào)為B-1、B-2、B-3、B-4，其主要試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，鋼管力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，組合梁細(xì)部構(gòu)造如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)方案

由于組合梁在進(jìn)行受彎試驗(yàn)時(shí)，跨中受壓區(qū)混凝土部分被壓碎.卸載后，部分主裂縫未閉合.在對(duì)組合梁進(jìn)行加固前，先將壓碎混凝土用C45細(xì)石混凝土進(jìn)行置換，而對(duì)未閉合裂縫采用注入無機(jī)膠進(jìn)行修復(fù).

在梁底粘貼一層厚0.111 mm寬300 mm的CFRP布對(duì)組合梁進(jìn)行加固，加固方案如圖2所示.CFRP布的抗拉強(qiáng)度為4 578 N/mm2，伸長率為1.77%，彈性模量為2.50×105N/mm2.

采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載進(jìn)行受彎性能試驗(yàn).跨中梁側(cè)混凝土、梁頂混凝土和梁底CFRP布應(yīng)變通過應(yīng)變片測量，梁端和跨中位移由位移引伸儀測量.

表1 組合梁基本參數(shù)一覽表Tab.1 Information of composite beam s

表2 鋼管力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical properties of steel tube

注:fy表示鋼管實(shí)測屈服強(qiáng)度;fu表示鋼管實(shí)測極限抗拉強(qiáng)度;Es表示鋼管彈性模量;υ表示鋼管泊松比.

2 試驗(yàn)結(jié)果

4根試驗(yàn)梁均出現(xiàn)繼CFRP布達(dá)到極限拉應(yīng)變而拉斷后，繼續(xù)加載，受壓區(qū)邊緣混凝土被壓碎的破壞模式，如圖3所示.4根試驗(yàn)梁荷載—跨中撓度曲線均呈現(xiàn)開裂彈性和塑性發(fā)展二個(gè)階段，如圖4所示.

圖1 組合梁鋼桁架細(xì)部構(gòu)造Fig.1 Construction detail of steel truss

通過對(duì)試驗(yàn)梁跨中截面從加載到破壞各級(jí)荷載作用下的混凝土應(yīng)變實(shí)測值分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁純彎段基本符合平截面假定，如圖5所示.

圖2 碳纖維加固圖Fig.2 CFRP layout

圖3 試驗(yàn)梁破壞特征Fig.3 Failure characteristic of test beams

3 加固組合梁正截面受彎承載力分析

3.1 受彎承載力的計(jì)算方法

組合梁在完成正截面受彎試驗(yàn)后，非預(yù)應(yīng)力筋的最大拉應(yīng)變?nèi)晕挥阡摻畋緲?gòu)的屈服平臺(tái)上.對(duì)加固后組合梁進(jìn)行受彎承載分析時(shí)，非預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)關(guān)系仍取GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦本構(gòu).

原組合梁在完成正截面受彎試驗(yàn)后，若受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變小于fc對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)與，則分析加固后梁受彎承載力時(shí)，混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系仍采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的本構(gòu)關(guān)系;若混凝土的壓應(yīng)變大于εc，小于極限壓應(yīng)變?chǔ)與u，則混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用圖6所示的曲線［7］;若受壓區(qū)混凝土局部被壓碎，則采用C45細(xì)石混凝土置換壓碎混凝土，使置換處的破壞遲于其他部位.

圖4 試驗(yàn)梁彎矩—跨中撓度曲線Fig.4 Curve of load deflection of test beams

圖5 B－1控制截面應(yīng)變分布Fig.5 Distribution of strain along the critical section of B－1

圖6 混凝土二次受荷應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.6 Relation of stress strain of concrete secondary load

將加固梁在純彎段沿高度方向分為n個(gè)條帶，根據(jù)平截面假定，得到鋼管和鋼筋的應(yīng)變、受壓區(qū)邊緣和第i條混凝土的壓應(yīng)變與CFRP布的應(yīng)變相關(guān)關(guān)系.采用相應(yīng)的鋼筋、混凝土本構(gòu)關(guān)系，由力平衡條件求出混凝土實(shí)際受壓區(qū)高度，進(jìn)而可求得試驗(yàn)梁的正截面受彎承載力.

3.2 抗彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

對(duì)用無機(jī)膠粘貼CFRP布加固后的損傷有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土組合梁的受彎彎承載力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示，其中Mut為試驗(yàn)梁的極限承載力實(shí)測值，Muc為試驗(yàn)梁的極限承載力計(jì)算值.

表3 極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Tab.3 Test between the calculated and test values of ultimate bearing capacity kN·m

由表3可以得出，加固梁正截面抗彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值X的平均值為=0.99，標(biāo)準(zhǔn)差為σ=0.05，變異系數(shù)δ=0.05，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好.

4 加固組合梁剛度分析

一般受彎構(gòu)件承載力的45%與荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值在數(shù)值上基本相等，承載力的70%與荷載效應(yīng)基本組合值大致相當(dāng)［8］.

由表 4 可知，加固梁的剛度值 B0.45和 B0.70相差不大，可認(rèn)為荷載小于極限荷載的70%時(shí)，該類加固梁的受彎剛度為定值.且考慮極限荷載的45%與荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值大致相當(dāng)，筆者認(rèn)為f0.45和 B0.45分別與荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的撓曲變形fk和短期剛度Bs在數(shù)值上近似相等.

［9］構(gòu)建該類加固組合梁在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的短期剛度表達(dá)式(1).Ec為混凝土彈性模量;I0為梁換算截面慣性矩;αE為鋼管彈性模量與混凝土彈性模量的比值;a、b為實(shí)常數(shù);ρ為縱向受拉鋼筋綜合配筋率，

在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下此類加固梁的跨中撓度fk≈f0.45.由圖乘法得到第i根試驗(yàn)梁在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的跨中撓度計(jì)算值fk，i和實(shí)測撓度值 f0.45，i，令建立變分方程組得到 a =0.53，b=0.34.考慮受彎破壞及粘貼CFRP布對(duì)加固梁剛度的影響后，此類加固梁在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的短期剛度公式可表示為

由于受彎構(gòu)件承載力的45%與荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值基本相等，故在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下加固組合梁實(shí)測剛度取為極限承載力的45%時(shí)的剛度值.將相關(guān)物理量代入式(2)，即得到加固組合梁的剛度計(jì)算值，則剛度計(jì)算值Bcs與實(shí)測值如表5所示.

表5 剛度計(jì)算值與實(shí)測值比較Tab.5 Com parison between the calcu lated and test values of bending rigidity

由表5可知，由公式(2)計(jì)算得到的加固組合梁剛度值與實(shí)測值吻合較好.

5 結(jié)論

(1)用無機(jī)膠粘貼CFRP布加固損傷組合梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了繼CFRP布被拉斷后混凝土被壓碎的破壞模式.

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，用無機(jī)膠粘貼CFRP布加固經(jīng)歷承載能力極限狀態(tài)的組合梁是可行的.

(3)基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮原梁受荷歷程影響的用無機(jī)膠粘貼碳纖維布加固混凝土梁的正截面受彎承載力計(jì)算方法，提出了與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好的剛度計(jì)算公式.

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