沙麗榮，陳文龍，王秀麗

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長春 130118 2吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心，長春 130118

鋼筋混凝土是一種傳統(tǒng)的建筑材料.目前,我國大部分建筑結(jié)構(gòu)形式依舊是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但混凝土自身存在一定的缺點(diǎn),例如抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、受拉區(qū)容易開裂等,這些缺陷不利于結(jié)構(gòu)抗震.近年來,隨著設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性能的要求也越來越高.因此,如何對(duì)已完成的建筑構(gòu)件進(jìn)行加固已成為重點(diǎn)研究內(nèi)容[1-3].碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn).與傳統(tǒng)的鋼板加固方式相比,CFRP加固具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),而且剛度高、耐腐蝕、耐疲勞、施工便利,所以在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[4-6].CFRP是土木工程中應(yīng)用廣泛的一種纖維增強(qiáng)加固材料,它具有極高的抗拉強(qiáng)度,在達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前幾乎不會(huì)產(chǎn)生塑性變形,受拉時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變呈彈性上升.將其用于鋼筋混凝土加固能夠充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),并能有效提高鋼筋混凝土的抗壓和抗拉性能[7-8].本文用碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁和無加固的普通混凝土梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),研究CFRP加固對(duì)鋼筋混凝土梁力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)共澆筑6根鋼筋混凝土試驗(yàn)梁,其中4根為CFRP加固的試驗(yàn)梁,2根是未加固的普通混凝土梁作為試驗(yàn)對(duì)照組.另外澆筑3個(gè)素混凝土試塊及4根Ф8鋼筋進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗(yàn).通過彎曲試驗(yàn)研究CFRP加固對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎力學(xué)性能的影響.

6根試驗(yàn)梁均設(shè)計(jì)成矩形截面簡支梁,試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30,跨度長為L=1 000 mm,凈跨為L0= 800 mm,截面尺寸為b×h= 75 mm×100 mm.3個(gè)素混凝土試塊設(shè)計(jì)成邊長為100 mm的立方體.試驗(yàn)梁的尺寸、鋼筋配置情況及CFRP加固的位置如圖1所示,梁的彎曲試驗(yàn)分組情況見表1.

圖1 試件尺寸及配筋圖(單位:mm) Fig.1 Specimen size and reinforcement drawing(Unit:mm)

表1 試驗(yàn)梁分組及加固情況Table 1 Grouping and strengthening of test beams

1.2 試件制作及參數(shù)

本試驗(yàn)所有試件采用同一批次材料制作而成,將試驗(yàn)材料充分混合后裝入試模,進(jìn)行澆筑和振搗,人工垂直插搗并用抹刀沿四壁插拔數(shù)次,當(dāng)試驗(yàn)材料分布均勻后停止,最后用橡皮錘試模4周.澆水養(yǎng)護(hù)7 d,當(dāng)試件強(qiáng)度達(dá)到75 %即可拆模,隨后自然養(yǎng)護(hù)至28 d,達(dá)到強(qiáng)度后方可開始試驗(yàn).同時(shí)制作了3個(gè)立方體素混凝土試塊,與試驗(yàn)梁相同條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至28 d,達(dá)到強(qiáng)度要求后開始試驗(yàn).

本試驗(yàn)采用日本三菱公司生產(chǎn)的CFRP碳纖維布,其厚度為hf=0.167 mm,通過試驗(yàn)測(cè)得其破壞荷載為F=14.026 kN,抗拉強(qiáng)度為ft=3 339 MPa,彈性模量為E=2.39×105MPa.同時(shí)通過試驗(yàn)測(cè)得素混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度為37.55 MPa,混凝土的彈性模量和泊松比分別為E= 3×104MPa,μ= 0.2.測(cè)得鋼筋的屈服強(qiáng)度為537.28 MPa,鋼筋的彈性模量和泊松比分別為E= 2×105MPa,μ= 0.3.

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test loading

試驗(yàn)使用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(WAW-600 kN),對(duì)CFRP加固后的鋼筋混凝土梁和無加固的普通鋼筋混凝土梁分別進(jìn)行三點(diǎn)式彎曲加載試驗(yàn).首先,將試件放置于機(jī)器中間,在試件的跨中施加集中荷載,自動(dòng)控制加載并自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù),在電腦端采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).其次,將千分表固定于試驗(yàn)梁的兩端和中間,分別測(cè)量梁的端部和跨中的撓度.本試驗(yàn)在加載過程中采取分級(jí)加載的方式,每級(jí)荷載的增幅為2 kN,荷載每增加2 kN時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的跨中位移和端部位移.

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果對(duì)比

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件B1和B2為未加固的普通鋼筋混凝土梁.在加載過程中,鋼筋混凝土試件的下表面開始出現(xiàn)若干細(xì)小裂紋,隨后下表面裂縫逐漸擴(kuò)展,直至出現(xiàn)主裂縫.在試驗(yàn)梁的純彎區(qū)段,可見明顯的斜向裂縫,而且裂縫尺寸隨著荷載的不斷增加而加大,方向?yàn)橄蜃髢A斜45°.隨著荷載的不斷增加,主裂縫和小裂縫的寬度開始增大,并露出鋼筋,直至鋼筋彎曲,并且伴隨有混凝土碎塊的脫落.卸載后,試驗(yàn)梁仍然呈彎曲的狀態(tài),不能恢復(fù)原狀.試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由此可見,未加固的鋼筋混凝土梁所產(chǎn)生變形的是不可逆的塑性變形.

圖3 未加固梁試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test result of unreinforced beam

試件B3-B6為CFRP加固的鋼筋混凝土試驗(yàn)梁,加載過程和未加固的普通鋼筋混凝土梁相同.加固的試驗(yàn)梁在加載過程中,出現(xiàn)小裂紋的時(shí)間相比未加固梁而言相對(duì)滯后.加固的試驗(yàn)梁在加載的過程中,首先下表面開始出現(xiàn)若干條細(xì)微裂紋,隨著荷載的不斷增加,裂縫開始擴(kuò)展,并出現(xiàn)兩條明顯的呈“八”字形走向的傾斜主裂縫,在主裂縫擴(kuò)展的同時(shí),試件底部依然會(huì)產(chǎn)生若干新的小裂紋,直到兩端的裂縫呈對(duì)稱分布.其次,當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí),混凝土保護(hù)層還會(huì)出現(xiàn)許多條沿縱筋分布方向的水平裂紋,當(dāng)水平裂縫的寬度達(dá)到一定程度時(shí),CFRP布開始從裂縫的底部與混凝土保護(hù)層截面剝離,這種剝離一直延伸到試件的端部.隨著裂縫寬度的增大,試件開始露出鋼筋,而且鋼筋發(fā)生彎曲變形,伴隨著碳纖維布的不斷拉伸,開始掉落混凝土小碎塊,次斜裂縫和主裂縫逐漸擴(kuò)展,相交并形成一個(gè)三角棱柱形的混凝土塊體.最后,隨著荷載的繼續(xù)增加,試件下部的碳纖維布繼續(xù)產(chǎn)生拉伸,直至加固的鋼筋混凝土試件達(dá)到其屈服荷載,加固碳纖維布仍未破壞,而是與鋼筋混凝土的下表面徹底剝離.即使當(dāng)CFRP布最后與試驗(yàn)梁分離時(shí),所形成的三角棱柱形混凝土塊體仍然附著在碳纖維布上,如圖4所示.當(dāng)試件卸載后,CFRP加固的鋼筋混凝土梁的裂縫寬度開始明顯縮小，同時(shí)伴有明顯的彈性變形,加固后的鋼筋混凝土梁卸載后能基本恢復(fù)到加載前的形態(tài),如圖5所示.由此可見,CFRP加固的鋼筋混凝土梁所產(chǎn)生變形的是彈性變形.

圖4 加固梁試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test result of reinforced beam

圖5 加固梁卸載后變形Fig.5 Reinforced beam deformation after unloaded

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2根未加固的普通鋼筋混凝土梁(B1,B2)和4根CFRP加固鋼筋混凝土梁(B3-B6)的分組力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2.

從表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,CFRP加固后的鋼筋混凝土梁與未加固的普通鋼筋混凝土梁相比,初始裂紋荷載提高了138 %(平均值),由于初始裂紋荷載值與鋼筋混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的不均勻性、試驗(yàn)設(shè)備的加載速度以及人為觀察等因素產(chǎn)生的誤差等具有一定的關(guān)系,因此實(shí)測(cè)數(shù)值會(huì)有所不同;另外,加固鋼筋混凝土梁的屈服荷載和極限荷載與未加固試驗(yàn)梁相對(duì)比,則分別提高了110 %和103 %,而跨中最大撓度卻降低了59.3 %.由此可見，CFRP布對(duì)鋼筋混凝土梁起到了明顯的加固作用根據(jù)試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù),分別繪出6根試驗(yàn)梁的位移-荷載曲線,如圖6和圖7所示.將圖6,圖7進(jìn)行對(duì)比可以得出,利用CFRP布來加固鋼筋混凝土梁能夠有效增加其承載能力,并且能夠有效控制其撓度的發(fā)展.

表2 鋼筋混凝土梁加固試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of strengthening reinforced concrete beams

圖6 試件B1，B2位移-荷載Fig.6 Displacement-load of specimen B1，B2

圖7 試件B3-B6位移-荷載Fig.7 Displacement-load of specimens B3-B6

3 有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

模型采用鋼筋混凝土矩形截面簡支梁結(jié)構(gòu),梁的跨度為1 000 mm,凈跨為800 mm,梁的橫截面尺寸為75 mm×100 mm.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,混凝土的保護(hù)層厚度為10 mm,縱向受拉鋼筋為2φ8,受壓鋼筋為2φ8的不通長鋼筋.建立有限元模型如圖8所示.

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

圖9為極限荷載作用下CFRP加固的鋼筋混凝土梁的等效應(yīng)力分布圖.由圖9可見,在單點(diǎn)跨中加載的情況下,當(dāng)加載至極限荷載時(shí),加固混凝土梁的加載點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到了混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,同時(shí)跨中附近的梁的下邊緣的混凝土也達(dá)到了抗拉強(qiáng)度.

圖9 梁的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of beam

圖10為試驗(yàn)梁的應(yīng)變?cè)茍D.由圖10可以看出,加固后的應(yīng)力極值為14.3 MPa,應(yīng)變極值為0.001 053.應(yīng)力和應(yīng)變極值均發(fā)生在加載點(diǎn)附近區(qū)域.通過有限元模擬結(jié)果說明碳纖維布能夠分擔(dān)部分承載力,有效提高梁的強(qiáng)度和剛度,與上述試驗(yàn)結(jié)果相一致.

圖10 梁的應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Strain nephogram of beam

4 結(jié)論

通過對(duì)CFRP加固的鋼筋混凝土梁和未加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行加載彎曲試驗(yàn)和有限元模擬分析,得出以下結(jié)論:

(1) 采用CFRP加固鋼筋混凝土梁后,大大提升了其抗拉、抗壓性能和抗彎剛度,所產(chǎn)生的裂縫分布相對(duì)比較密集,裂縫沿梁長分布均勻且寬度更小,能夠有效抑制裂縫的擴(kuò)展.

(2) CFRP加固后的鋼筋混凝土梁在初裂荷載、屈服荷載和極限荷載方面均有大幅提升,說明加固后的鋼筋混凝土梁在承載力方面有較大提升.

(3) 通過有限元軟件對(duì)CFRP加固后的鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行分析,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致,可以更直觀體現(xiàn)試驗(yàn)的結(jié)果.