CFRP-混凝土界面

CFRP-混凝土界面（共6篇）

CFRP-混凝土界面 篇1

摘要：利用碳纤维布加固混凝土构件时,通常会发生碳纤维布与混凝土母材之间的剥离破坏,发生该种破坏时,碳纤维布的利用率很低。为了解决剥离问题,引入一种新型毫米级端锚系统,采用改进的对拉双剪试验对构件进行试验研究。通过试验发现,端锚的加入增加了碳纤维布的有效黏结长度,因此其剥离荷载有较大的提高;同时,端锚的加入改变了碳纤维布的破坏模式,带端锚系统的构件所有的破坏模式均为拉断,有力提高了碳纤维布的利用率。通过试验还发现,端锚的利用并不改变黏结长度内各点的受力性能,即端锚的加入并不影响胶体作用的发挥,胶体与端锚的作用是一个叠加的关系。

关键词：端锚系统,碳纤维布,应变,加固,剥离

0前言

自然灾害、材料老化诸多因素都会影响建筑结构的长期使用,面临承载能力逐渐丧失或耐久性满足不了要求等问题。碳纤维布材料由于具有使用范围广、施工质量易保证、轻质高强、耐久性及弹性性能良好等优点,于20世纪80年代初期在德国和瑞士[1,2]率先用于桥梁加固并取得较好的效果后,在国际社会受到了广泛关注并大量用于结构加固中。碳纤维布加固技术在我国的研究较晚,1997年才开始,但发展相当迅速。国内外在对碳纤维布的研究及使用过程中发现,碳纤维布破坏的原因大都是早期剥离破坏[3,4,5,6],由于早期剥离破坏,碳纤维布的高强优势无法充分发挥出来。

解决碳纤维布与混凝土之间早期剥离破坏问题成为工程界和学术界致力要解决的问题。在研究过程中,学者们提出了诸多解决早期剥离破坏的方案,如对截面宽度较小的梁而言,在抗弯加固用纵向纤维条带端部附加U形纤维布是最常规的做法,该方法具有一定效果[7],但由于U形条带本身也可能剥离,这将使得剥离荷载计算变得更加复杂;钉板式锚固技术[8],即用成对的螺丝锚固沿纤维片材长度方向安装若干个压板,该方法对防止中部剥离有一定效果;波形夹具锚固技术[9],该方法用一种波形齿夹具锚固FRP片材,由于该系统的可靠锚固,能较充分地利用FRP片材的强度,但由于其锚板的特殊形状,FRP片材的抗拉强度受到了一定程度的影响;文献[10]等利用螺杆将缠绕着经环氧树脂浸润后的CFRP布的铁片锚固在混凝土构件上,该方法可延缓CFRP布的剥离,CFRP布的破坏模式为拉断,有效提高了CFRP的利用率;文献[11]提出了复合加固的方法,即在碳纤维布与混凝土黏结的基础上,再采用机械锚固(即通过射钉将碳纤维布与混凝土连接在一起)。

本文采用一种自锁式碳纤维锚固装置,即在CFRP端部采用一种特制锚板,然后将CFRP布穿过锚具上预留的孔洞,通过自锁使CFRP布与锚板协同工作,再通过化学植筋将锚具植入混凝土构件中,锚板示意图如图1(a)所示。由于锚板与混凝土的接触只有很少的孔洞,因此,对混凝土不会造成损伤,且可以避开钢筋的位置。在设计锚板时,为避免荷载作用时损伤CFRP布的碳纤维细丝,将锚板上与CFRP接触部位做成圆弧状。为实现自锁,布在锚板上的缠绕方式如图1(b)、(c)、(d)所示。本试验采用端锚加黏结相结合的形式,旨在探寻端锚对CFRP早期剥离所做的贡献,以及如CFRP剥离后,端锚能起什么样的作用。一旦确定端锚系统对CFRP加固所做贡献,即可将其用于实际工程中。

1 试验方案

1.1 试验材料

试件由混凝土、纤维片材、黏结剂及植筋组成。

混凝土:32.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料为级配良好的河石,粒径5~31.5mm;细骨料为天然砂;水为自来水。混凝土设计强度等级为C25,水灰比0.47,砂率32%,具体配合比见表1;混凝土强度通过标准立方体试块抗压试验确定,4组试件平均实测强度为21.05MPa。

kg/m3

CFRP布:力学性能见表2。

JN-C3P结构胶:力学性能见表3。

1.2 试件设计及制作

试件均为人工搅拌混凝土浇筑完成,本试验采用受力相对较简单的双剪试验。由于传统的试验方法(在两个对称试件中间用千斤顶顶推)在加载过程中很难保证力的方向与纤维布保持平行,为改善这一问题,用预埋螺杆方式加载。即在混凝土的浇筑过程中预先在混凝土的中心位置埋设螺杆,在混凝土达到强度后,通过螺杆来加载。

考虑到锚板的要求,并参考相关混凝土试块制作要求[12],每个试件由两个尺寸为500mm×240mm×240mm的试块组成,具体见图2(a)所示。在试件设计过程中,锚板用两根直径为18mm的HRB400螺纹钢筋植入混凝土中,锚板的具体尺寸见图2(b)。在试件设计过程中,以布拉断作为控制因素,锚板及植筋本身不会发生剪坏或拉坏。

布拉断时极限承载力为:

端锚设计荷载即为布拉断时的极限荷载,忽略布与混凝土之间剪切应力及摩擦力的影响,同时考虑植筋及锚栓都仅受剪力作用,忽略由布偏心带来的弯矩。根据JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》,植筋剪切破坏时有VRk,s=0.5Asfstk,将植筋强度代入,则有:VRk,s=0.5Asfstk=0.5×3.14×182×540/4=68.67k N。因为是素混凝土试验,试验的目的是验算端锚所做贡献,因此,其重要性系数均取1.00,植筋的深度取120mm。锚板采用Q345钢,厚度5mm,用最小剪切面进行验算,Vban=2fνAν=2×180×35×5=63k N,其承载力也大于布拉断时提供的拉力,因此,布拉断前不会发生植筋和锚板的破坏。在试验过程中发现,布拉断时其极限应变为8000με左右,此时布上拉力为30k N左右,在这样的荷载作用下,端锚和植筋没有损耗,端锚甚至可以重复利用。

1.3 试验加载装置及测试系统

本试验采用BX120-3AA型应变片,其基本力学性能见表4,应变片在试件中的布置情况见图3。采用CML-1H型静态多功能应变仪采集各测点的相关应变及对应的荷载值,加载装置见图4。

试验过程中的加载速度和大小通过螺帽快慢及圈数控制,加载速度控制在0.1k N/s,为防止钢筋从混凝土中拔出,极限荷载控制在50k N;加载方式为分级加载,一级加载由第一根钢梁处的螺帽施加,当一级加载无法完成全部加载过程时,采用二级加载,由第二根钢梁处的螺帽施加,具体施加点如图4所示。采用CML-1H型静态多功能应变仪实时读取相应应变数据并通过电脑输出。为了研究端锚系统对整个加固系统所做的贡献,试件分为两大组,A组为无端锚试验,B组为有端锚试验。为便于试验研究,两侧混凝土上所粘布的长度及宽度有所变化,具体参数见表5。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏特征

在加载初期阶段,两组试件的受力过程基本相似,纤维应变随荷载的施加而逐步增加,能读到应变读数的应变片较少;随着荷载的增加,CFRP的应变继续增长,测量到应变值的应变片数量增多,传力区域逐渐向自由端方向延伸,期间伴随间歇的声响。当荷载加至极限荷载的90%~95%时,有很大一声脆响,接着CFRP发生剥离。对A组试件,无论其黏结长度多少,破坏模式均为剥离;对B组试件,CFRP剥离后,构件还可继续承载,直至CFRP布断裂,其剥离荷载相较A组试件也有不同程度的提高。但由于在试件制作及加载过程中存在人为因素,B-1组试件在荷载很小时碳纤维布发生了断裂,但碳纤维布并没有剥离。产生该现象的主要原因是在试件制作过程中,由于螺杆的不对中及两侧试件并不位于同一水平面内,因此,在加载时空隙位置的纤维布上由于附加弯矩产生了很大的拉应力,从而造成试件的过早破坏。试件破坏均为脆性破坏,相对于无端锚试件而言,端锚试件的延性稍有增强。试件极限承载力及破坏特征见表5及图5。

2.2 各级荷载下CFRP的应变分布规律

通过在CFRP布上连续布置的应变片,可测得CFRP布沿黏结长度方向的应变分布规律,测试结果见图6。

将试验结果与同类试验比较发现[13],无端锚试件的应变有相似的规律,但文献[13]所测得的应变均大于本文试验结果,这可能和各自的加载方式及在试验中影响因素较多所致。但比较本试验数据发现,无端锚试件的应变远低于有端锚试件的应变。

对于无端锚试件,选取了黏结长度为100mm、150mm、200mm的三组试件进行试验,试件的破坏具有随机性,有的试件是黏结长度为150mm的破坏先于100mm,同时也有黏结长度为200mm的先于150mm的。根据公式1[14]:

本试验中的无端锚试件的黏结长度应为:

由于所选试件的长度均大于黏结长度,因此其破坏并无规律性,仅与黏布质量等有一定的关联,间接验证了黏结长度的大小。

对于有端锚的试件,选取三组试件进行试验,黏结长度分别为0、100mm、150mm,试件的破坏并无机即性,黏结长度为0的试件由于没有通过胶层与混凝土之间黏结,仅仅通过端锚与混凝土相联系,最终由于CFRP的撕裂发生破坏,破坏时CFRP有较大的应变。对于黏结长度为100mm及150mm的试件,黏结长度为100mm的试件先于黏结长度为150mm的试件发生剥离破坏,并未像无端锚试件样具有随机性。从图6可以看出,端锚的加入增大了CFRP布的传力区域,对无端锚的试件,距端部20mm时,CFRP的应变即达到高峰,而有端锚的试件,距加载端40~60mm才会达到高峰。换而言之,由于端锚的作用,CFRP的黏结长度也相应增加,不能采用传统的公式去定义带端锚系统的黏结长度。同时,黏结长度的增加,剥离荷载随之增加,对于粘结长度为100mm的试件,带端锚系统的试件发生剥离破坏是荷载为42k N,而无端锚的试件仅为31k N,黏结长度为150mm的试件即使荷载增加到42k N也未发生剥离,而无端锚的试件破坏时的荷载仅为30k N左右。发生剥离后,带端锚系统的试件可以继续承担荷载,一直到CFRP断裂。

从图6同样可以观察到,荷载较小时,端锚的贡献基本可以忽略,带端锚试件的应变与应力分布与无端锚试件基本相同,但当荷载继续增加时,具有端锚的构件应变分布长度明显长于无端锚试件,也即黏结长度有所增加。随着荷载的继续增加,无端锚的试件剥离,整个试件宣告破坏,而带端锚的试件发生剥离破坏后可以继续承担荷载,此时布上的应变趋于均匀。黏结长度为0的带端锚试件应变分布情况与黏结长度为100mm的试件剥离后相当,都比较均匀。从数值上看,带端锚试件应变破坏时的应变普遍高于无端锚试件,即端锚的加入提高了CFRP布的利用率。

图7是离加载端距离为60mm及80mm时,两种加固方式下的应变分布规律曲线。从图7可以看出,有端锚试件与无端锚试件某点的荷载-应变关系曲线基本类似,即端锚的存在并不会改变某点的应变特性,也即端锚是在不影响黏结发挥作用的情况下给CFRP的发挥提供了更大的空间。

3 结论

(1)端锚能改变试件的破坏模式,仅粘贴CFRP布的破坏模式为布的剥离,而带端锚系统的CFRP布的破坏模式为布拉断,大大提高了布的利用率,同时,端锚的加入也能提高加固试件本身的极限承载力,使试件的受力性能得到改善。

(2)端锚的加入并不改变构件某点的受力特征,无论是带端锚构件的破坏还是无端锚构件,黏结界面的破坏大多发生在界面下2~5mm的混凝土内,CFRP布上附带有一层薄混凝土,加载端部时常附带三角柱状混凝土。

(3)端锚使试件在界面黏结失效后还能继续承担荷载,直到试件发生CFRP布断裂的脆性破坏。

(4)试件的极限承载力随着CFRP布黏结长度、宽度的增加而增加,但并不成正比规律,当黏结长度大于有效黏结长度时,承载力不再发生变化。

CFRP筋混凝土研究综述 篇2

CFRP筋总体上具备以下优点[1,2]:1)抗拉强度高,CFRP筋的抗拉强度是钢筋的5倍～10倍;2)无磁性,CFRP筋具有良好的透波性和非磁性,可应用于特殊要求的领域,比如地震观察台和海军潜艇基地;3)耐腐蚀性能好,纤维和树脂材料本身都具有极强的抗腐蚀性,因此在腐蚀性的环境中,CFRP筋的耐久性要远远优于普通钢筋;4)弹性模量高于其他纤维筋材料;5)密度小,其密度约为钢筋的1/4,有利于减轻结构自重。

根据以上优点,CFRP筋在土木工程领域不仅可以应用于全无磁建筑或建筑物加固,还可以用于以下方面[3]:

1)海洋工程的应用。由于海水具有极强的腐蚀能力,因此海洋基础设施防腐尤为重要。2)岩土工程中的应用。CFRP筋的抗拉强度高,但抗剪、抗扭强度约为抗拉强度的10%,故CFRP筋在岩土工程中既可以利用其高强度又可利用其弱抗剪性能,便于后期铲除岩土中的筋材。3)特殊工程中的应用。CFRP筋轻质高强及耐腐蚀性好,在各种特殊工程中能得到很好的应用。如盐厂、化工厂等,还可以用于有机物含量较多或腐蚀性较强的深井、地下室和隧道等。

2 非预应力FRP筋混凝土受弯构件研究现状

国外专家学者C.Barris,R.Masmoudi,Hall.T,Abdalla.T.A,Yost.T.R等人进行了大量非预应力FRP筋混凝土受弯构件试验研究,试验结果表明,FRP混凝土梁的挠度是相同配筋的钢筋混凝土梁的3倍～4倍,且裂缝宽度也大于钢筋混凝土梁。

国内学者高丹盈等[9,10,11,12]进行了非预应力FRP筋混凝土梁方面的试验,结果表明,非预应力梁裂缝宽度大,且脆性破坏。唐小林等人[13]针对1根钢筋混凝土梁和4根CFRP筋混凝土梁进行了试验对比,结果表明,虽然CFRP筋混凝土梁承载力较高,但挠度大于相同配筋的普通钢筋混凝土梁。李加贵[14]、李炳宏等人[15]通过对CFRP筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁作对比试验,结果表明,FRP配筋梁比普通钢筋混凝土梁裂缝宽度大,挠度也明显发展更快。

因此,FRP筋应用于非预应力混凝土结构时,就不能按照普通钢筋混凝土梁界限配筋率法进行设计,而应根据其满足正常使用状态进行计算配筋。FRP筋的强度得不到发挥,导致材料浪费。而施加预应力后,FRP筋对梁的预压力能有效限制刚度的降低和裂缝的发展,且FRP筋的高强度特性也可以得到充分利用。综上所述,FRP筋比较适宜应用于预应力混凝土领域。

3 预应力FRP筋混凝土结构研究现状

3.1 国外预应力FRP筋混凝土梁研究

Rizkalla.S等[16]研究了预应力碳纤维筋混凝土梁的抗弯性能,结果表明,当梁的破坏由受压区混凝土被压碎控制时,预应力CFRP筋混凝土梁的极限变形和预应力钢筋混凝土梁相当,而当梁的破坏由CFRP筋断裂控制时,梁的极限变形则低于相应的预应力钢筋混凝土梁。Stoll.F等[17]对CFRP筋预应力混凝土梁进行了相关的试验研究,以混凝土强度和预应力水平为变量,结果显示,预应力CFRP筋的断裂引起了梁的最终的破坏,且破坏前有明显的预兆。

3.2 国内预应力FRP筋混凝土梁研究

薛伟辰和张雷忠[18,19]对预应力梁的受弯性能及破坏过程进行了研究,通过改变受拉区非预应力筋的种类和预应力筋的数量对新型FRP筋预应力混凝土梁进行试验,结果表明:针对有粘结预应力FRP筋混凝土梁的极限承载力和正截面抗裂度的计算均可参照预应力钢筋混凝土规范,但截面界限受压区高度的正确取值问题需要重新考虑。

薛伟辰等通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、抗弯承载力、位移延性、变形特性和破坏形态等进行了研究,并利用ANSYS工程分析软件对试验梁进行了非线性有限元分析。结果表明:按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏两种;预应力碳纤维筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;随着张拉控制应力和配筋率的提高,有粘结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;与非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,玻璃纤维塑料筋梁的位移延性和变形能力较低。

湖南大学杨剑进行了16根先张预应力T形截面梁试验研究,试验考虑的主要参数为预应力筋类型、混凝土种类、预应力筋粘结方式、张拉控制应力、预应力度、梁高跨比和翼缘宽等。试验表明,配置CFRP筋的部分粘结、部分预应力梁有较好的延性性能和变形能力。在相同的荷载作用下,完全粘结梁的应力增量大于部分粘结梁的应力增量;在相同的应力增量下,部分粘结预应力梁比完全粘结预应力梁具有更大的变形能力。

张鹏进行了18根部分粘结部分预应力CFRP筋混凝土梁的试验研究,变化参数为预应力度及预应力筋无粘结长度与试件净跨之比。试验结果表明:当无粘结长度小于两加载点距离时,极限承载力和CFRP筋极限应力为定值,且对每一个预应力度值跨中挠度基本是常数;当无粘结部分超出两加载点时,预应力筋极限应力随无粘结长度的增加而降低,降低的比例随预应力度的降低而减少。

4 结语

CFRP-混凝土界面 篇3

随着国内经济的快速发展, 城市地下空间的开发和利用程度的不断提高, 并结合重大赛事和展览活动, 如2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会和2014年南京世界大学生运动会等, 北京、上海、广州和南京的城市轨道交通取得了大发展, 天津、沈阳、杭州、重庆、青岛、西安、成都、无锡、宁波、郑州、武汉、南昌等市也进入新一轮的地铁建设高潮, 以解决交通拥挤现状, 为城市的经济大发展注入新的动力。地铁车站是轨道交通的重要组成部分, 需要大的空间跨度集中和分散客流, 视觉可视性要好, 这就需要采用新的组合结构柱, 以满足工程新的需求。

与其他筒体内填混凝土结构[1]的受力原理相似, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, 碳纤维增强聚合体/塑料) —钢管混凝土核心柱[2]均是利用外部套管 (筒) 与核心混凝土之间的受力特点, 使核心混凝土抗压强度大幅度提高, 以提高构件的承载力, 作为主要承受压力的构件。CFRP—钢管混凝土核心柱具有轻质、高强、耐腐蚀等钢管混凝土柱所不具备的特点, 在地铁车站、超高层建筑和大跨度公共建筑中具有广阔的应用前景, 具有很好的经济效益和良好的力学特性。

本文在Mohr-Coulomb强度准则和基本假定的基础上, 考虑截面有效约束和混凝土单轴抗压强度的影响, 推导了CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解, 通过与文献[2]试验资料的比较, 验证了承载力新解的正确性, 为此类构件承载力计算和工程设计提供了理论依据。

1Mohr-Coulomb强度准则在约束混凝土中的应用

国内外大量的研究表明, Mohr-Coulomb强度准则对三向受压混凝土有很好的适用性。该准则认为某点的破坏主要取决于最大主应力σ1和最小主应力σ3, 只要该点某一截面上的剪应力达到极值, 材料就沿该截面发生剪切滑移破坏。取压应力为正, 其数学表达式为:

$\frac{\sigma {}_1-\sigma {}_3}{2}=\frac{\sigma {}_1+\sigma {}_3}{2}\sin \phi +c\cos \phi$ (1)

其中, c, φ分别为材料的粘聚力和内摩擦角。

由式 (1) 整理得:

$\sigma {}_1=\frac{2c\text{c}\text{o}\text{s}\phi }{1-\sin \phi }+\frac{1+\sin \phi }{1-\sin \phi }\sigma {}_3$ (2)

令$k{}_c=(1+\sin \phi )/(1-\sin \phi )=\tan {}^2(45°+\phi /2)‚f{}_c=\frac{2c\text{c}\text{o}\text{s}\phi }{1-\sin \phi }$, 则式 (2) 变为:

σ1=fc+kcσ3 (3)

其中, σ1为核心混凝土的极限抗压强度;σ3为核心混凝土所受的侧向约束σr;fc为混凝土单轴抗压强度。

大多数三轴受压混凝土内摩擦角φ的变化范围为36°和45°, 可取为[3]:

φ= (36+fc/35) °≤45° (4)

2基本假定

1) CFRP筒为薄膜套筒, 纤维方向为环向, 只考虑其沿纤维方向的拉应力, 并设断裂之前为线弹性。

2) 核心混凝土处于σ1>σ2=σ3>0的三向受压状态, 由式 (3) 得, 核心混凝土极限抗压强度fcc与侧向约束σr之间的线性关系为:

fcc=fck, i+kekcσr (5)

其中, fck, i为σr=0时内部核心混凝土单轴抗压强度;ke为截面有效约束系数[4], 对圆形截面ke=0.95, 对方形截面ke=0.75。

3) 外围混凝土只考虑其竖向承载力, 而不考虑其对核心混凝土的侧向约束, 不考虑箍筋对混凝土的约束作用。

4) 以CFRP筒的破坏和外围混凝土压碎为CFRP—钢管混凝土核心柱的承载力极限状态。

3极限承载力新解

根据基本假定, CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力为:

Nu=Ncs, o+Ns+Nc, i (6)

其中, Ncs, o为外围钢筋混凝土的极限承载力;Ns为钢管的极限承载力;Nc, i为核心混凝土的极限承载力。

Ncs, o=[bh-π (dc+2ts+2tf) 2/4]fck, o+ (fy′-fck, o) A′s (7a)

Ns=Asfy=πdctsfy (7b)

Nc, i=πd${}_c^2$[fck, i+2kekc (tsfy+tffy) /dc]/4 (7c)

其中, b, h分别为柱截面的宽和高;dc为核心混凝土的直径;fck, o为外围混凝土抗压强度标准值;fy′, As′分别为竖向主筋的抗压强度和横截面积;ts, tf分别为钢管的壁厚和CFRP筒的壁厚;fy, ff分别为钢材的屈服强度和CFRP筒沿纤维方向的极限抗拉强度。

将式 (7) 代入式 (6) , 整理得CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力新解为:

其中, Ac, o, As, Af, Ac, i分别为外围钢筋混凝土、钢管、CFRP筒和核心混凝土的近似横截面积, Ac, o=bh-π (dc+2ts+2tf) 2/4, As=πdcts, Af=πdctf和Ac, i=πd${}_c^2$/4。

4试验验证

文献[2]共有12个试件, 截面尺寸及材料参数为:b=h=200 mm, fck, i=33.7 MPa, fck, o=36.85 MPa, 4根10号主筋fy′=337 MPa, As′=314 mm2, ff=1 260 MPa。将fck, i=33.7 MPa代入式 (4) 得φ=37°, 进而kc=4.02, 且ke=0.95, 用本文所推导的极限承载力新解式 (8) 进行计算。

结果显示本文计算方法所得理论值与试验实测值吻合较好, 最大相差18%, Nu/Nt的平均值为1.04, 均方差为0.098 46, 进而验证了本文CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解的正确性。

5结语

1) 根据约束混凝土的受力特点, 分析了Mohr-Coulomb强度准则在其应用中的具体形式, 考虑截面有效约束和混凝土单轴抗压强度的影响, 推导了CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力新解, 该新解只适用于轴心受压短柱。

2) 通过与文献试验实测值的比较, 验证了CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解的正确性, 为此类构件的极限承载力计算提供了理论依据。

参考文献

[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社, 2003:1-58.

[2]王庆利, 关崇伟, 路建方, 等.CFRP—钢管混凝土组合短柱的轴压试验[J].沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) , 2004, 20 (3) :178-182.

[3]Lin C.T., Li Y.F..An effective peak stress formula for con-crete confined with carbon fiber reinforced plastics[J].Canadi-an Journal of Civil Engineering, 2003, 30 (10) :882-889.

CFRP-混凝土界面 篇4

关键词：碳纤维复合材料,混凝土柱,破坏模式

0 引言

碳纤维增强复合材料(CFRP-Carbon Fiber Reinforced Polymer),也称碳纤维布,是以连续碳纤维组成的复合材料。碳纤维布在加固中应用较多。碳纤维布加固法具有适用性广、施工便捷、耐腐蚀性较强、防水效果良好等优点,使得此项技术广泛应用。

外贴碳纤维布加固混凝土结构是将高强度、高弹性模量的碳纤维布粘贴在混凝土结构表面,使其高强性能得以发挥,从而达到加固补强的目的。在试验得到的典型破坏模式的基础上,分析讨论了剥离破坏机理,并提出了加固施工中应注意的问题。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验选取了5组100 mm×100 mm×300 mm的素混凝土柱,设计强度C25,每组3个试件,标准养护28 d后,实测混凝土立方体抗压强度25.4 MPa,达到设计要求。

1.2 试验过程

将试件从养护室中取出后,将试件表面水分风干,将试件表面用砂轮打磨至漏出骨料,将棱角处打磨成圆角,之后用丙酮擦洗表面,擦去上面的浮浆。待丙酮干后,用底胶刷试件表面,待底胶指触干燥后再刷面胶,后立即贴碳纤维布。本试验碳纤维布宽100 mm,沿高度方向每个试件裹三条碳纤维布。表1、表2为原材料的技术指标。

将贴好碳纤维布的试件在空气中固化7 d后,放入到表3所列环境中,待到7 d、14 d、35 d后进行柱的抗压试验。用50X3的应变片量测柱的横向应变,用100X3的应变片量测柱的纵向应变,得出破坏荷载。并且,由此计算出弹性模量、泊松比,得出应力——应变曲线。

1.3 试验结果

本文主要讨论的是构件的破坏模式,典型的破坏过程如下:在接近破坏荷载时,听到有剥离响声,此时轻轻敲击与混凝土剥离的碳纤维布,可听到空响回声。继续加载,碳纤维布的剥离声渐渐增大,而且愈来愈密,直到最后“嘣”的一声巨响,整条碳纤维布被拉断,并伴有混凝土颗粒飞出,可观察到碳纤维布上粘有混凝土。而且,碳纤维布被拉断几乎都是从混凝土柱的角部开始的,见图1。

2 剥离破坏机理分析

从试验结果可以看出,剥离破坏是典型的破坏模式,而剥离的结果是碳纤维丝被拉断。混凝土柱在轴心压力作用下,纵向被压缩,同时横向应变为正,横向变长。由于碳纤维布是用专用结构胶粘贴在混凝土柱上的,具有一定刚度的碳纤维布,其情况类似于钢管混凝土,在受压时,混凝土处于三向受压状态,提高了受压承载力,同时也提高了混凝土柱的受剪承载力。对此,胡伟红、叶列平作了混凝土柱受剪承载力计算方法的分析[3]。由于混凝土柱受压时,混凝土柱通过胶与碳纤维布粘结,由于胶与混凝土及碳纤维布之间的粘结强度很高,在受压过程中,胶与碳纤维布及混凝土柱之间不会发生粘结破坏,故可作为整体承受等同的压应力。

在加荷初期,由于碳纤维布与混凝土柱之间的粘结强度大于18 MPa,而此时混凝土柱的轴向变形较小混凝土柱与碳纤维布间的变形差也较小,由此产生的碳纤维布与混凝土柱之间的剪应力便较小,此值小于粘结强度,这样便不会使碳纤维布剥离。随着荷载的增大,混凝土柱的轴向变形便愈来愈大,而由于碳纤维布的弹性模量远大于混凝土的弹性模量。碳纤维布的变形便远小于混凝土的变形,结果是两者的变形差变得更大,由此产生的碳纤维布与混凝土柱间的剪应力持续增大,待大到粘结强度时,碳纤维布便与混凝土柱剥离。

在混凝土柱轴向被压缩的同时,混凝土柱横向也产生正的应变,横向截面加大,由于碳纤维布是紧紧箍住混凝土柱的,在加荷初期,混凝土柱的横向正应变较小,小于碳纤维布的拉伸断裂伸长率1.3%,纤维不会被拉断。但随着荷载的增加,混凝土柱的横向正应变愈来愈大,这迫使碳纤维的拉伸伸长率逐渐变大,但由于碳纤维布箍住混凝土柱的紧密程度不可能完全一致,两者之间胶的厚度也会有差异,其结果便是某几根纤维丝首先被拉断,引起纤维丝的连锁断裂。

3 结语

(1)在混凝土柱的加固中,碳纤维布的剥离破坏是最典型的破坏模式。

(2)为避免剥离破坏,最主要的是选择合理的粘结剂,以保证粘结强度,同时还要辅以施工措施。粘结强度与粘结表面处理情况及粘结剂本身的性能有关,施工措施中要保证混凝土表面不要有空洞、凹陷等初始缺陷,如果有的话,应用高强砂浆来补齐、找平,与此同时,还要保证粘结剂厚度均匀一致,且碳纤维布与混凝土表面既能紧密接触,又不至于过度受拉。

(3)目前,对于碳纤维布与混凝土表面的粘结剥离破坏的计算研究,国内外的成果还不很多。计算研究其规律,将对实际工程加固有重要意义,值得深入探讨。

参考文献

[1]周迎新,王兆忠,王友元,等.碳纤维加固混凝土梁破坏模式及分析[J].水运工程,2005,(9):58-61.

[2]胡伟红,叶列平.CFRP加固混凝土柱受剪承载力计算方法分析[J].建筑结构,2004,34(9):23-27.

[3]喻林.混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[D].南京:河海大学,2005.

[4]杨剑.碳纤维布加固混凝土柱的试验研究与数值模拟[D].南京:河海大学,2006.

CFRP-混凝土界面 篇5

关键词：火灾,碳纤维增强复合材料,混凝土构件,温度分布

引言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)是由多股连续碳纤维经过环氧树脂等基底材料胶合后,经过特定的工序加工而成的人工材料,有板材、布材等多种形式,具有轻质高强、抗腐蚀等很多特点,已经广泛应用于桥梁工程、港口工程等基础设施的维修、加固之中。

当CFRP加固技术应用于桥梁、水工、港口等发生火灾概率比较小的工程中时,优点是有目共睹的,但当用于住宅、商场、车库、工业厂房等发生火灾概率相对比较大的工程中时,CFRP加固结构的耐火性能一直是人们担心的问题,特别是近些年,建筑结构在火灾中倒塌的灾难屡屡发生[1],使人们对建筑结构的耐火性能越来越关注,很多文献都指出了对CFRP增强及补强结构的耐火性能进行深入研究的重要性和迫切性[2],这主要是因为CFRP的基体以及粘结树脂的力学性能对温度很敏感,当温度达到玻璃态转变温度Tg时,树脂的强度和弹性模量陡然变小,导致CFRP不能和建筑构件共同工作。Klamer等在实验中发现,火灾下,粘贴CFRP的钢筋混凝土梁的界面破坏模式与常温下有明显不同[3]。常温下,界面破坏多发生在界面附近的混凝土中,而温度升高到一定程度以后,界面破坏将发生在粘结树脂中。

影响构件内温度分布的因素有很多,主要包括迎火面的辐射率、迎火面对流换热系数、火场升温曲线、材料的热工性能参数、保护层厚度等。在结构耐火设计阶段,准确确定迎火面的辐射率、迎火面对流换热系数等数值是十分困难的,只能靠敏感性分析来估计输入数据的误差对构件内温度场的影响,文中采用温度场分析软件TFIELD[4],研究迎火面辐射率波动、迎火面对流换热系数波动以及保护层厚度变化对CFRP温度的影响,为工程设计提供参考。

1 混凝土构件基本情况

图1是粘贴CFRP钢筋混凝土梁截面示意图,钢筋直径10 mm,CFRP板的厚度为2.6 mm,基体材料为环氧树脂,CFRP板与混凝土之间用环氧树脂粘结,厚度0.1 mm,环氧树脂的玻璃化转变温度为110 ℃。 梁的防火保护层采用Fyfe公司的VG材料。防火保护层按两种方式布置:1)三面保护,保护层厚度均为20 mm;2)三面保护,保护层厚度均为30 mm。文中将比较保护层厚度变化对CFRP板温度的影响。

2 材料热工性能参数

粘贴CFRP加固的钢筋混凝土梁涉及到混凝土、钢筋、CFRP、防火涂料等材料,分析构件内温度场时,首先要知道这些材料的热工性能参数。混凝土及钢筋的热工性能参数与温度关系采用Lie建议的公式,详细内容见文献[2],CFRP的热工性能参数与温度的关系以及VG防火涂料的热工性能参数与温度关系一般用分段函数表示。

3 边界条件及初始条件

梁的底面及侧面是迎火面,上表面是背火面,整个梁的初始温度为20 ℃。火场的升温曲线考虑两种方式:一种是ASTM E119升温曲线,另一种是某种条件下自然火灾升温曲线(见图2)。

根据传热学理论,迎火面边界条件可以表示为[1]:

$\lambda \left(\frac{\partial {\rm T}}{\partial x}l{}_x+\frac{\partial {\rm T}}{\partial y}l{}_y\right)=h({\rm T}{}_f-{\rm T}{}_s)+\epsilon \sigma ({\rm T}{}_f{}^4-{\rm T}{}_s{}^4)$。

其中,λ为材料的导热系数;T为温度;h为对流换热系数,W/(m2·K);ε为辐射率;σ为Stefan-Boltzman常数;Tf为环境流体的绝对温度,K;Ts为构件边界的绝对温度,K;lx和ly为边界的方向余弦,x,y为坐标。

迎火面的对流换热系数h,辐射率ε是影响构件内温度分布的两个重要参数,在保护层厚度为20 mm时,文中将研究这两个参数的波动对CFRP温度的影响。

4 计算结果及分析

许多文献建议迎火面综合辐射率ε的取值范围在0.6～0.9之间,对流换热系数h的取值范围在6～18之间,文中以ε=0.7,h=12为基准,研究这两个参数波动对CFRP板温度的影响。考虑到对称性,取一半进行计算,图3～图5是各种情况下CFRP板的平均温度随时间的变化曲线。从图3和图4中可以看出,迎火面的辐射率及迎火面对流换热系数的波动对CFRP温度影响很小。从图5保护层厚度为20 mm和30 mm时,CFRP温度变化规律可以看出,防火涂料具有明显的降温作用,增加防火涂料的厚度,可以明显降低CFRP板的温度。

5 结语

1)在火灾情况下,为了保证CFRP和混凝土共同工作,粘贴CFRP的钢筋混凝土构件需要进行防火保护。

2)防火涂料具有明显的降温作用,采用适当厚度的防火保护涂料,可以保证CFRP的温度在火灾过程中始终低于基体材料的玻璃化转变温度。

3)按自然火灾曲线进行粘贴CFRP钢筋混凝土构件的耐火设计更合理。

4)迎火面的辐射率和迎火面对流换热系数的波动对CFRP内温度影响很小。

参考文献

[1]刘永军.火灾下建筑构件内温度场数值模拟基础[M].北京:科学出版社,2006.

[2]T.T.Lie,B.Celikkol.Method to calculate the fire resistance ofcircular reinforced concrete columns[J].ACI,Material Journal,1991,88(1):84-91.

[3]E.L.Klamer,D.A.Hordijk,H.J.M.Janssen.The Influenceof Temperature on the Debonding of Externally Bonded CFRP[M].ACI Symposium Publication 230,2005.1 551-1 570.

[4]刘永军,李宏男,王欣,等.遭受火灾钢筋混凝土构件内温度场分析软件TFIELD[J].沈阳建筑工程学院学报,2000,16(4):251-253.

CFRP-混凝土界面 篇6

利用碳纤维布配套用胶将碳纤维布材粘贴于混凝土构件表面的碳纤维加固技术,与传统加固修补方法及粘钢板、喷射混凝土加固技术相比,具有明显的技术优势,主要表现在以下方面:

1)高强高效。在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,这对于抗震加固补强尤其具有重要意义。

2)施工便捷,施工效率高,没有湿作业,不需大型施工机具。

3)具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀,不需要采用钢结构施工所需要的定期防锈维护,而且其本身更可以起到对内部混凝土结构的保护作用,达到双重加固修补的目的。

4)适用面广。CFRP加固修补混凝土结构可广泛适用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱等),各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等),各种结构部位(如梁、板、柱节点、拱、壳、墩等)的加固修补,且不改变结构形状及不影响结构外观,这是目前任何一种加固方法所不可比拟的。

2 CFRP及其粘贴用树脂的材料特性

2.1 碳纤维片材(CFRP)

1)按力学性能分。

高弹性模量(Ⅰ型),弹性模量很高,可达380 GPa～640 GPa,其伸长率在0.30%～0.50%之间;高强度(Ⅱ型),抗拉强度达2 400 MPa～3 100 MPa;中间弹性模量(Ⅲ型),抗拉强度在274 GPa～315 GPa之间,伸长率在1.5%～2.0%之间。

2)按材料形式分。

包括短纤维类和长纤维类,长纤维类分为片材(如布状和板状)、棒材(如无肋棒材、有肋棒材)、型材(如网格状、矩形、工字钢型等)。

3)按原丝种类分。

包括聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维,碳纤维抗拉强度可达3 500 MPa,为普通建筑钢板材料的10倍左右,比重仅为钢材的1/4,是一种高强轻质的材料。表1为《技术规程》规定的碳纤维片材的力学指标。

2.2 配套树脂类粘结树脂

粘结树脂通常选用环氧基的树脂,因为该类树脂的力学指标较好、受力性能优良以及成本经济。工程上常用的树脂按功能分为两种:底层树脂、找平材料。正拉粘结强度指标不小于2.5 MPa,且不小于被加固混凝土抗拉强度标准值ftk。

3 目前CFRP加固钢筋混凝土结构的常用加固形式

3.1 受弯构件正截面加固(抗弯加固)

沿构件的主轴方向粘贴CFRP。通过把CFRP粘贴在构件的受拉区,利用CFRP材料较高的抗拉强度和弹性模量,与受拉钢筋共同受力,提高构件的抗弯性能,达到对钢筋混凝土构件抗弯加固的目的。抗弯补强加固的分类见图1,其相应的加固形式见图1～图4。

3.2 构件斜截面加固(抗剪加固)

构件斜截面加固包括梁抗剪加固和轴心受压柱抗剪加固。在垂直构件主轴方向粘贴CFRP环形箍或U形箍。CFRP抗剪加固的机理和箍筋的抗剪作用机理相似,把CFRP粘贴在构件的弯剪区,由CFRP和箍筋共同承担剪力,达到对构件抗剪加固的目的。梁抗剪加固的形式见图5,柱抗剪加固的形式见图6。

3.3 轴心受压构件正截面加固(柱抗压承载力加固)

垂直构件主轴方向粘贴CFRP环形箍加固。利用CFRP对混凝土的约束提高其抗压强度,从而提高柱的抗压承载力。柱承载力加固的形式见图6。

1)基于《设计规范》的T形截面抗弯加固的计算公式:

第一类T形截面抗弯加固计算公式:

α1fc0bf′x=fy0As0+ΨfffAfe-fy0′As0′。

$\Psi {}_f=\frac{(0.8\epsilon {}_{cu}h/x)-\epsilon {}_{cu}-\epsilon {}_{f{}_0}}{\epsilon {}_f}\le 1$。

第二类T形截面抗弯加固计算公式:

α1fc0bx+α1fc0(bf′-b)hf′=fy0As0+ΨfffAfe-fy0′As0′。

$\Psi {}_f=\frac{(0.8\epsilon {}_{cu}h/x)-\epsilon {}_{cu}-\epsilon {}_{f{}_0}}{\epsilon {}_f}\le 1$。

2)基于《技术规程》的T形截面抗弯加固计算公式:

$\begin{array}{l}{\rm M}\le f{}_c(B-b)b{}_f(h-\frac{b{}_f}{2})+f{}_{c}bx(h-\frac{x}{2})+\\ f{}_{y^{\prime }}A{}_{s^{\prime }}(h-a^{\prime })-f{}_{y}A{}_s(h-h{}_0)。\end{array}$

fcf=φfcfk。

3)与按矩形截面相比,在碳纤维面积相同的情况下,可以获得较高的抗弯承载力。对有现浇楼板的框架梁进行加固设计,当碳纤维粘贴层数达到最大层数,按矩形截面计算抗弯承载力仍然不能满足要求时,可按照T形截面进行加固。

4 结语

目前碳纤维加固计算存在两部标准,各有各的优点和不足。按照《技术规程》进行加固设计时,碳纤维用量较省,但计算复杂,计算出碳纤维的应变后才能确定碳纤维的设计强度。而按照《加固规范》进行加固设计时,安全系数较高,碳纤维用量相对而言要大一些,但计算简单方便,碳纤维设计强度直接按规范取值,不需要计算碳纤维的应变值。一般情况下,可以采用《加固规范》作为设计依据。当设计荷载较大或按照《加固规范》不能满足要求时,可以采用《技术规程》作为设计依据。

参考文献

[1]CECS 146∶2003,技术规程[S].

[2]GB 50367-2006,加固规范[S].

[3]赵彤,谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津:天津大学出版社,2001.