混凝土构件的加固方法

混凝土构件的加固方法（精选7篇）

混凝土构件的加固方法 篇1

0 引言

随着汶川、海地和智利的几次大型地震的发生,建筑物的抗震能力以及加固也在不断的提高重视。在不断的进行建筑物新建的同时,我们也面临着对已有的建筑结构进行加固改造,以满足使用和对抗震的要求。随着混凝土结构的广泛应用,使用环境的日益多样化,混凝土结构受外界侵蚀的危险性也日益增加,导致其耐久性、安全性和使用寿命也受到了影响。在大量在役建筑结构中由于老化、使用功能改变、设计缺陷、施工质量问题等诸多因素,改造和抗震加固的重要性已尤为突出。钢筋混凝土出现质量问题以后,除了倒塌断裂事件必须重新制作新构件外,对大多情况,我们可以采用加固的方法来处理。现在首先将常用的结构补强加固方法以及加固中的计算加固的基本原则作一总的介绍。

1 常用的加固方法

1.1 加大断面补强法

混凝土构件因孔洞,蜂窝或强度达不到设计等级需要加固时,是采用相同的材料——钢筋混凝土来增加原构件的混凝土截面面积和增加配筋。这种方法不但能提高原构件的承载力,而且可降低柱子的长细比与轴压比,能有效提高柱子的刚度,特别是在抗震设防地区。其方法是,扩大断面可用单面(上面或下面),双面,三面甚至是四面包套的方法。当构件承受的弯矩较大时,往往使用仅在与弯矩作用平面垂直的两侧进行加固,若构件的受压面薄弱,则应对受压面进行加固;反之,对受拉面进行加固,有时需要两面加固。所需增加的断面一般应通过计算确定,在保证新旧混凝土有良好粘结的情况下可按统一的构件计算。增加部分断面的厚度较小,故常用豆石混凝土或喷射混凝土等。当厚度小于20 mm时还可用砂浆。增加的钢筋应与原构件钢筋能组成骨架,应与原钢筋的某些点焊接好。这种加固方法的技术关键是:新旧混凝土必须粘结可靠,新浇筑混凝土必须密实。

1.2 外贴钢板补强法

外贴钢板加固方法是指在混凝土构件表面贴上钢板,与混凝土构件共同作用,一起承受外界作用,从而提高构件的抗力。其特点是对截面尺寸和外观影响较小,承载力提高较大,施工方便,工作量小,整体可靠性高。但是其缺陷在于节点处理比较复杂。至于外贴的方法,主要有焊接,锚接或粘结。焊接和锚接是很早就采用的,粘结则是随着高强粘结剂的出现而逐步得到推广的。

1.3 粘结钢板法

采用高强粘结剂,将钢板粘于钢筋混凝土构件需要补强部分的表面,以达到增加构件承载力的目的。如对跨中抗弯能力不够的梁,可将钢板贴于梁跨中间的下边缘;对于支座处抵抗负弯矩不足的梁,则可在梁的支座截面处上边缘贴钢板,或者在上边打出一定长度的槽形孔,在其中粘结扁钢;对抗剪能力不够的梁,则可在梁的两侧粘贴钢板。

粘结钢板的截面可由承载力计算确定。一般钢板厚度3 mm～5 mm,粘结面打毛(粗糙化),以增加粘结力。粘结钢板施工3 d后即可正常受力,发挥作用。外露钢板应涂抹防腐蚀油漆。

粘结钢板补强的要点是:不占有室内使用空间,可以在短时间内达到强度。但是工艺要求较高,并且现在胶粘剂耐高温能力差,当温度达到80 ℃～90 ℃时,胶粘剂强度就会下降。此外,粘结剂的老化问题也需要进一步研究。

1.4 锚接钢筋法

由于冲击钻及膨胀螺栓的应用,可以将钢板甚至其他钢件(如钢槽,角钢等)锚接于混凝土构件上以达到加固补强的目的。

与粘结钢板法相比较,锚接钢板的优点是可以充分发挥钢材的延性性能,锚接速度快,锚接构件可立即承受外力作用。锚接钢板可以厚一点,甚至用型钢,这样可大幅提高构件的承载能力。当混凝土孔洞多,破损面大而不能采用粘结钢板时,用锚接钢板效果更好。但是也有其缺点,即加固后,不能保持表面的平整美观,对钢筋密集区锚栓困难,钢材孔径位置加工精度要求较高。并且锚栓对原构件有局部损伤,处理不当会起反作用。

若混凝土表面不够平整,常需要用水泥砂浆或环氧砂浆找平,以使所加钢板与混凝土面紧密结合。

1.5 焊接钢筋或钢板法

焊接钢板法是将钢板或钢筋,型钢焊接于原构件的主筋上,它适用于整体构件加固。焊接钢板的主要工序是:1)将混凝土保护层凿开,使主筋外露;2)用直径大于20 mm的短筋把新增加的钢筋,钢板与原构件主筋焊接在一起(可用断续焊接);3)用混凝土或砂浆将钢筋封闭。因焊接时钢筋受热,形成焊接应力。施工时应注意加临时支撑,并设计好焊接顺序。目前这种方法与扩大断面法结合使用。

1.6 预应力加固法

预应力加固是采用预加应力的钢拉杆或撑杆对结构进行加固。钢拉杆的形式主要有水平拉杆,下撑式拉杆和组合式拉杆三种。这种方法几乎不缩小使用空间,不仅可提高构件的承载力,而且可减少梁、板的挠度,缩小原梁的裂缝宽度甚至使之闭合。预应力能消除或减少后加杆件的应力滞后现象,使后加杆件的材料强度得到充分利用。这种方法广泛的应用于加固受弯构件,也可用于加固柱子,但这种方法不宜用于处在高温环境下的混凝土构件。

1.7 碳纤维加固法

高强高效,施工便捷,施工工效高,具有极佳的耐腐蚀性,使用面广,施工质量易保证,且不改变原结构的尺寸,适用各种结构类型及各种结构部位的加固;但其弹性模量较低,不能有效提高结构的强度,延性也低,而且粘结使用的环氧树脂的耐火和耐高温性能较差。

1.8其他加固方法

加固方法种类很多,除上述介绍的常用方法外,还有一些加固方法可以根据不同现场情况选用,如:

1)增设支点法。通过增设支点来减小结构计算的跨度,以改变构件的力学分布来提高构件承载力的加固方法,其特点是:简单可靠,但对空间有一定的要求,适用于大跨度的梁、板等水平结构。2)另加平行受力杆件。3)植筋技术。它是在原构件的基础上植入钢筋,使钢筋与混凝土胶合在一起,再浇筑新的混凝土,从而起到对原构件的加固作用。其特点是:施工方便、工作面小、效率高、价格低,但是也存在着粘结剂耐火性差的不足。4)增加圈梁,拉杆,增加支撑加强房屋的整体刚度。

2结语

混凝土加固是一项比较复杂的综合性问题,不同情况下不同方案的选用对施工及其结构稳定有着重要的影响,在选取时要考虑具体的工程特点。通过几种不同方案的比较,最终确定最为合理有效的方案。在具体加固方案的选取中我们应该本着施工方便,经济合理,安全有效的原则进行选择。

摘要：叙述了混凝土构件使用过程中的老化、设计缺陷对抗震的影响,重点指出其加固方法,对各种加固方法的优缺点及适用范围进行了简要论述,为构件的加固提供了思路。

关键词：混凝土构件,抗震设计,加固方法

参考文献

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[2]万墨林,韩继云.混凝土加固技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

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[5]张炳华,侯昶.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社,2004.

混凝土构件的加固方法 篇2

建筑物耐火等级是衡量建筑物耐火程度的标准,它决定了建筑物中建筑构件的耐火极限。在现行加固规范《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2006)和《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146-2003)中,并没有提及如何确定CFRP加固钢筋混凝土构件的耐火极限;在防火规范《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-95)(以下简称“高规”)中也只是笼统地指出,被烧高层建筑在修复过程中,只要对火烧严重的承重柱、梁、楼板等承重构件进行修复补强,即可全部投入使用。由于目前缺乏判定CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的规范条文和研究资料,对CFRP加固钢筋混凝土结构的消防设计审核陷入了“无法可依”的盲区,消防设计审核人员不能确定加固构件的耐火极限,从而无法保证加固结构已达到原建筑结构的耐火等级。例如,原为一级耐火等级的民用建筑钢混柱的耐火极限为2 h,当该柱被火灾损伤经CFRP加固后无法确定该柱的耐火极限是多少,更不能保证被加固后的民用建筑达到一级耐火等级。为此,笔者拟通过分析国内外相关试验及研究数据,结合《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978-1999)的耐火试验标准要求,探讨CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的初步判定方法。

1 CFRP加固钢筋混凝土构件的耐火极限分析

1.1 CFRP加固钢筋混凝土构件的组成及各组成部分的耐火性能

CFRP加固钢筋混凝土构件由原钢筋混凝土部分、碳纤维材料和胶粘剂三部分材料组成,只有三部分材料共同作用,加固构件才能达到规范要求的耐火极限等级和承载力水平。由于三部分材料的耐火性能不同,当加固构件遇到火灾时,某一部分因耐火性能较差首先被破坏,会使加固构件失去共同作用,承载力大幅下降,最终导致整体建筑结构的损伤或破坏。

(1)钢筋混凝土构件的耐火性能。

《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)(以下简称“建规”)给出了不同尺寸建筑构件的燃烧性能和耐火极限对照表,数据显示钢筋混凝土构件具有良好的耐火性能,一般钢筋混凝土构件的耐火极限均在1 h以上。因此,只要钢筋混凝土构件的尺寸设计合理,其耐火极限完全能满足甚至超过防火规范要求。

(2)碳纤维材料的耐火性能。

作为不燃的耐高温材料,碳纤维具有很好的耐火性能。研究指出,碳纤维强度不易受温度影响,600 ℃时,几乎没有强度损失,1 000 ℃时,抗拉强度只有小幅度下降,说明碳纤维耐火温度可达到1 000 ℃以上。

(3)胶粘剂的耐火性能。

胶粘剂按化学成分可分为无机胶粘剂和有机胶粘剂两种。无机胶粘剂耐高温,可承受1 000 ℃左右或更高的温度,收缩率也较小。文献[4]介绍了多种无机胶粘剂,如磷酸盐类、硅酸盐类、硼酸盐类胶粘剂等,其耐高温范围在1 000～14 000 ℃之间,但在结构工程方面应用未见报道。有机胶粘剂广泛应用于建筑结构加固工程中,但目前用于粘结纤维的环氧树脂、不饱和聚脂或乙烯基脂等有机胶粘剂耐火温度较低,一般不超过260 ℃,一些改性环氧树脂胶粘剂,如F系列环氧树脂的固化剂为特种改性FB酚醛树脂,只能使通用的环氧树脂耐300～400 ℃温度。

通过各部分材料耐火性能的分析可知,原钢筋混凝土部分和碳纤维材料均具有很好的耐火性能,而胶粘剂的耐火性能则较差,因此CFRP加固混凝土构件的防火设计不能仅根据原钢筋混凝土部分和碳纤维强度确定耐火极限,而应考虑胶粘剂高温软化造成的粘结失效。

1.2 CFRP加固钢筋混凝土构件的耐火极限研究

国内外对高温下CFRP加固钢筋混凝土构件的力学性能开展了广泛研究,但对其耐火性能的研究较少。中南大学的徐志胜等人对火灾后用CFRP加固的钢筋混凝土梁进行了再受火试验,结果证明:在400～600 ℃高温下,胶粘剂发生不同程度的软化,碳纤维布易于剥落;当在加固构件的纤维布外层涂三层0.5 mm厚防火涂料进行保护时,能抵抗300 ℃以下的二次火灾。根据国际标准ISO 834标准耐火试验时间与温度的函数方程(见公式1)及“时间-温度标准曲线”(见图1)计算可得,抗火温度为300 ℃的CFRP加固钢筋混凝土构件的耐火极限为0.8 min,不能满足防火规范要求。

T-T0=345 lg(8t+1) (1)

式中:t为试验时间,min;T为t时间的炉温,℃; T0为炉内初始温度,℃。

同济大学的胡克旭等采用50 mm 厚防火涂料全截面保护碳纤维加固梁,见图2所示,按ISO 834标准进行耐火试验,结果表明:该构件的耐火极限超过了2.5 h,超过了“建规”和“高规”规定的一级耐火等级建筑结构所要求梁的耐火极限标准,完全能满足防火设计要求。

加拿大皇后大学的Kodur等人采用双层体系涂料对CFRP加固的混凝土板和柱进行防火保护。与CFRP直接接触的是VG层,又称惰性层,质量轻,隔热性好,与CFRP有较强的粘结性,可直接喷射使用,外面一层为EI层,又称膨胀层,在高温下可以发泡膨胀。试验时采用19 mm 厚的VG层加0.25 mm厚的EI 层及38 mm厚的VG层加0.25 mm厚的EI层对CFRP加固板进行防火保护,用32 mm 厚的VG层加0.56 mm厚的EI层及57 mm 厚的VG层加0.25 mm 厚的EI层对加固柱做防火保护,均取得了较好的耐火效果。

以上研究结果表明,CFRP加固钢筋混凝土构件后有无采取涂防火涂料的措施直接影响着胶粘剂的软化程度,进而影响了加固构件的耐火极限。防火涂料厚度的不同决定了加固构件的耐火极限的高低,因此只要通过试验研究找出防火涂料厚度与加固构件耐火极限的对应关系,就能解决对CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的判定问题。

2 CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的初步判定

通过对CFRP加固钢筋混凝土构件各组成部分耐火性能及相关耐火试验结果的分析,结合工程实际,笔者提出CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的判定方法,如图3所示。(1)判断加固构件是否采用防火涂料,如果没有则构件耐火极限不能满足要求;(2)确定防火涂料厚度,由于缺乏相关规范资料,可参考《钢结构防火涂料应用技术规范》(CECS 24-90)或利用已有试验结果采取偏安全的原则确定;(3)确定加固构件的耐火极限,可通过标准耐火试验对构件进行实测验证。

3 建 议

根据目前国内外研究现状和现行加固、防火规范相关内容的欠缺,笔者对今后CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的研究提出以下建议:

(1)专题开展CFRP加固钢筋混凝土构件耐火性能的试验研究,找出各类常用防火涂料厚度与加固构件的耐火极限的对应关系。

(2)尝试各类提高CFRP加固钢筋混凝土构件的耐火极限措施,寻找最佳防火方案。

(3)结合CFRP加固钢筋混凝土构件耐火性能研究的最新成果,制定CFRP加固钢筋混凝土结构的消防设计规范,或修订防火规范增加关于CFRP加固钢筋混凝土构件耐火极限的相关内容。

参考文献

[1]王孟钟,黄应昌.胶粘剂应用手册[M].北京:化学工业出版社,1987:185-190.

[2]张多太.FB耐高温酚醛树脂的高阻燃性能[J].热固性树脂,1996(3):51-55.

[3]徐志胜,冯凯,张威振,等.CFRP加固钢筋混凝土梁火灾后的试验研究[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(1):98-100.

[4]胡克旭,何桂生.碳纤维加固钢筋混凝土梁防火方法的试验研究[J].同济大学学报,2006,(11):1451-1456.

混凝土构件的加固方法 篇3

碳纤维布加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在混凝土构件表面, 使两者共同工作, 提高混凝土构件的极限承载力和改善构件的变形性能, 由此达到对建筑物进行加固、补强的目的。

2 碳纤维布加固混凝土构件的原理

用于混凝土构件加固的碳纤维材料具有优良的力学性能, 其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍;但是, 碳纤维材料织成碳纤维布后, 其中的各碳纤维丝很难完全共同工作, 在承载较低的荷载时, 一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态, 以此类推, 各碳纤维丝逐渐断裂, 直到整体破坏。而使用粘结剂后, 各碳纤维丝能很好地共同工作, 大大提高碳纤维布的抗拉强度, 故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作, 因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用, 它既能确保各碳纤维丝共同工作, 同时又确保碳纤维丝与结构共同工作, 从而达到加固的目的。

3 材料性能及加固工序

碳纤维布性能好, 有如下特点: (1) 高强高效。抗拉强度2500～3550MPa, 弹性模量为2.35×105～5.0×105Mpa; (2) 重量轻, 厚度薄。比重为1.8g/cm3, 每层厚0.1～0.2mm, 很小量增加结构自重及截面尺寸; (3) 适用面广。广泛应用于梁、板、柱等构件及曲面、节点的结构补强。具有柔韧性, 能包裹复杂外形的构件。 (4) 施工便捷。不需大型机具, 没有湿作业, 无需其他固定措施, 施工工效高。织物覆盖平整, 对装修影响小, 贮存寿命长, 允许操作期限长。在操作前、操作中和完成后都允许环境存在湿气。 (5) 施工质量易保证。质轻柔软, 易裁剪, 易帖附, 能灵活地用于抗弯, 封闭箍和抗剪加固。 (6) 良好的耐久性及耐腐蚀性。耐酸碱盐等化学腐蚀, 抗高温, 永久荷载作用下抗蠕变, 具有触变性和易溶性, 符合环保要求。

碳纤维布在我国混凝土结构加固中应用较多。表1为国内常用几种碳纤维布的性能指标。

粘贴碳纤维布的胶结材料为树脂胶, 按施工工序树脂胶分为三类, 即界面胶 (底涂胶) 、整平胶、粘结胶, 其中界面胶的粘稠度以800～1600mpa.s为宜, 粘结强度应大于5MPa;整平胶的压缩强度应大于50MPa, 拉伸剪切强度应大于10MPa;粘结胶的稠度以3000～5000mpa.s为宜, 拉伸强度应大于25MPa, 压缩强度应大于60MPa, 拉伸剪切强度应大于10MPa。

用碳纤维布加固混凝土构件的施工工序为:构件表面处理→涂界面胶→构件表面整平及涂整平胶→涂粘结胶→粘贴碳纤维布并使粘结胶充分渗透浸润碳纤维布→加固层的外保护层处理。

4 粘贴构造与锚固措施

4.1 基面处理

由于用碳纤维布加固混凝土构件是依靠碳纤维布与构件表面的粘贴效率, 若构件的混凝土强度等级低于C15, 粘贴基面很弱, 在外荷载作用下构件与碳纤维布的粘贴基面很快发生剥离而导致加固失效, 因此这种加固方法不适用于混凝土强度等级低于C15的构件。

碳纤维布加固混凝土构件时, 要求被加固构件有较好的保护层, 其基面平整具有一定的强度。当构件外保护层有剥落、起皮、腐蚀、裂缝及严重碳化等表面缺损时, 避免因粘贴基面剥落而引起的加固失败。

加固时, 应先将构件的粘贴基面打磨平整, 清理干净, 而不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘, 防止碳纤维布的局部刻断破坏和粘贴失效。

4.2 碳纤维布的粘贴

加固施工时, 宜采用薄布多层的粘贴方法, 当碳纤维布较薄且逐层粘贴时, 各层纤维都能与粘结胶充分浸润, 故粘结效率较高。受拉、受压、受剪、受扭构件的受力特点虽不同, 但都是同方向应力基本为全截面分布的构件, 因此, 对受拉构件加固可采用沿轴向全包粘贴;对受压构件采用环绕全包粘贴;对受剪和受扭构件采用两侧粘贴并设置附加等间距封闭缠绕箍。对受弯构件可采用将碳纤维布在构件的受拉区沿轴向平直粘贴, 为使粘贴于受弯构件上的碳纤维布能充分粘结锚固, 可在碳纤维布主纤维方向的断面端部进行附加锚固处理。当被加固受弯构件为梁时, 宜在梁的两端设置附加等间距封闭缠绕箍。各类构件的碳纤维布粘贴方法如图1所示。

附加等间距封闭缠绕箍的碳纤维布宽度应大于100mm, 净间距应小于300mm, 用于受剪、受扭构件时可沿加固区段设置, 用于梁式受弯构件可在两端部大于1m区段内分别设置。

当受剪、受扭构件和梁式受弯构件的两端由于条件所限不能设置封闭缠绕箍时, 受剪、受扭构件可在加固区段直接采用U形粘贴加固, 梁式受弯构件的两端大于1m区段内可分别设置U形箍。此时应在U形粘贴的碳纤维布和U形箍断口端部用纵向压条进行封闭, 用以保证发挥碳纤维布的加固效率。如图2所示。

5 应用中需注意的问题

⑴加固前, 必须对所需要加固构件的各种参数有详细的了解, 因为各种参数对构件的极限承载力和破坏特征都有较大的影响。只有掌握有关数据, 才能作出正确设计。

⑵对加固构件施工时按设计要求进行卸荷, 能消除或降低构件已产生的裂缝及变形, 提高碳纤维布利用效率, 使碳纤维布尽早参与工作。

⑶加固构件的碳纤维布不宜沿主纤维方向的搭接, 尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。若必须搭接, 其部位应避开构件受力最大区段, 搭接长度不应小于100mm, 且搭接端部应平整无翘曲。当采用多条或多层碳纤维布加固时, 各层碳纤维布之间的搭接位置应相互错开, 每层接口位置的净距宜大于200mm。

⑷为保证受弯构件与加固碳纤维布之间有效的粘结锚固, 防止因剥离破坏引起的加固失效, 必须做好加固受弯构件的碳纤维布断口端部的锚固, 必要时应采取附加锚固措施, 一般采用通长设置的碳纤维布压条, 压条应垂直于加固碳纤维布的主纤维方向粘贴, 其宽度不宜小于500mm, 如图3所示。

⑸对受弯加固, 为防止加固量过大可能带来的不利影响, 应限制加固后受弯承载力的提高幅度一般不宜超过40%, 且加固后在荷载短期组合下受拉钢筋的拉应力不宜超过钢筋抗拉强度的设计值, 以控制正常使用阶段的裂缝开展过大。

⑹为保证构件加固后的正常使用, 避免碳纤维布的老化和遭受其他损伤, 必须在碳纤维布加固层的外表面进行密闭防护处理, 应采取抹环氧砂浆或涂防火涂料进行保护。

⑺气温在5℃以下, 雨天或相对湿度大于95%时, 不可施工。施工时的温度、湿度确认后, 选用适当的底涂树脂。

⑻加固完成后, 防止雨淋和受潮, 并注意保护表面, 不要让硬物碰伤施工面。为达到设计强度, 平均气温10℃, 养护时间二周;平均气温20℃, 养护时间一周。

6 结束语

碳纤维布加固技术是一种新型的加固技术, 已经得到较为广泛的应用, 并已产生较大的经济效益。目前对于受弯和受剪构件加固中的抗剥离计算, 节点加固, 现场检验技术等问题, 还需进一步研究完善。

摘要：碳纤维布加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在混凝土构件表面, 使两者共同工作, 有效提高构件的极限承载力和改善构件的变形性能, 采用合理的粘贴构造和锚固措施, 以达到较好的加固效果。

混凝土构件的加固方法 篇4

碳纤维复合材料 (CFRP) 板具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀以及便于施工、施工质量易于保证等优点, 因此, 广泛应用于国内外钢筋混凝土结构加固领域。

目前, 加固设计的计算方法大多建立在不同材料之间共同工作的前提, 保持平截面假定, 新老材料之间, 假设无相对滑动。计算结果往往与实际试验或工程应用监测结果有一定差异, 特别是超龄混凝土结构在不同材料协同工作情况对整体影响较大, 仅单独考虑各材料的受力机理, 将它们以一定方式叠加, 对考察构件的承载能力等特性并不十分精确。

1967年, 美国学者D.Ngo和A.C.Scordelis将有限元单元法应用于钢筋混凝土简支梁抗剪分析[1], 奠定了钢筋混凝土有限元分析的理论基础。在Ngo和Scordelis的工作基础上, 有学者提出了分布裂缝模式、拉伸强化以及使用分层单元。2004年, 陆新征在清华大学和国内外大量试验研究的基础上, 采用适当的数值模拟, 深入系统地研究了FRP混凝土的界面受力行为和剥离破坏机理。对FRP-混凝土界面间最主要的剥离破坏机制———剪切剥离破坏, 进行了系统而全面的研究, 揭示了界面内剪切破坏、受弯加固剥离破坏和受剪加固剥离破坏的机理, 并建立了相应的设计模型。尤其是所提出的混凝土数值分析模型, 为研究这些界面行为提供了的方法。对于钢筋混凝土数值分析中的一些传统问题, 比如钢筋与混凝土的界面行为、混凝土与混凝土之间的界面行为、钢筋混凝土构件的受剪行为等, 提供了思路和方法[2]。

本文主要针对CFRP加固的实际超龄混凝土板进行试验, 同时在考虑老化混凝土与锈蚀钢筋、老化混凝土与CFRP之间的粘结滑移作用的情况下, 对加固过程进行了有限元模拟与分析。通过与试验结果进行对比, 论证了本文所述的CFRP加固超龄钢筋混凝土的有限元模型的建立与分析具有实际意义。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验所用混凝土板服役期已有80余年。试件 (B1) 尺寸为1.5m×1.0m, 厚度为140mm。经检测, 混凝土强度为20MPa, 钢筋强度为400MPa。CFRP布的碳纤维材料密度为300g/m2, 厚度为0.167mm, 弹性模量Ecf为2.3×104MPa, 抗拉强度为2300MPa。粘贴碳纤维的环氧胶为专用配套树脂CFE (找平材料) 、CFP (底层涂料) 、CFR (浸渍材料) , 每种配套树脂都有主剂与固化剂两套制剂, 现场使用时按照主剂:固化剂=2:1的比例进行调配。

本试验对试件按如下设计: (1) 采用单层加固形式; (2) 采用端部粘贴CFRP布条锚固的锚固方式。碳纤维布加固布置尺寸如图1所示。

1.2 试验装置及加载制度

试验采用反力架加载装置, 通过千斤顶加荷载至分配梁上, 如图2。每级加载后, 持荷10min, 待稳定之后, 进行读数。试验时的加载顺序分为以下几个阶段:自重 (板就位) →加载设备→荷载标准值→荷载设计值→破坏荷载。

其中, 标准荷载分五级施加, 之后按5%的标准荷载加载, 直至板破坏。标准荷载持续时间为30min, 其余每级荷载间隔时间为10min。荷载标准值和设计值均包括自重及加载设备重量。

1.3 试验结果及分析

图3为加固板B1的荷载-测量值, 碳纤维应变片编号为CF1~CF3, 混凝土应变片编号为C1~C3。在M=17.5k N·m时, 板出现第一条细微裂缝, 裂缝出现时的荷载与B1板基本上一样。随着荷载的增加, 板的中间出现很多裂缝, 在M=32.5k N·m时, 裂缝发展到板高的2/3处, M=42.5k N·m时, 裂缝贯穿整个高度。此后, 支座附近开始出现细微的斜裂缝, M=46.25k N·m时, 混凝土表面出现碎片, 表现为混凝土压碎破坏。

根据试验数据, 板的破坏形式为混凝土压碎破坏, 破坏时εf<εfu, εc=εcu, εs<εy。受压区混凝土已经达到受压极限应变状态, 被压碎, 钢筋亦已屈服, 但受拉区碳纤维尚未达到极限应变。

2 理论计算对比分析

在矩形截面受弯构件的受拉边混凝土表面上粘贴纤维复合材进行加固时, 其正截面承载力应按下列计算公式确定:

加固计算时可根据式 (1) 计算混凝土受压区高度, 按公式 (3) 计算出强度利用系数ψf, 并代入公式 (2) , 即可求出受拉面应粘贴的纤维复合材的有效截面面积Afe;按照加固规范第9.2.4条的规定换算为实际应粘贴的纤维复合材截面面积Af。在计算承载能力时, 可将相关参数按照规范代入, 最终计算出M的大小。篇幅所限, 上述公式中各式的具体说明可查阅文献[3]。

根据上述公式可计算出CFRP加固钢筋混凝土板的破坏荷载的理论值, 理论值与试验结果的对比见表1。

由表1可知:

(1) 实际的超龄混凝土板加固后承载能力比规范计算公式要偏低, 对于超龄混凝土结构的加固计算, 若借鉴规范公式计算应当予以折减。

(2) 影响CFRP加固效果的参数很多, 有加固构件本身的性能及原始情况, 包括:混凝土强度、配筋率、CFRP粘贴方式等, 这些因素对碳纤维的加固效果有重要的影响。

因此, 考虑粘结滑移的超龄混凝土结构加固有限元模型值得深入研究。在建立不同材料之间的粘结滑动的本构关系基础上, 考虑粘结特性的有限元计算, 对加固设计计算有一定参考价值, 对结构优化也有一定帮助。

3 超龄混凝土板加固有限元分析

采用通用型有限元软件ANSYS对本次超龄混凝土板加固进行分析计算。本次有限元分析采用分离式模型, 即把钢筋和混凝土作为不同的单元来处理, 同时考虑钢筋与混凝土、CFRP与混凝土的粘结滑移作用。

3.1 钢筋与混凝土粘结滑移的本构关系

本次有限元分析将采用Houde公式模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系[4]。Houde公式认为:粘结力与混凝土强度等有关系, 他们是由62个变形钢筋模拟缝间粘结强度的试件和6个模拟锚固粘结强度的梁端试验结果回归出的经验公式:

式中, τ的单位为N/mm2, s的单位为mm。

Houde公式模拟的粘结滑移关系曲线如图4所示。

3.2 CFRP与混凝土粘结滑移的本构关系

由于FRP混凝土界面受力情况的特殊性, 通常很难通过试验直接获得粘结滑移关系。清华大学陆新征[4,5]等提出了一个基于细观单元的有限元模型。该方法是通过将混凝土单元划分成非常小的网格 (0.25mm或0.5mm) , 并根据单元尺寸调整混凝土开裂后的受拉和受剪行为, 模拟FRP-混凝土的界面剥离破坏过程并阐述其剥离破坏的机理, 进而从有限元分析结果得到FRP的应变分布及界面滑移情况。

根据本构模型简化程度不同, 共分为精确模型、简化模型和双线性模型。其中, 精确模型可以考虑不同界面胶层刚度的影响, 简化模型和双线性模型则适用于一般界面粘结胶层。通过与大量界面试验结果的对比表明, 该建议模型可以准确预测界面的剥离强度和剥离过程, 且精度优于现有各模型, 粘结滑移曲线如图5所示。

本文对混凝土与CFRP粘结滑移的本构关系采用了双线性模型来模拟。双线性模型是将精确模型的总破坏能和峰值粘结应力点坐标保持不变得到的, 其计算方法或公式可参见相关文献内容。在有限元中将相关参数通过列表形式键入到模拟类型单元的实常数中即可对粘结滑移关系进行模拟。

3.3 有限元模型的建立

本文混凝土采用SOLID65单元[6]进行模拟, 筋采用Pipe20单元模拟, 其他钢筋采用Link8单元模拟。CFRP可以采用SHELL41进行模拟, SHELL41是一种空间膜壳单元, 平面内具有膜强度但平面外没有弯曲强度, 它可以较好地模拟碳纤维加固布的单向受力性能。

引入弹簧单元用来模拟不同介质之间的粘结滑移状态。在ANSYS分析中连接单元采用非线性弹簧单元Combine39[7], 该单元具有两个结点, 只需定义弹簧单元的实常数F-D曲线来定义非线性弹簧单元的受力性质。对于单向弹簧, 可以设弹簧的长度为零, 这为模拟钢筋与混凝土、混凝土与加固材料的粘结滑移提供了可能。

为避免直接加约束产生应力集中, 在支座处模拟加入弹性垫块, 以保证混凝土良好收敛和精确模拟。弹性支座选用SOLID45单元, 该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。

模型几何尺寸与试验所采用的构件与材料一致, 混凝土网格划分如图6 (a) ~图6 (c) 所示。x方向和y方向网格长度均为50mm;z方向上, 从0点开始网格的长度依次为32mm、36mm、36mm、36mm。以此方式来精确模拟受力纵筋位置, 同时, 将钢筋和碳纤维布与混凝土网格划分相一致。支座沿y向布置, 宽度和高度都为100mm, 采用50mm长度的网格。加载支座同受力支座, 布置位置为两加载支座中心与两个1/3加载点一致, 分别在x=500和x=1000处。

考虑二次受力加载分析, 先将CFRP单元选出并将其全部杀死, 进行第一步加载, 施加板的自重荷载, 进行求解。求解完毕后, 将加固材料的单元选出, 进行激活, 再在加载支座上施加均布荷载, 设置30个子步, 求解。

3.4 有限元计算结果分析

3.4.1 收敛结果

经ANSYS数值模拟分析, 混凝土板加固模型计算收敛良好。经过迭代计算, 程序在Time=0.9915退出计算, 由此可知结构的承载力为44.01k N·m, 此时混凝土的变形为0.00912m。在破坏前, 结构的变形在0.009m之内变化, 变形的突然增大即说明结构已经破坏。

3.4.2 应力、应变和位移分析

有限元计算荷载-跨中挠度等曲线见图7。

从图7的结果可以看出:

(1) 混凝土板的有限元模型跨中挠度与试验结果基本吻合, 试验值曲线在弯矩24k N·m和38k N·m时的挠度未改变, 一般是由于混凝土的不均匀开裂所致, 计算模型难以精确模拟混凝土本身离散型所造成的开裂问题。构件最终挠度为9.12mm, 较试验值10.01mm略小。

(2) 支座位移试验测试值始终略大于模型值, 开裂前基本一致。

(3) CFRP布的应变值与试验结果基本吻合, 极限状态下, 模型的CFRP布应变较试验值有一定程度的增大。

(4) 极限弯矩下, 试验测得顶面混凝土应变值要比模型计算值小一些, 在开裂弯矩到极限弯矩之间, 应变测试值始终比计算应变值大一些。

3.4.3 弹簧粘结应力分析

弹簧在破坏前的粘结应力及伸长量如表3所示。

由表3可以看出, 弹簧在y方向和z方向几乎没有滑移, 其粘结应力也很微小, 主要的粘结滑移存在于x方向, 也就是受拉钢筋的纵向, 这与实际情况是相符的。

4 结论

(1) CFRP加固超龄钢筋混凝土构件的有限元分析结果与试验结果差异较小, 基本相吻合。因此, 本文所述有限元分析方法可以为今后同类工程项目的有限元分析提供一定的借鉴和参考。

(2) 本文有限元分析中, 考虑粘结滑移的极限弯矩对应的跨中挠度比试验结果略低。具体原因主要是在现阶段钢筋与混凝土、CFRP与混凝土的粘结滑移理论还不是很成熟, 导致有限元分析中所采用的粘结滑移曲线与真实情况吻合得不够好。

(3) 弹簧单元主要的粘结滑移存在于x方向, 也就是受拉钢筋的纵向, 这与实际情况相符合。超龄混凝土的粘结滑移特性, 应当对其进行深入全面的试验研究和探讨, 以便更精确地模拟弹簧单元的F-D曲线, 进一步对超龄混凝土与钢筋和加固材料的本构关系进行研究。

摘要：通过对一超龄混凝土构件进行CFRP加固试验分析、理论计算以及有限元模拟分析, 探讨了加固后构件的受力性能以及变形情况。结果表明, CFRP加固可以提高和改善钢筋混凝土构件的受力性能;实际的超龄混凝土板加固后承载能力比规范计算公式要偏低, 对于超龄混凝土结构的加固计算, 若借鉴规范公式计算应当予以折减;最后论证了所述的有限元模型的建立和分析与试验结果一致, 可以模拟和反映构件的性能。

关键词：钢筋混凝土板,碳纤维复合材料,超龄混凝土,加固,有限元分析

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混凝土构件的加固方法 篇5

1 表面处理

表面处理是对加固构件结合面处理和钢板粘贴面进行处理, 是粘贴钢板施工过程中最关键的工序。对混凝土构件表面的新旧程度、坚实程度、干湿程度, 分别按以下四种情况处理。

1.1 对很旧很脏的混凝土构件的粘合面, 应先用硬毛刷沾高效洗涤

剂, 刷除表面油垢污物后用冷水冲洗, 再对粘合面进行打磨, 除去2-3cm厚表层, 直至完全露出新鲜面, 并用压缩空气除去粉尘。处理后, 如果表面严重凹凸不平, 可用环氧树脂砂浆修补。

1.2 如果混凝土表面不是很脏很旧, 则可直接对粘合面进行打磨, 去掉1-2cm厚表层, 用压缩空气去除粉尘, 用棉花沾丙酮擦试表面。

1.3 对于新混凝土粘合面, 先用角磨机将粘合面磨平, 再用钢丝将表面松散浮渣刷去, 用棉花沾丙酮擦试表面。

1.4 对于龄期在3个月以内, 或湿度较大的混凝土构件, 粘钢前尚须人工干燥处理。

对于钢板粘合面, 应根据钢板锈蚀程度, 分别按以下两种方法处理:

1.4.1 如钢板未生锈或轻微锈蚀, 可用喷砂、砂布或平砂轮打磨, 直

至出现金属光泽。打磨粗糙度越大越好, 打磨纹路尽量与钢板受力方向垂直。然后用脱脂棉花沾丙酮擦试干净。

1.4.2 如钢板严重锈蚀, 须先用适度盐酸浸泡20min, 使锈层脱落,

再用石灰水冲洗, 中和酸离子、最后用平砂轮打磨出纹道, 再用丙酮擦试干净。

2 卸荷

为了减轻粘贴钢板的应力、应变滞后现象, 粘贴钢板及胶液固化期间应封闭交通。

3 配胶

目前结构用加固用胶粘剂最常用的是环氧树脂类粘结剂。环氧类粘结剂分为甲乙两组分, 使用前应进行现场质量检验, 合格后方能使用。使用时将甲、乙两组分别牛刀割鸡说明规定混合在一起, 用转速为10-300r/min的轴式搅拌器搅拌, 至色泽均匀为止。容器内不得有油污, 搅拌时应避免水进入容器, 并按同一方向进行搅拌, 以免带入空气形成气泡, 降低粘结性能。

4 粘贴

粘结剂配好后, 用抹刀同时涂抹在已处理好的混凝土表面和钢板上, 厚度1-3cm, 中间厚边缘薄。然后将钢板贴于预定位置, 若是立面粘贴, 为防止流淌, 可加一层脱腊玻璃丝布。粘好钢板后, 用手锺沿粘贴面轻轻敲击钢板, 如无空洞声, 表示已粘贴实心密实, 否则应剥下钢板, 重新粘贴。

5 固定与加压

钢板粘贴好后立即用特制U型夹具夹紧或木杆顶撑, 压力保持为0.005-0.1Mpa, 以使胶液刚从钢板边缝挤出为度。若用膨胀螺栓固定, 膨胀螺栓一般是钢板的永久附加锚固, 其埋设孔洞应与钢板一道于涂胶前钻成。

6 固化

环氧类粘结剂在常温下固化, 保持在20C以上, 24h即可折除夹具或支撑, 若低于15C, 应采用人工加温, 一般用红外线加热。固化期间不得对钢板有任何扰动。

7 检验

撤除临时固定设备外, 应用小锺轻轻敲击粘结钢板, 从音响判断粘接效果或用超声波法探测粘贴密度。如锚固区粘结面积少于90%, 非锚固区粘结面积少于70%, 则此粘结件无效, 应剥下重新粘结。

对于重大工程, 为了真实检验其加固效果, 尚需抽样进行荷载试验, 一般仅作标准使用荷载试验, 即在标准荷载下, 加固结构的变形和裂缝开展应满足设计的使用要求。

8 防腐处理

粘贴加固的钢板, 应按设计要求进行防腐处理。可在钢板表面粉刷水泥耗资保护, 如钢板面积过大, 为了有利于耗资粘贴, 可粘一层铅丝网或点粘一层豆石。并在抹灰时涂刷一道混凝土界面剂。水泥砂浆的厚度:对于梁不应小于20mm, 对于板不小于15mm。

粘钢加固结合面的粘结强度主要取决于混凝土强度, 因此, 被加固构件的混凝土强度不能太低, 一般粘钢加固基层的混凝土强度等级不应低于C20。

粘结钢板厚度主要根据结合面混凝土强度、锚固区长度及施工操作要求而定, 钢板愈厚锚固长度就愈长, 而且很硬, 不好粘贴;反之, 钢板愈薄, 相对用胶量就愈大, 不经济。根据经验, 粘贴钢板厚度以2-6mm为宜, 一般取4mm。

粘贴钢板在加固点外的锚固长度, 除满足计算外, 还必须满足一定的构造要求, 对于大跨径结构或经受反复荷载的结构, 锚固区尚宜增设U型箍板或螺栓等附加锚固措施。

为了延缓胶层老化, 防止钢板锈蚀, 钢板及邻接的混凝土表面, 应进行密封防水防腐处理。简单而有效的办法是用M15水泥砂浆抹面, 其厚度对于梁不应小于20mm, 对于板不应小于15mm。

许多试验表明, 粘贴钢板加固梁板破坏时, 粘贴在梁底的钢板可以达到屈服强度。在适筋范围内, 随着荷载的增加, 原梁中钢筋屈服, 钢板随着也达到屈服, 随即混凝土被压碎而破坏。

也有部分试验表明, 粘贴在梁底的钢板未达到屈服强度, 而是钢板与混凝土间撕裂导致加固梁破坏。这种破坏没有明显的预兆, 钢板与混凝土间粘结突然撕脱, 梁中钢筋应力突增, 很快进入强化阶段而脆性破坏。这种现象应避免出现。造成此种破坏主要有以下三方面原因:

a.锚固长度不够

在混凝土表面粘结钢板与埋在混凝土中的钢筋相比, 受力较为不利。钢板的拉力仅仅依靠单面的粘结应力来平衡。钢板的合力与粘结应力不在一条直线上, 板撕脱, 因而要求有较长的锚固长度, 一般要求锚固长度:受拉区不得小于200T (T为钢板厚度) 。亦不得小于600mm, 受压区不得小于160T, 亦不得小于480mm。

b.粘结剂的质量问题

钢板能否有效地参与原梁的工作, 主要取决于钢板与混凝土之间粘结力的抗剪和抗拉强度。胶粘剂的质量对强度影响极大, 应认真选择。由于原材料质量、工艺操作变化, 不同厂家管理不同, 可能生产出来的结构胶质量有较大波动, 若质量不佳, 粘钢加固受力时, 容易出现钢板撕脱而破坏。故现场使用的结构胶应及时检验, 其强度指标应不低于混凝土强度, 但检验结构胶的方法尚无统一标准, 只能参照已有经验进行。

c.施工质量的影响

混凝土构件的加固方法 篇6

在GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》条文说明第9.2.1条中有这样的内容:“对受弯构件的受拉面粘贴纤维增强复合材进行加固时, 其截面是否满足平截面假设, 持可用和不可用观点各占50%;不过在当前试验研究工作尚不足以做出改变的情况下, 仍可加以借用, 而不致造成很大问题”。本文利用大型通用有限元软件ANSYS, 对碳纤维复合材加固钢筋混凝土T形梁的平面假设进行了研究。利用ANSYS提供的海量信息和丰富的视景系统, 分析了各级荷载下不同横截面上的水平位移;同时运用数理统计理论对平面假设做了定量分析。

1 仿真模拟设计

仿真模拟的案例为装配式普通钢筋混凝土T形梁标准图, 设计荷载为公路-Ⅱ级, 结构型式为钢筋混凝土简支梁, 跨径16m, 整体模型见图1。

粘贴碳纤维板材的技术指标为:高强度Ⅱ级, 重要构件, 厚度1.2mm, 抗拉强度1000MPa, 弹性模量140000MPa。当达到极限承载力时, 钢筋混凝土部分和碳纤维板材的应力分布分别见图2和图3。对于均布荷载, 极限荷载为1607.5kN, 极限弯矩为3014.1kN·m。

2 数据的获取与处理[2~8]

2.1 截面的选择

选择两个截面, 截面1位于跨中截面, 截面2位于1/4跨度的截面上。

截面1节点见图4, 截面2节点见图5,

2.2 加载级别设计

模拟梁加固后的极限荷载为1607.5kN, 若按GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》计算, 加固后所能承受的极限承载力与软件模拟的结果只相差0.167%。若不考虑加固, 该梁的极限承载力为1261kN。我们首先取极限荷载的20%, 此时梁基本处于弹性阶段, 由于模拟时打开了自动时间步, 所以荷载1取247.2kN;荷载2选极限荷载1607.5kN。

2.3 荷载1的数据输出与处理

当荷载为327.12kN时, 软件输出的截面1所有节点沿与截面垂直方向的位移均为2.2824mm, 说明此时横截面严格保持为平面。

当荷载为327.12kN时, 软件输出的截面2上各点的水平位移分布见图6。从图中可看到, 当荷载较小时, 水平位移分布呈典型的直线, 即横截面保持为平面。

2.4 荷载2的数据输出与处理

当加固后的梁达到极限荷载1607.5kN时, 跨中截面个节点的水平位移, 软件输出结果见表1。

由表1可见, 各节点的水平位移数值非常接近, 差别只出现在小数点后第二位, 且其单位为mm。因此, 我们得到如下结论:即便在加固后的钢筋混凝土梁达到其极限承载力时, 作为最危险的跨度正中间的截面, 平面假设也能很好的满足。

在此荷载作用下, 截面2的软件输出结果见表2。

从表2的数据很难看出规律, 故改用图形输出 (见图7) 。图7中画了一条细的直线, 它基本与较粗的节点位移图线重合, 因此可直观地看到, 在极限荷载作用下, 截面2也很好地保持了平面。

以上是我们用肉眼直接观察到的结果, 下面用定量的方法, 即线性回归显著性检验[9], 来判定平面假设是否有效。

用F检验法检验:

以α=0.01为显著水平, 查F分布临界值表得:

所以, 线性回归关系显著, 即横截面保持为平面。

3 结论

通过利用ANSYS对碳纤维复合材加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析可知, 无论是何种级别的荷载, 也不管是何处截面, 横截面均能较好地保持为平面, 因此, 利用平面假设所进行的受弯构件正截面设计是有效可行的。

摘要：利用大型通用有限元软件ANSYS, 对碳纤维片复合材加固钢筋混凝土T形梁的平面假设进行了研究, 分析了各级荷载下横截面上的水平位移。分析结果表明, 平面假设在所有情况下均是有效的。

关键词：碳纤维复合材,钢筋混凝土T梁,平面假设,仿真模拟

参考文献

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[8]赵志平.钢筋混凝土梁抗弯性能的全仿真模拟[J].四川建筑科学研究, 2007 (3) .

混凝土构件的加固方法 篇7

关键词：钢筋混凝土梁,纤维布,层数,扰度,裂缝,承载力

1 引言

碳纤维布 (CFRP) 作为一种新型的补强修复材料[1], 以其轻质、高强等优良的性能, 及施工简便、不增加构件截面尺寸等优点, 在混凝土结构加固中得到大量的应用。使用碳纤维布加固混凝土结构是一种新型结构加固方法[2], 碳纤维材料的抗拉强度为钢材的10 倍以上, 弹性模量略大于钢材。

2 加固后受弯试验

2.1 加载方式

2.2 加固方式

(纤维布在底面的粘贴方式, 层数直接在此基础上增加)

3 挠度分析

直梁在荷载作用下, 其轴线由直线变为曲线, 受弯后的梁轴弯曲成为连续、光滑的曲线。挠度即横截面形心在垂直于梁的初始轴线方向的位移。添加了纤维布的直梁, 增加了梁整体的弯曲刚度EI。当弯曲刚度增加, 挠度则会减小。弯曲刚度的增加量, 则取决于纤维布的材料参数以及黏贴胶水的承载范围。对比无处理梁及有处理梁, 通过几组实验数据可以明显看出, 有处理的直梁抗弯性能明显强于无处理梁。从一开始加载, 二者的挠度变化差距就体现出来, 差距大概是40%-60%, 这个差距一直保持到了中期, 到了后期荷载不断增大, 直梁到达极限承载能力之前, 无处理梁的挠度增大速率加快。而有处理直梁保持之前的挠度增长速率直至断裂。对比不同层数的直梁抗弯能力不管是跨中还是支座的抗弯能力[3], 黏贴了一、二、三层纤维布的直梁的挠度值非常接近, 修复后的挠度曲线基本是重合的。

4 裂缝分析

初始加荷载时, 空白梁及底面贴一层纤维布的梁, 其底部混凝土受拉开始产生竖裂缝, 随着所受应荷载增加, 裂缝逐渐向上开展, 裂缝同时变宽。当裂缝开展到中轴线以上时, 受压混凝土开裂, 此时受拉混凝土几乎丧失作用, 下部主要由钢筋与纤维布承受拉应力。当继续增加荷载至极限荷载时, 上部混凝土几乎全开裂, 钢筋屈服, 最后表现为梁中部正截面破坏。底面贴二层纤维布的梁及底面贴三层纤维布的梁, 其支座底部混凝土受拉开始产生竖裂缝, 随着荷载的增加, 裂缝由两侧支座向中部延伸, 裂缝宽度逐渐加大, 底面贴三层纤维布的梁裂缝尤为明显。当继续增加荷载至极限荷载时, 裂缝开展到最顶部, 上部混凝土受压破坏。纤维布具有很好的抗拉强度, 其抗拉强度可达钢筋的10 倍。通过在梁上粘贴纤维布之后, 纤维布承受了一部分的弯矩, 从而减少了钢筋和底部混凝土的弯矩, 从而延迟了混凝土的开裂。底面贴3 层纤维布相对于底面无贴纤维布、底面贴1 层、底面贴2 层, 对梁的抗裂[4]起最明显的效果。

5. 承载力分析

5.1 实验现象

刚开始加载时, 无论是无处理的或者是粘贴一层、两层和三层碳纤维布的混凝土梁, 各个试件的跨中挠度、支座处挠度、钢筋应变和碳纤维布应变都很小, 而且应变值都大致接近。当外加荷载接近13KN时, 所有构件纯弯段的受拉区出现了第一条裂缝。构件开裂后, 各个试件的跨中挠度、支座处挠度、钢筋应变和碳纤维布应变数值增长速度略微增加, 其中无处理的混凝土梁增长速度最快, 其次是粘贴一层的混凝土梁, 粘贴两层的和粘贴三层的增长相当。当外荷载达到14KN时, 无处理的混凝土梁受拉钢筋屈服, 由于碳纤维布的加固作用, 粘贴碳纤维布的混凝土梁基本都处于20KN时受拉钢筋才屈服。伴随着受拉钢筋的屈服, 外荷载的增大, 各个混凝土试件的跨中挠度、支座处挠度、钢筋应变和碳纤维布应变急剧增大。对于有处理的混凝土梁, 在钢筋屈服后, 混凝土梁的拉应力主要由碳纤维布来承担, 在这区段内, 钢筋的应变增长速度急剧减少, 变化并不明显。相比之下, 碳纤维布的应变急剧增大, 变化明显。无处理的混凝土梁加载到42KN时出现了适筋破坏, 而粘贴一层碳纤维布的混凝土梁加载到50KN时才出现破坏, 粘贴两层和粘贴三层碳纤维布的混凝土梁均加载到54KN才出现破坏。

5.2 构件破坏形态

出现破坏时, 试件的宏观试验现象基本类似, 纯弯段出现的裂缝由细变粗并不断地向受压区混凝土延伸, 碳纤维布的面胶开始剥落, 跨中挠度急剧增大, 最后梁顶的混凝土被压坏。与未加固的梁相比, 加固后的梁在加载过程中裂缝发展较为缓慢, 裂缝数量多且密集, 宽度远比未加固的梁要小。

5.3 原因分析

使用碳纤维布加固的混凝土梁屈服荷载比没有使用碳纤维布加固的混凝土梁大, 而且对无论粘贴几层碳纤维布的混凝土梁来说, 屈服荷载均没有很大的差异。使用碳纤维布加固的混凝土梁屈服荷载比没有使用碳纤维布加固的混凝土梁大, 而且粘贴两层和三层碳纤维布的混凝土梁比粘贴一层的混凝土梁承载力[5]有所增加, 但是增加的幅度不大

6 结语

本文通过黏贴不同层数的纤维布[6], 对钢筋混凝土梁进行加载研究, 得到了无处理与有处理梁之间的性能特点差异, 总结了不同黏贴层数下梁的力学特征变化, 得到如下结论:

1) 有黏贴纤维布的梁比无处理的梁其跨中与支座挠度要相对较小, 在弯矩较小时, 黏贴层数为一层二层三层的梁其挠度相差不大, 随着弯矩的增大, 黏贴二层和三层的效果相近但比一层的好, 即是随着层数的增加, 钢筋混凝土梁的刚度随之增大, 导致其跨中与支座的挠度减小。

2) 黏贴纤维布的梁比无处理的梁其开裂荷载要大, 并随着层数的增加, 相应的开裂荷载也随之增大, 即黏贴纤维布能有效抑制裂缝的开展, 并随着层数的增加其效果越好。

3) 黏贴纤维布后的梁, 梁的中和轴上移幅度不大, 有更多的混凝土参与受压工作, 使得梁最终的承载力比无处理的梁要大, 并且随着黏贴层数的增加其承载力也越大。

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