CFRP布加固（精选7篇）
CFRP布加固 篇1
摘要：通过抗弯试验, 从破坏形态、极限承载力、极限挠度三方面, 对未加固梁、外贴碳纤维布加固梁、嵌贴碳纤维布加固梁三种结构作了对比, 指出嵌贴碳纤维布加固能更好地发挥碳纤维的材料性能, 从而提高结构的强度和刚度。
关键词：碳纤维布,箱梁,荷载,抗弯性能
随着交通事业的发展, 很多桥梁已进入老化阶段。欧洲有超过60% 的公路和铁路桥服役期已超过50 年。我国大部分桥梁也运营了四五十年, 当中部分桥梁的承载能力存在着安全隐患, 迫切需要加固。工程中常用的钢筋混凝土桥梁的加固方法主要有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法、外包钢加固法、碳纤维加固法。碳纤维加固法凭借其高强、轻质、耐腐蚀、施工便利、对原结构影响小等优点, 广泛应用于土木工程结构的加固中。传统的碳纤维加固法是在混凝土结构表面粘贴一层碳纤维布, 对原结构的强度和刚度都有相当程度的改善, 但是容易发生剥离破坏, 使得碳纤维的高强性能不能得到充分的发挥。嵌入式粘贴碳纤维布加固法是在混凝土结构表面开槽, 然后用环氧树脂将碳纤维布或碳纤维板粘入其中。该方法的优点是能够避免剥离破坏, 较外贴碳纤维加固法有更好的加固效果, 但是加固工序相对繁琐。
1 试验方案设计
1. 1 试件设计
本试验一共进行了3 根简支矩形箱梁的抗弯性能试验, 选用工程中常用的单箱单室矩形箱梁, 梁体全长3. 0 m, 净跨2. 8 m。试件采用同一尺寸, 梁宽600 mm, 梁高300 mm, 顶板、底板和肋板厚度各为70 mm, 内侧倒角尺寸30 mm × 40 mm。试件采用相同配筋, 底部配8 根 ф16 受拉纵筋, 顶板5 根ф10 受压纵筋, 两侧腹板各设2 根ф10 分布钢筋, 箍筋为 ф10@ 100 mm, 所有钢筋均采用HPB235, 混凝土设计强度为C35, 具体箱梁模型尺寸如图1 所示。
本次试验在未加固箱梁、外贴CFRP布加固RC箱梁静载试验的基础上, 对嵌贴CFRP布加固的RC箱梁进行了静载试验, 并且将试验数据进行对比, 分析两种加固方式对箱梁承载力的影响。
3 根试件中, 第一根试验梁未作任何加固作为标准梁, 用以对比分析不同加固方式对承载力的影响, 编号为L0; 第二根试验梁采用外贴CFRP布加固, 沿梁的纵向粘贴两条CFRP布, 并在两端设置U型箍, 编号为L1; 第三根试验梁采用嵌贴CFRP布加固, 首先在梁的底部沿纵向打磨出两条与CFRP布尺寸相当的槽, 然后粘贴CFRP布, 两端设置U型箍, 编号为L2。所有试验梁的编号、加固方式、加固面积、端部U型箍设置情况如表1 所示。
1. 2 量测方案设计
本次试验旨在研究表层嵌贴CFRP布加固RC矩形箱梁的性能, 主要是静载作用下的力学性能, 故需要对构件应变、挠度和裂缝进行量测。
在特征截面的混凝土、CFRP上分别布置电阻应变片以测量各个部位的应变; 在特征截面的梁底布置百分表以测量各个部位的挠度; 用裂缝宽度测试仪对裂缝进行观测, 从而确定裂缝宽度和裂缝的开展情况。
1. 3 加载方案设计
所有试件均采用对称加载, 在简支梁跨中施加集中荷载。位于试验梁和反力架之间的千斤顶通过发生位移, 顶推锚固于地面的反力架, 反力通过分配梁作用于两腹板处, 从而对梁顶两个对称的作用点施加对称荷载, 实现对梁的对称受弯加载。
1. 4 试件施工工艺
通过梁底开槽、表面处理、涂刷底胶、涂刷面胶、粘贴CFRP布、养护, 加固后的梁如图2 所示。
2 试验结果及现象
对3 根简支矩形箱梁进行了静载试验, 试验过程中记录了各个梁在逐级荷载作用下的挠度、应变、裂缝、破坏形式等变化情况, 现将各个梁的实验结果及现象汇总如下。
2. 1 对比梁L0
梁L0 为未加固的基准梁, 用作对比, 按适筋破坏设计, 破坏时受拉钢筋屈服, 梁底混凝土裂缝贯穿破坏。当加载到30 k N左右时, 跨中受拉区混凝土出现第一条微裂缝, 随着荷载的增加, 裂缝逐渐向梁顶扩展并且基本上呈对称分布, 当加载到190 k N时, 受拉主筋屈服, 试件刚度明显下降, 荷载增加缓慢, 跨中挠度急剧增长, 最后当跨中挠度达到35. 1 mm时, 梁底混凝土裂缝贯穿破坏, 其极限荷载为260 k N。
2. 2 加固梁L1
L1 是在梁底外贴两条碳纤维布, 并且在两端加设U型箍。当荷载加至40 k N左右时, 梁底开始出现第一条裂缝, 随后钢筋主要发挥作用, 荷载—应变曲线也相应地出现转折。随着荷载增加, 旧裂缝缓慢向上发展, 新裂缝不断出现, 向上发展, 并且基本上呈对称分布, 当荷载加至230 k N左右时, 钢筋达到屈服, CFRP布开始承受主要拉力, 荷载—应变曲线同样出现了相应的转折。钢筋屈服后, 荷载增加缓慢, 当荷载加至320 k N左右时, 几条主裂缝迅速变宽, 最大裂缝宽度出现在集中荷载处, 跨中挠度急剧增长, 最大挠度达到28. 1 mm, 此时, 梁底碳纤维处发出噼里啪啦的爆裂声, 梁一端的U型箍出现了明显的滑移破坏, 已经被拉坏, 其锚固作用失效, 两个U型箍之间的碳纤维布凸起, 碳纤维布与梁底混凝土出现明显的剥离破坏, 极限承载力为320 k N, 与对比梁L0 相比, 提高了23% 。
2. 3 加固梁L2
L2 采用嵌贴CFRP布加固, 首先在梁的底部沿纵向打磨出两条与CFRP布尺寸相当的槽, 然后粘贴CFRP布, 两端设置U型箍。加固方式及应变片布置如图3 所示。
当荷载加至50 k N左右时, 梁底开始出现第一条裂缝, 随着荷载的增大, 裂缝逐渐增多, 并且基本上呈对称分布。当荷载加至260 k N左右时, 钢筋达到屈服, 碳纤维布开始承受主要拉力, 荷载—跨中挠度曲线出现了相应的转折。钢筋屈服后, 荷载增加缓慢, 当荷载加至360 k N左右时, 几条主裂缝迅速变宽, 最大裂缝宽度出现在集中荷载处, 达到2. 1 mm, 同时跨中挠度急剧增长, 最大挠度达到33. 04 mm, 此时, 梁底碳纤维处发出噼里啪啦的爆裂声, 直至跨中梁底碳纤维布被拉断, 极限承载力为360 k N, 与对比梁L0 相比, 提高了38% , 与加固梁L1 相比, 提高了12. 5% , 裂缝形态以及破坏形态如图4, 图5 所示。加固梁有明显的剪力滞效应, 并且随着弯矩的增大, 剪力滞后效应更加明显。
3 试验结果分析
3. 1 承载力
各试验梁的试件编号、加固方式、屈服荷载、极限荷载、极限荷载的提高幅度以及试件的破坏形式汇总于表2。
从表2 中可以看出, 碳纤维加固梁L1, L2 的极限承载力都有了很大程度的提高, 相比未加固梁, 分别提高了23. 1% 和38. 4% , 而嵌贴碳纤维布加固梁相比外贴碳纤维布加固梁, 承载力提高了12. 5% , 表明后者的加固效果要优于前者, 并且破坏形式是碳纤维被拉断, 充分发挥了碳纤维的抗拉性能, 避免了外贴加固梁的剥离破坏。
3. 2 变形分析
三种试件在不同荷载作用下的跨中挠度曲线对比图如图6所示。
从三片梁的荷载—跨中挠度曲线对比图可以看出, 在混凝土开裂前, 加固梁的挠度和未加固梁的挠度几乎没有区别, 加固效果不明显, 但是当梁底混凝土开裂后, 未加固梁挠度增幅较之前有所增大, 经碳纤维加固过的梁变化不大, 在同一荷载作用下, 加固梁的变形量均小于未加固梁, 而且随着荷载的增加这种差异变得更加明显, 尤其是在钢筋屈服之后, 在同一荷载作用下, 加固梁的变形量小于未加固梁。从荷载—跨中挠度曲线也可以看出, 嵌贴碳纤维布的加固效果要优于外贴碳纤维布, 两者的极限挠度分别是28. 7 mm和30. 3 mm。
4 结语
1) 试验结果表明, CFRP布加固RC箱梁可以有效地提高试验梁的抗弯极限承载力, 相比未加固的试件, 外贴CFRP布加固RC箱梁的抗弯极限承载力提高了23. 1% , 嵌贴CFRP布加固RC箱梁的抗弯极限承载力提高了38. 4% , 后者的加固效果优于前者。2) 试验结果表明, 外贴CFRP布加固RC箱梁的U型箍出现了明显的滑移破坏, 其锚固作用失效, 两个U型箍之间的碳纤维布凸起, 碳纤维布与梁底混凝土出现明显的剥离破坏。而嵌贴CFRP布加固RC箱梁的破坏形式是梁底CFRP布被拉断, 充分发挥了碳纤维的抗拉性能, 表明碳纤维的利用率要优于前者。3) 试验结果表明, 经CFRP布加固过的RC箱梁其刚度较未加固梁有明显的提高, 在同一荷载作用下, 加固梁的变形量小于未加固梁, 而且嵌贴CFRP布加固的效果要优于外贴CFRP布加固。4) 试验结果表明, 与普通箱梁一样, 碳纤维加固过的箱梁同样存在剪力滞效应, 并且随着弯矩的增大, 剪力滞效应就更加明显。
参考文献
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[3]张劲松.碳纤维加固钢筋混凝土梁、板受弯性能的试验研究[D].重庆:重庆大学硕士学位论文, 2007.
[4]曹双寅, 邱洪兴, 滕锦光, 等.纤维加固受弯构件全过程分析和承载力计算[J].工业建筑, 2000, 30 (10) :27-43.
CFRP布加固 篇2
关键词：砌体结构,纤维布(FRP),碳纤维布(CFRP),加固
我国在FRP材料加固砌体结构的研究还刚刚起步,到目前为止,还缺少针对我国砌体材料和 FRP材料的 FRP加固砌体试验研究。由于我国的砌体材料与国外存在很大差别,因此国外的试验研究数据就不一定能适合我国的工程实践。所以结合国内的砌体材料进行FRP加固砌体试验研究就具有很大的工程实用意义。对6个CFRP布加固砌体抗压试件和2个对比试件进行抗压性能试验研究, 并对加固砌体裂缝形态、最终破坏形式和加固机理进行分析。
1 试件设计与制作
为了消除尺寸效应的影响,试验试件按足尺1∶1比例设计了7根截面尺寸为370×490×1 300的独立砖柱。试件编号、加固形式与试验内容见表1。
试件砌筑要求横平竖直,砂浆饱满,并在试件顶部采用厚度为10 mm的1∶3水泥砂浆找平。试件砌筑后,在室内自然条件下与砂浆试块一起养护直到砂浆达到预期强度,然后对加固试件按照规定工艺粘贴CFRP布。CFRP布加固方式采用在试件周围水平缠绕粘贴。抗压试验前分别测量试件的宽度和高度,试件高度以垫板顶面为基准,量至找平层顶面为止。抗压试验主要测试CFRP布加固层数、间距对砌体抗压加固效果的影响。
砖用MU10粘土砖,砂浆用M7.5水泥砂浆。试件中混凝土均取C30。碳纤维布与结构胶性能指标须符合有关规程要求。
砖用MU10粘土砖,砂浆用M7.5水泥砂浆。试件中混凝土均取C30。碳纤维布与结构胶性能指标须符合有关规程要求。
砌筑时,保证每盘砂浆均匀地分布在每一柱上,并对每盘砂浆取两组试块,每组3块,28 d压一组,实验时再压一组。砌筑前对砖进行湿水。试件在实验室内浇水养护,砂浆试块放置在试件附近予以相同条件养护。
2 碳纤维布加固后的砖柱在受轴心受压和偏心受压状况下的破坏机理
轴心受压加固的砌体试件的受力过程基本相似, Za-2试件为粘贴2层 CFRP布加固试件,Za-3试件为粘贴3层CFRP布加固试件, Za-4试件为粘贴3层CFRP布,其幅宽、净间距较小的加固试件。在加荷到 506～550 kN之间时在砌体上出现初始裂缝,且能够听到CFRP布被拉紧的声音,局部粘贴时未拉紧的CFRP布被绷直。当加荷到522.5～577.5 kN左右时,可以看到砌体表面出现一些很细微的纵向裂缝,CFRP布表面出现白色痕迹,但CFRP布没有断裂。到达破坏荷载时,砌体侧面裂缝贯通,宽度较宽,而CFRP布在顶部或底部也出现一些很短的细小裂缝。其中部分试件在破坏时砌体底部出现CFRP布局部剥离现象,剥离的CFRP布上粘着一些砖的碎片。
从表2可以看出,Za-2试件的极限承载力为650 kN,Za-3试件的极限承载力为525 kN,Za-4试件的极限承载力为675 kN,Za-2′试件的极限承载力为725 kN,相对Za-1的极限承载力提高率分别为12.0%;-9.4%;16.4%;25.0%。由于Za-3的开裂荷载及破坏荷载均低于对比柱,试验后拆开该试件发现其砌筑质量不合格,水平灰缝中的摊灰不均匀,多处灰缝饱满度没有达到80%的要求。在此再次证实碳纤维布的加固要求被加固体要具备基本的强度要求,否则不能变形协调,达不到共同受力的要求。在轴心试验试件破坏时,试件Za-2、Za-2′的CFRP断裂,而试件Za-3和Za-4的CFRP均未断裂,可见加固试件Za-3和Za-4的破坏是由砌体中的砖与砂浆引起的,因此再增加 CFRP布的层数对提高砌体的抗压强度作用不大,加固砖砌体时最多只需采用3层碳纤维布条形箍。从试验结果可知,Za-1试件的破坏形式为在试件的正面和侧面都出现连续的纵向裂缝;而经过粘贴CFRP加固后,Za-2试件、Za-3试件和Za-4试件的破坏形式主要是在CFRP布的间距内砌体出现纵向裂缝,大部分纵向裂缝不能穿越CFRP布,当裂缝开展过大时丧失承载力,而在CFRP布粘贴的砌体上很少出现裂缝和CFRP布破裂的现象。可见CFRP布对于限制砌体正面裂缝的产生和开展是非常有效的。但同时从表1-2可知除Za-3外所有试件的初裂荷载都为506～550 kN,可见虽然粘贴CFRP布可以延缓砌体裂缝的产生和发展,但是对提高砌体的开裂荷载则效果不大,因为这时的套箍作用尚未发挥。
从试验来看,由于横向碳纤维布条形箍对轴心受压砖砌体的约束作用,使得砖砌体不但承载力增加,且其变形能力也得到提高。试验表明,未受约束的砖砌体在达到其轴心抗压强度以后,承载力降低,砖砌体逐渐退出工作。而对于受约束的砖砌体在达到其轴心抗压强度之后,开裂膨胀,受到约束后其强度继续增加,变形也随之增大。
Za-2试件的极限应变为0.036,Za-3试件的极限承载力为0.034,Za-4试件的极限承载力为0.046,Za-2′试件的极限承载力为0.043,相对Za-1的极限应变提高率分别为100.0%;88.9%;155.6%;138.9%。比较极限承载力的提高率,可看到加固砖砌体的极限应变提高幅度远远大于极限承载力的提高幅度。
从图2、图3、图4和图5可以看出,横向碳纤维布条形箍有随着砌体受压纵向应变增长而缓慢增长的趋势,直到砖砌体应变增长达到砖砌体轴心抗压强度所对应的应变,碳纤维布条形箍的应变才快速增加,直到受拉断裂。这也是因为加载前期,砖砌体受压轴向应变较小,其所对应的横向应变更小,条形箍的被动约束效应无法发挥作用,所以应变变化很小。而加载后期,砖砌体纵向裂缝快速发展,砖砌体膨胀加快,条形箍的被动约束机制得以发挥,相应的应变也迅速增大。试件中横向碳纤维布条形箍上的应变沿边长并不一致,如图4和图5所示,整个条形箍应变从砖砌体截面中部到角部由大到小变化,这是矩形截面构件套箍应变分布的普遍规律,此种应变分布规律势必会影响碳纤维布与砖砌体的粘结,在试件破坏时往往造成条形箍的粘结剥离。
3 结 论
a.通过试验的7个试件的试验表明,碳纤维布加固可提高砖砌体柱的承载能力、抗变形能力和延性,阻止构件裂缝的发展。
b.砖砌体受压柱出现微裂缝后,由于碳纤维的套箍作用仍能抵抗较大的荷载。
c.碳纤维的约束作用使裂缝发展速度变慢,不能形成连续的通缝。
d.由于砖砌体中水平灰缝的阻隔,砖柱在纵向的整体性不如混凝土,因此碳纤维环箍沿砖柱纵向的影响范围没有沿混凝土柱纵向影响范围大,故引起碳纤维环箍加固砖柱的效果不如加固混凝土柱的效果。
e.碳纤维加固砖砌体轴心受压柱由于碳纤维的套箍作用,能提高其抗压强度。试验中碳纤维加固砖砌体轴心受压柱抗压强度可达到未加固砖砌体轴心受压柱抗压强度的1.250倍;碳纤维加固砖砌体偏压柱抗压强度可达到未加固柱抗压强度的1.280倍。
参考文献
[1]施楚贤.砌体结构理论与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[2]中国纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集[C].北京,2000.
[3]朱伯龙.砌体结构设计原理[M].同济大学出版社,2000.
CFRP布加固 篇3
嵌入式（Near-surface Mounted，简称NSM）加固法是一种通过粘结材料将加固材料嵌入加固构件表面预先凿好的槽中，使之与加固构件形成整体，从而提高构件抗弯或抗剪承载力的一种加固方法。
在20世纪40年代末瑞典的Asplund[1]曾用此项技术加固瑞典一座桥梁。他把钢筋置于在混凝土结构表面所开的槽中,在槽中灌入水泥浆，然后用喷浆混凝土覆盖进行表面处理，但由于水泥浆的粘结性能不是很好，，加固部分与原结构的粘结效果不太好,从而影响了加固效果。正是由于材料的限制，使得这项技术在当时没有推广，当FRP材料出现后，嵌入式加固方法才真正显示出了其优良的加固效果，与钢筋相比其优势不言自明:FRP材料轻质高强，施工方便,省时省力；耐腐蚀，不象钢筋那样需要较厚的保护层；形状、规格可以根据实际工程的要求定做。而且在近几年，FRP材料价格大幅度下降，广泛应用于工程加固，FRP材料嵌入式加固也得到了一定的研究，并成功运用于混凝土结构、砌体结构、木结构以及桥梁的加固[2,3,4,5]。
从FRP种类上分，目前所采用的材料大都集中在CFRP、GFRP上，对AFRP也有一定涉及，其中混凝土结构的加固主要采用CFRP。因此本文选取11根试件梁（3根未加固对比试件，8根CFRP布NSM加固试件）进行实验研究，着重分析CFRP布NSM加固对混凝土梁变形性能的影响。
1 试验概况
1.1 试件设计
本试验共设计11根混凝土试件梁，混凝土强度等级C20，保护层厚度为25mm。试件尺寸及配筋情况如图1所示。
试件共分为5组，第一组L0a,L0b,L0c为未加固的对比试件，第二组L1a,L1b为不加载情况下粘贴CFRP的一次受力试件，第三组L2a-40,L2b-40，第四组L2a-60,L2b-60，第五组L2a-80，,L2b-80分别为加载至40%，60%，80%屈服荷载（相对于对比梁）情况下粘贴CFRP的二次受力试件。所有加固试件均粘贴2层尺寸为2500mm×60mm×0.167mm的CFRP，并在端部采取有效锚固。
L1a、L1b试件在加载之前进行加固，所有二次受力试件在作用初始弯矩Mi后进行加固，具体加固步骤如下：(1)在梁底部中间开一个深2cm宽6cm的槽；(2)将槽底磨平，涂刷底胶粘贴碳纤维布两层，并在端部采取有效锚固措施；(3)再用结构胶将槽填平，三天后，待结构胶完全达到强度后进行试验。
1.2 加载装置
本次试验采用正位加载试验装置，为了分析研究正截面的受力状态和变形规律，排除剪力和其它因素的干扰，所有试件梁采用两点对称加载，通过分配梁来实现，在两个对称集中荷载之间形成纯弯段，纯弯段长度为900mm，两加载点分别距离两端支座800 mm，试验采用手摇式千斤顶加载，荷载大小通过传感器测定加载装置模型如图2、实景如图3所示。
2 试验结果与分析
2.1 裂缝情况分析
通过考查各试件裂缝展开图，现将各组试件最大裂缝宽度及裂缝发展情况作如下分析。
2.1.1 最大裂缝宽度
图4为各组试件实测P-ωmax曲线（P数值大小与分配梁两端支座压力大小相等，ωmax为各组试件对应荷载级别的最大裂缝宽度平均值）。
从图4中可以看出：(1)各组试件的曲线都有一个拐点，拐点位置大致对应于各组试件的屈服荷载，在拐点之前，最大裂缝宽度的增长对荷载的变化近似为线性，且增长速度较为缓慢，在拐点之后，各组试件裂缝宽度增长迅速；(2)从所有试件梁的受力过程和裂缝开展情况来看，在加载初期，相同荷载作用下未加固试件的最大裂缝宽度与加固试件相差不大，而在加载后期，相同荷载作用下加固试件的最大裂缝宽度明显小于未加固试件，说明嵌贴碳纤维布能够有效抑制混凝土裂缝宽度的发展，这种抑制作用在加载后期表现的尤为明显。对比所有加固试件可以发现，在同级荷载作用下，一次受力试件的最大裂缝宽度最小，而对于二次受力构件，初始弯矩越大，同级荷载作用下的最大裂缝宽度就越大。
2.1.2 裂缝条数与平均裂缝间距
从所有试件梁的受力过程和裂缝开展情况来看，三根未加固试件梁在达到屈服荷载之前裂缝数量就不再增加（但裂缝宽度发展较快），在破坏时纯弯段的裂缝条数分别未8、9、8，而对于加固试件，在加载过程中不断出现新裂缝，破坏前的主裂缝条数明显多于未加固试件（如表1所示）从而使得未加固的平均裂缝间距明显小于加固试件。
由于加载前嵌贴的碳纤维布的作用，一次受力试件在整个加载过程中的裂缝数量较未加固试件多，而且宽度更细，二次受力试件在未加固前裂缝发展情况与未加固试件基本一致，而在嵌贴碳纤维布以后，已有裂缝发展较未加固试件缓慢，同时在加载过程中不断新增裂缝，致使在加载后期阶段二次受力构件的主裂缝条数与一次受力构件基本相当，平均裂缝间距也相差不大。
2.2 挠度分析
经过试验研究发现：未加固试件、一次受力试件和二次受力试件均呈现出明显的三阶段受力特征，其荷载-挠度曲线也存在两个转折点，第一个转折点大致对应与开裂荷载，第二个转折点大致对应与屈服荷载加固梁与之类似，也呈现出明显的三阶段特征。
2.2.1 第一阶段(弹性工作阶段)
当荷载较小时，挠度与弯矩接近直线变化，这时的工作特点是梁底尚未开裂，为整体工作阶段。所测混凝土压应变较小，混凝土弹塑性特征不明显，整体上为弹性工作阶段，称为第一阶段。当弯矩超过开裂弯矩后，受拉区混凝土己有裂缝发生，（荷载-挠度）曲线出现第一个转折点。
2.2.2 第二阶段(带裂缝工作阶段)
随着荷载逐渐增大，不断出现新的裂缝，挠度的增长速度加快，其工作特点属于带裂缝工作阶段。在第二阶段的整个发展过程中，钢筋的应力随荷载的增加而增加，当受拉钢筋的应力达到屈服强度后，则转入破坏阶段。
2.2.3 第三阶段(破坏阶段)
钢筋屈服使曲线上出现第二个转折点，标志梁进入第三阶段。在此阶段，梁受拉区裂缝急剧开展，挠度急剧增加，而承载力提高幅度很小，在后期曲线几乎成为一条直线，此时荷载己不能继续增加，梁己达到破坏状态。
选用各组试件梁在各级荷载P作用下的的跨中挠度平均值Δ绘制P-Δ曲线（如图5所示）。从图中可以看出：
(1)与普通混凝土试件类似，一次受力试件和二次受力试件呈现出明显的三阶段受力特征，其荷载-挠度曲线也存在两个转折点，第一个转折点大致对应与开裂荷载，第二个转折点大致对应与屈服荷载，但在进入第三阶段加固试件与未加固试件有所不同，由于碳纤维布的作用，加固试件梁在钢筋屈服后正截面承载力仍可稳步提高，但提高速度较前两个阶段有所下降。
(2)在加载初期，各试件在同级荷载作用下跨中挠度相差不大,但在加固后，尤其是在未加固梁L0屈服后，同级荷载作用下加固梁的跨中挠度明显小于未加固梁的，说明CFRP布NSM加固可有效提高梁后期的抗变形能力。
(3)对于加固试件，初始弯矩越大，同级荷载作用下加固梁的的跨中位移就越大，这是因为初始弯矩越大，梁裂缝发展就越厉害，梁的截面抗弯刚度就越小，梁的抗变形能力就越差。
2.3 刚度分析
受力过程中刚度大小可通过曲线的斜率来考查。由图5可见，在混凝土开裂前，粘贴碳纤维布的一次受力试件刚度和其他试件刚度相差不大，说明碳纤维布参于横截面刚度计算对刚度的提高影响不大，这一点与理论计算的结果一致。在带裂缝工作阶段，碳纤维布对刚度的影响应从两方面考虑：
2.3.1 碳纤维布参于横截面刚度计算，提高了梁的刚度；
2.3.2 碳纤维布限制了裂缝的开展，提高了梁的刚度，为主要影响因素。尤其是在钢筋屈服后的第三阶段，未加固梁的的裂缝开展迅速，刚度急剧下降，而加固后的梁刚度在突降一定值后趋于稳定，可见钢筋屈服后碳纤维布对梁的刚度有显著的提高。
3 结论
根据本次试验研究结果可以得到以下结论：
3.1 不论一次受力构件，还是不同初始弯矩作用下的二次受力构件，采用CFRP布NSM加固混凝土梁均可有效提高其抗变形能力，尤其是在混凝土梁底部受力钢筋屈服后这种作用表现尤为明显。
3.2 采用CFRP布NSM加固能有效抑制混凝土梁的裂缝发展速度，与未加固梁相比，其裂缝发展呈现出“细而密”的特点，并且裂缝的发展情况与混凝土加固梁的跨中挠度及横截面刚度息息相关。
3.3 试验结果表明，CFRP布NSM加固能有效提高混凝土梁加载后期的横截面刚度，其主要原因是因为碳纤维布限制了裂缝的开展，而碳纤维布参于横截面刚度计算对刚度的提高影响不大。
摘要：碳纤维材料嵌入式加固技术具有重大的应用价值和发展前景,在国外已成功运用于混凝土结构、砌体结构、木结构以及桥梁的加固。本文通过对11根试件梁的裂缝情况、荷载—挠度关系以及横截面刚度进行了研究分析,试验结果表明:考虑二次受力影响,在不同初始弯矩作用下CFRP布嵌入式加固能有效提高混凝土梁的抗变形能力。
关键词：混凝土梁,碳纤维布,嵌入式,加固,变形,裂缝,刚度,二次受力
参考文献
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CFRP布加固 篇4
在实际工程中常用的传统加固方法主要有:加大截面法、改变受力体系法、预应力加固法、粘贴钢板或外包钢材加固法等。传统加固方法虽然提高了原有结构的强度和刚度但同时因其抗腐蚀性能较差、自重大、尺寸大制约着使用范围。近年来,粘贴CFRP加固法作为新兴的加固技术因其轻质高强、耐腐蚀和施工方便等优点被广泛采用。CFRP的广泛使用不是为了代替混凝土和钢材,而是以混凝土和钢材为基础作为增强材料。
1 概述
CFRP是由基体材料和碳纤维增强材料按照一定比例混合的高性能新型复合材料。高强度的碳纤维承担大部分应力,基体材料则起包裹纤维和传递剪力的作用。
CFRP对既有结构补强方法是将碳纤维片材(纤维布或板)用树脂浸润后粘贴在需要加固的混凝土梁、板的受拉一侧表面上。CFRP依据其长短分为长纤维和长纤维,而长纤维又因其形状有:片材、棒材、型材和用于特殊构造的材料。纤维布是由连续的单向长纤维编制而成,纤维板则是经过层层铺设并浸润树脂最后固化预制成型等工艺制成。
研究表明CFRP具有以下性能特点:(1)轻质高强。比强度高达2GPa,CFRP的密度是钢筋的1/5左右,且抗拉强度明显高于钢筋,因此运用于加固修复时可大为减轻结构自重且不影响原结构美观以及使用尺寸。值得注意的是CFRP材料直至拉断均表现为线弹性性质,没有屈服阶段破坏呈明显的脆性。CFRP材料和钢筋的力学性能见表1[1];(2)耐腐蚀。经过相关研究,与传统建筑材料相比CFRP在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中具有较好的抗腐蚀性能,可长期使用,延长结构的使用寿命的同时又降低了维修成本;(3)耐久性好。一般而言复合材料的耐久性能是通过室内加速老化试验来判断其寿命,多在35年以上,文献[2]试验结果表明CFRP有较好的耐久性能;(4)可设计强。复合材料属于人工材料,在成型过程中可以根据不同需求调整纤维用量以及变化施工工艺制成不同力学性能的FRP产品;(5)抗疲劳好。刘沐宇[3]等在进行了碳纤维布加固混凝土梁抗疲劳试验研究后得出结论:粘贴CFRP布后混凝土梁的疲劳寿命可提高60%-80%,混凝土梁的疲劳变形减少了40%-60%,粘贴CFRP布后受损混凝土梁的原损伤裂缝基本上没有扩张,损伤梁的抗裂性能和疲劳寿命都得到提高;(6)与钢材和混凝土相比FRP产品耐火性较差。CFRP材料加固时所用的胶粘剂多属于树脂类有机物,胶粘剂粘结CFRP与混凝土的能力是确保两者共同受力的重要前提。当外界温度超过其软化温度(约70℃左右)时,CFRP材料与混凝土之间粘接强度急速下降,残余值不到20%,胶粘剂就会软化或分解,粘结传递能力丧失,CFRP材料就会剥落而退出工作。同济大学的高皖扬[4]对3根CFRP加固钢筋混凝土梁进行耐火性能试验研究,防火保护采用了50mm厚厚型防火涂料和40mm硅酸钙防火板,分析了不同防火方法和端部锚固性能对高温下CFRP加固梁的破坏形态及耐火极限的影响。试验研究表明:采用防火保护的梁耐火极限均可达到2.0h,提高CFRP端部锚固性能可有效地改善加固梁的耐火性能;防火涂层中增设钢丝网片约束防火涂料、防止开裂和脱落效果明显。
2 CFRP加固技术研究现状
(1)抗弯加固性能。从引进CFRP加固技术至今,学者们对此进行了大量的试验研究。东南大学的吴刚[5]等对20根梁的基础上利用CFRP加固钢筋混凝土梁进行抗弯试验,对CFRP加固梁的抗弯极限承载能力、抗弯破坏特征以及影响因素进行了研究分析。CFRP布加固对梁的刚度提高作用很小;CFRP布粘贴3层情况下对抑制裂缝发展有着很明显的约束作用;CFRP布加固对少筋梁的极限承载能力提升效果显著,且粘贴一层CFRP布提高143%而粘贴3层CFRP布提高极限承载能力幅度竟可达233%以上。
(2)抗剪加固性能。FRP布加固混凝土柱最有效的加固形式,CFRP布缠绕加固混凝土柱,通过约束混凝土提高混凝土强度和变形能力,并可提高柱的抗剪能力[6]。崔小兵[7]通过对6根CFRP加固钢筋混凝土梁抗剪试验研究,对CFRP加固梁后抗剪破坏特征、抗剪承载力以及其影响因素进行分析,并提出碳纤维布用于钢筋混凝上梁抗剪承载力的计算公式。在梁的受剪区粘贴CFRP可以有效延缓剪切斜裂缝的扩展,梁的刚度提高,跨中位移减少,加固梁的抗剪承载力也提高,特别是对剪跨比大、箍筋配筋率低的梁加固效果较好,抗剪能力提高幅度可达13%-49%。
(3)抗震加固性能。钢筋混凝土柱最常见的一种破坏形式是脆性剪切破坏,用CFRP布包裹混凝土柱进行加固补强,构件在加固后其破坏模式从脆性剪切破坏转换成延性弯曲破坏。文献[8]对CFRP加固圆形截面混凝土短柱的抗震性能进行了研究,表明CFRP加固混凝土短柱后其抗震强度、延性和承载能力都得到显著的提高。包裹CFRP布层数越多的短柱,其滞回环越丰满,所包围的面积越大,表明材料的耗能能力越大,对加固结构的延性的提高就更明显。当包裹CFRP布超过在一定的层数时,短柱由于核心区域混凝土被压碎其承载能力提高很小,但构件的延性和材料的耗能能力仍然可以得到比较明显的改善。赵彤[9]等对4片CFRP布加固砖砌体在周期反复荷载作用下进行了受力性能的试验,研究了碳纤维布加固砖砌体的受力特性,定性分析粘贴CFRP布来增强砖砌体结构抗震能力的有效性,以及碳纤维布的用量和贴布方式等因素对砖砌体抗展加固效果的影响。并提出了碳纤维布加固砖砌体抗剪承载力的简化计算方法。
3 结语
高性能CFRP对既有加固的加固修复技术,尤其是在基础设施的结构加固补强方面,早已经成为世界各国土木工程行业关注的一大热点,该技术在复合材料产业拥有极其广阔的市场前景。
参考文献
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CFRP布加固 篇5
关键词：弹性模量,受压区高度,配筋率,初应变,内力臂
现有公路铁路上正在服役的各类桥梁中存在着大量的桥梁需要加固。随着新材料的发展, 复合纤维材料加固修复混凝土受弯构件作为一项新型结构加固修复技术, 已成为工程加固技术研究的一个热点。尽管CFRP在物理特性、施工工艺等方面具有较大的优势, 但从己经完成的试验研究结果的统计来看, 相当一部分外贴的FRP材料在试验中并未充分发挥其高强的特征, 或是混凝土先于其发生压坏, 或是粘结介面发生剥离破坏。传统的粘钢加固由于钢板弹性模量大、屈服强度低, 一般均可达到屈服, 即材料强度可得到充分利用, 而FRP材料一般弹性模量较低、极限强度高, 必须经过充分的变形才能充分利用其强度, 因此采用外贴CFRP卫加固法则不可避免的存在加固效率的问题。
1 加固后截面相对受压区高度与FRP片材有效强度利用率
外贴FRP加固混凝土受弯构件常出现FRP材料强度难以充分发挥的情况, 从而影响加固效率。大量的试验研究己经证实:混凝土开裂以后, 采用外贴法加固后的混凝土受弯构件仍可以采用平截面假定进行计算, 平截面假定计算模型的合理性在规范中也得到证实[1]。故受弯构件极限状态时, 按平截面假定则有:
当受拉片材首先达到容许拉应变:
ε=[ε] (1)
当受压区混凝土首先达到极限压应变
undefined
图1为根据 (1) 和 (2) 式计算所得的粘贴CFRP加固法对应不同的加固后截面相对受压区高度时
FRP片材有效应变, 其中FRP的容许拉应变[ε]=0.01。由图1中可见, 加固后的钢筋混凝土构件在对应承载能力极限状态时的FRP片材有效应变, 主要依赖加固后截面相对受压区高度。在截面相对受压区高度较小的情况下, 由于构件的延性较好, 截面在极限承载能力状态时的曲率变形较大, 受拉区加劲材料的变形发展也比较充分, 可以获得较高的FRP片材有效应变;相反, 在截面相对受压区高度较大的情况下, 随着极限状态时截面相对受压区高度的增加, FRP片材的有效应变也随之锐减。
当截面相对受压区高度取某一特定值时, 构件达到受弯承载能力极限状态, 受压区混凝土达到极限压应变与外贴FRP片材达到其容许极限拉应变同时发生, 此即为两者之间的临界状态, 此时对应的受压区高度称为界限受压区高度ξj。从图1不难看出, 临界FRP片材相对受压区高度外对于C30-C50混凝土基体, 当采用容许应变[ε]=0.01的碳FRP片材时, 界限受压区高度ξj在0.19~0.20之间, 这表明只有在加固后的构件的截面相对受压区高度小于该值的情况下, FRP片材材料的强度才能够得到比较充分的发挥。
设材料的强度利用率为:
λ=ε/[ε] (3)
从图1的分析可以看出, 当ξh>ξj时, 片材强度利用率λ随加固后受压区高度ξh的变化十分敏感, 例如对于C50混凝土, ξh=0.2时, λ=1;而当ξh=0.32时, λ=0.5。
2 截面相对受压区高度与新增力偶内力臂对比分析
加固后新增的受弯承载力实际上为加固后FRP片材与新增的混凝土受压区组成的力偶, 其大小不仅取决于力偶中力的大小, 也取决于力臂的大小。而影响新增力偶力臂大小的主要因素也为截面相对受压区高度, 截面加固后各部分内力平衡方程如下所示:
ΔN=ΔNc=σA=fcbx2
ΔM=l×ΔNc;l=h-x1-x2/2 (4)
注x1, x2分别为加固后拉区钢筋对应等效混凝土受压区高度和外贴FRP片材对应等效混凝土受压区高度。
从式 (4) 可以推导出:新增力偶内力臂l随x1, x2的增加而减小, 而这一规律正是许多试验研究中所证实的加固效率随截面配筋率的增大或FRP片材材料用量的增加而下降的证明[2,3]。
3 参数分析
表1所示为一矩形截面600×1000mm2钢筋混凝土梁, 采用外贴CFRP粘结加固, 对应不同初始参数和加固参数条件下的加固前后截面相对受压区高度ξq, ξh、FRP片材有效应力σ、新增弯矩内力臂l。新增弯矩绝对值ΔM、相对承载力增长率β=ΔM/Mq之间的关系 (Mq为加固前承载力) 。其中, 混凝土等级为C50, 普通钢筋为HRB335热轧钢筋, 保护层厚度为40mm, CFRP弹性模量E=200GPa, 容许拉应变[ε]=0.01。
从表1中可以看出, 随着加固前截面相对受压区高度的增大 (原结构配筋率增大) , 极限状态时外贴FRP片材有效应力以及新增力偶内力臂均随之减小, 在对应相同的外贴CFRP用量 ( (l}-4工况) , 其承载力的提高幅度不断降低, 即使保持FRP片材用量与原配筋率之间比例变化的情况下 (5. 2, 6. 7工况) , 其承载力的相对提高幅度也不断降低。工况5, 2, 6, 7中承载力的绝对增量先增加后减少, 这主要是由于工况5中为CFRP达到容许拉应变控制受弯破坏, 其有效应力为定值。同时, 对比工
况2. 6, 7可以看出, 在加固后截面相对受压区高度大于临界FRP片材受压区高度赢= 0.198时, 即使保持FRP片材用量与原配筋率之间比例变化的情况下, 增大的FRP片材用量仍不能提高承载能力的绝对幅度, 这充分表明了截面相对受压区高度对加固效果的显著影响。
4 初应变的影响分析
外贴复合FRP片材加固既有混凝土桥梁总是基于一定恒载上进行的。由于恒载的作用, 必然在原结构中产生恒载初始应力。相对于加固时的状态, 外贴片材中并没有分担任何应力, 只有进一步增加受荷时, 粘贴的材料才承担新荷载引起的应力, 在受力机制上存在一定的滞后效应。初应变问题在本质上是一个二次受力问题。但与外贴钢板法不同, 粘贴FRP加固法的初应变问题不仅仅是受力上的滞后问题。在达到承载能力极限状态时, 外贴钢板往往已经屈服并保持为屈服应力, 并不存在初应变对加固后极限承载力的影响, 而FRP材料自始自终表现为线弹性, 初应变的存在则可能影响加固后承载力的大小。采用外贴CFRP进行加固时对应不同初应变条件下的M~φ法[4]计算对比分析结果;其中截面形状为400mm×600mm, 梁体混凝土等级为C30, HRB335热轧钢筋, 配筋率为2.2% , CFRP配筋率为0.44%。由表2可知:相对于未加固状态, 加固后的截面弯矩增幅分别为34% 、27%, 若将这种初应变引起的不利影响与截面总体承载力相比, 相差则仅为8.2%, 总影响没有超过10%, 在工程不计这种因素的影响是允许的。
由此可见, 初应变的存在会显著降低直接粘贴CFRP加固法的加固效率, 但由于加固本身引起的承载力增量与原有承载力相比比重不大, 若将这种对承载力增量的不利影响再与截面最终获得的极限承载力相比, 其所占的比重就更小, 其本质是将该不利影响值除以一个较大的基数而造成的。所以初应变对加固结构整体承载力影响不大。
相对受压区高度ξ是衡量截面尺寸、配筋率、钢筋混凝土强度的综合系数, 外贴FRP布受加固后的相对受压区高度ξH影响很大, 当加固后的ξh小于0.19~0.2即材料的界限受压区高度ξj时, 梁体结构受拉破坏, FRP的应变达到极限, 加固效率很高;当加固后的相对受压区高度大于ξj时, 梁体结构逐渐转换为混凝土受压破坏, 受拉区的FRP的应变随ξh的变大进一步被限制, 加固效率随之降低。初应变对加固效率有所降低, 但影响值较小;同时由于外贴FRP对结构承载力提高需要其变形才能体现, 所以对提高结构刚度没有贡献, 故对变形已经很严重的旧桥加固时, 外贴FRP片材的方法要慎用[4]。
参考文献
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CFRP布加固 篇6
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
参考文献
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CFRP布加固 篇7
碳纤维复合材料CFRP因具有强度高、施工简单、质量轻、耐腐蚀等优点被广泛应用于工程结构加固,尤其是对混凝土梁抗弯承载力的加固。常见的CFRP加固方法主要包括:外贴CFRP法(EB-FRP)、表面内嵌法(NSM)和机械锚固法(MF-FRP)。
CFRP布加固钢筋混凝土梁最常见的方法是将CFRP布粘贴在钢筋混凝土梁的受拉一侧,称为外贴法。外贴法的主要工作原理是通过胶结材料将CFRP布与混凝土粘结成为一个整体共同承受荷载的作用,以提高结构的承载能力。外贴CFRP方法可有效提高梁的极限承载力和刚度。但外贴CFRP法加固后易发生剥离破坏,尤其在进行多层粘贴时,破坏形态属于脆性破坏,降低了加固效果[1]。
表面嵌固法(NSM-FRP)是最近发展的一种FRP加固方法。即在混凝土表面开槽嵌入树脂后,粘贴FRP片材进行加固。但NSM-FRP方法需要复杂的表面处理,为放置和粘贴FRP需准备合适的槽[2]。此方法的缺点是在施工过程中,锯片开槽很可能切断构件钢筋,因此在开槽技术得不到改进的情况下,表面嵌贴法无法得到广泛应用。
采用机械连接加固方式,用一种特殊的“枪”把钉子穿过FRP打入混凝土,使FRP片材和混凝土更好协同工作,称作机械锚固法[3],然而这种方法只是用于抗剪能力很强的特殊FRP片材,一般的FRP材料很容易发生剪切破坏,即使抗剪能力强的FRP材料仍然存在着劈裂并且使用寿命较短。为了判断桥梁结构是否出现损伤状况,且要确定损伤的位置和程度,很多学者构造了各种各样的用于损伤识别的损伤指标,而柔度差法基于桥梁结构自身的特点被较为广泛地应用。
2较优加固方法
卓静等[4]提出了针对FRP片材的夹具和锚具——波形齿夹具锚,主要由上波形齿板、加劲波形板、下波形齿板和压紧及锁定装置等组成。依靠压紧及锁定装置将FRP片材夹持并锚固于上、下波形齿板及加劲波形板之间。
结果表明,对CFRP布两端都采用波形齿夹具锚进行锚固后,CFRP布的粘贴层数可达10层,CFRP布的强度可以得到充分的发挥,取得显著的加固效果。
吴宇飞等提出将外贴法与机械锚固法相结合对CFRP布进行锚固的新技术,称为复合粘结技术。该技术采用一种新型的锚固件(锚固件由1个钢板和2个锚钉组成)对粘贴在混凝土表面的CFRP布进行锚固。
结果表明,复合粘结技术可以有效地提高粘结强度,使梁的极限承载力得到显著提高,其中只粘贴2层CFRP布的参考梁发生CFRP布的剥离破坏;粘贴2层和4层CFRP布并进行锚固的梁最终发生CFRP布拉断破坏。
在吴宇飞的复合粘结技术基础上,胡程鹤[6]提出新型复合锚固技术,该技术由机械锚固法和外贴纤维布法组成。该机械锚固装置由螺杆、钢片、螺母和垫片组成,如图1,图2所示。试验结果表明,采用新方法纤维布最终被拉断,利用率接近100%,纤维布可粘贴到4层被拉断。
石昌文[7]为解决纤维布剥离后不能使用的问题提出了一种新的端部锚固方法,即将FRP布两端缠绕在铁片上然后用螺栓把铁片固定于混凝土梁的支座处,如图3所示。结果表明纤维布虽然剥离仍可依靠两端锚固继续承载直至被拉断,同时延性也得到提高。
3结语
随着科学技术飞速发展,各种CFRP加固方式逐步成熟,为工程应用提供诸多方案。根据不同的加固要求,采取有效并尽可能节约成本的加固措施。
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