混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)碳纖維布加固鋼筋混凝土T梁的試驗(yàn)研究43

報(bào)告內(nèi)容?混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

1.混凝土結(jié)構(gòu)加固的意義

2.混凝土結(jié)構(gòu)加固方法

??碳纖維布加固鋼筋混凝土T梁的試驗(yàn)研究一.混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)

?1.混凝土結(jié)構(gòu)加固的意義1.1我國建國后修建的大批房屋已接近甚至超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,而且由于以往的研究工作對結(jié)構(gòu)耐久性重視不夠,使許多建筑雖屬中年,卻已未老先衰。有些結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件,在其正常使用年限內(nèi),由于改建、擴(kuò)建、用途變更,結(jié)構(gòu)的損傷老化、鋼筋的腐化侵蝕以及設(shè)計(jì)與施工上的缺陷等原因,造成結(jié)構(gòu)不能滿足功能要求,必須對其采取有效措施,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固。類似的情況同樣存在于道路橋梁等工程中,隨著交通事業(yè)的飛速發(fā)展,在我國現(xiàn)有公路橋梁中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低,難以滿足目前重交通的需求。如將這些橋梁全部拆除新建,不僅時(shí)間上不允許,而且耗資較大。采取有效的加固措施,提高其承載能力與延長使用年限,使其滿足交通量增長的需求,必將給國家?guī)盹@著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2一般在下列情況對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定和加固:1)由于使用不當(dāng),年久失修,結(jié)構(gòu)有損傷破壞等不能滿足使用要求或安全度不足時(shí),要進(jìn)行鑒定加固.2)由于設(shè)計(jì)和施工中發(fā)生差錯(cuò)引起工程質(zhì)量事故時(shí),對原結(jié)構(gòu)要進(jìn)行鑒定和加固.3)由于災(zāi)害性事件的影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂和破壞時(shí),需要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定和加固.4)對一些有歷史性建筑和有紀(jì)念意義的建筑進(jìn)行鑒定和加固5)當(dāng)對建筑物進(jìn)行改建，擴(kuò)建和加層時(shí)，需對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定和加固．?２.混凝土結(jié)構(gòu)加固的方法

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混凝土結(jié)構(gòu)的加固分為直接加固與間接加固兩類，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際條件和使用要求選擇適宜的方法和配套的技術(shù)．

?直接加固的一般方法有：1、加大截面加固法該法施工工藝簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，并具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)；適用于梁、板、柱、墻和一般構(gòu)造物的混凝土的加固；但現(xiàn)場施工的濕作業(yè)時(shí)間長，對生產(chǎn)和生活有一定的影響，且加固后的建筑物凈空有一定的減小。2、置換混凝土加固法該法的優(yōu)點(diǎn)與加大截面法相近，且加固后不影響建筑物的凈空，但同樣存在施工的濕作業(yè)時(shí)間長的缺點(diǎn)；適用于受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度偏低或有嚴(yán)重缺陷的梁、柱等混凝土承重構(gòu)件的加固。3、有粘結(jié)外包型鋼加固法該法也稱濕式外包鋼加固法，受力可靠、施工簡便、現(xiàn)場工作量較小，但用鋼量較大，且不宜在無防護(hù)的情況下用于600C以上高溫場所；適用于使用上不允許顯著增大原構(gòu)件截面尺寸，但又要求大幅度提高其承載能力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。4、粘貼鋼板加固法該法施工快速、現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，對生產(chǎn)和生活影響小，且加固后對原結(jié)構(gòu)外觀和原有凈空無顯著影響，但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平；適用于承受靜力作用且處于正常濕度環(huán)境中的受彎或受拉構(gòu)件的加固。5、粘貼纖維增強(qiáng)塑料加固法除具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐濁、耐潮濕、幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重、耐用、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，但需要專門的防火處理，適用于各種受力性質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和一般構(gòu)筑物。?間接加固的一般方法有：1、預(yù)應(yīng)力加固法該法能降低被加固構(gòu)件的應(yīng)力水平，不僅使加固效果好，而且還能較大幅度地提高結(jié)構(gòu)整體承載力，但加固后對原結(jié)構(gòu)外觀有一定影響；適用于大跨度或重型結(jié)構(gòu)的加固以及處于高應(yīng)力、高應(yīng)變狀態(tài)下的混凝土構(gòu)件的加固，但在無防護(hù)的情況下，不能用于溫度在600C以上環(huán)境中，也不宜用于混凝土收縮徐變大的結(jié)構(gòu)。2、增加支承加固法該法簡單可靠，但易損害建筑物的原貌和使用功能，并可能減小使用空間；適用于具體條件許可的混凝土結(jié)構(gòu)加加固應(yīng)用實(shí)例框架柱外包鋼加固碳纖維布加固（一）粘鋼加固混凝土技術(shù)特點(diǎn)：

加固機(jī)理

粘鋼結(jié)構(gòu)膠將處理后的鋼板粘貼在需要加固的混凝土構(gòu)件表面，使鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體共同受力。

適用范圍

正截面受拉區(qū)粘鋼加固

斜截面受剪區(qū)粘鋼加固

正截面受壓區(qū)粘鋼加固

負(fù)彎矩受拉區(qū)粘鋼加固

補(bǔ)強(qiáng)功能

抗震加固時(shí)，提供更大的側(cè)向位移能力、提高韌性及強(qiáng)度；增加（橋）梁、板、柱抗壓、抗剪、抗彎曲能力用于超負(fù)載補(bǔ)強(qiáng)；抑止裂縫成長，提高劣化混凝土強(qiáng)度及韌性，延長使用壽命。。

施工便捷兩個(gè)品種室溫固化觸變樹脂膠可以進(jìn)行構(gòu)件外部粘鋼加固和濕法外包鋼加固，承載快、抗疲勞、抗震動(dòng)。耐久性優(yōu)良的抗紫外線及環(huán)境老化.（二）碳纖維布加固混凝土碳纖維布圖碳纖維增強(qiáng)塑料(CarbonFiberReinforcedPlastics簡稱CFRP)加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)新興的結(jié)構(gòu)加固技術(shù),它是利用樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維材料粘貼于混凝土表面,從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。由于碳纖維材料具有質(zhì)輕、耐腐、高強(qiáng)及施工便利的特點(diǎn),近幾年,在加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用碳纖維加固混凝土技術(shù)特點(diǎn)高強(qiáng)、高效碳纖維拉伸強(qiáng)度超過3550MPa，拉伸彈性模量超過2.35*(10的5次方)MPa，與鋼筋的彈性模量相近，適合于混凝土結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)。

施工便捷碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，故可以在基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸的狀況下，發(fā)揮強(qiáng)大的補(bǔ)強(qiáng)效果。補(bǔ)強(qiáng)功能抗震加固時(shí)，提供更大的側(cè)向位移能力、提高韌性及強(qiáng)度；增加（橋）梁、板、柱抗壓、抗剪、抗彎曲能力用于超負(fù)載補(bǔ)強(qiáng)；保護(hù)混凝土及鋼筋免受處界環(huán)境（潮濕、腐蝕性介質(zhì)）侵蝕；

抑止裂縫成長，提高劣化混凝土強(qiáng)度及韌性，延長使用壽命。耐久性優(yōu)良的抗紫外線及環(huán)境老化。適用范圍

可廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的梁、柱、板、墻等構(gòu)件及鐵路公路橋梁、遂道、高架道路、煙囪等構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和抗震加固?？捎糜谇肮?jié)點(diǎn)等復(fù)雜形式的結(jié)構(gòu)加固。預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土

T形梁的試驗(yàn)研究

摘要:采用自行研發(fā)的碳纖維布預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備,模擬實(shí)際工程情況,通過7根預(yù)應(yīng)力碳纖維布受彎加固梁的受力性能試驗(yàn)研究,比較分析了不同加固量、預(yù)應(yīng)力度、配筋率、二次受力等因素對試驗(yàn)梁受力性能的影響。試驗(yàn)梁為7m跨度的大尺寸T形混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁。試驗(yàn)研究表明,采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固可以有效提高混凝土梁的承載力,減小梁的撓度和裂縫寬度,所研發(fā)的預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固技術(shù)可用于實(shí)際工程。關(guān)鍵詞:碳纖維布混凝土T形梁加固0．引言由于材料劣化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高、車輛超載、設(shè)計(jì)或施工欠缺等因素的影響,目前大量的橋梁結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行維修和加固[1~2]。碳纖維布具有強(qiáng)度高、密度小、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1~4],通過粘結(jié)材料粘貼在混凝土構(gòu)件表面,可增強(qiáng)其抗震性能,提高抗剪和抗彎承載力等,目前已在混凝土結(jié)構(gòu)工程加固領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[11~12]。其中工程中應(yīng)用較多的是將碳纖維布粘貼在混凝土梁受拉面來增強(qiáng)其抗彎承載力,但是這種加固方法存在以下問題:1)碳纖維布高強(qiáng)度的特性往往在受拉鋼筋屈服后才得到發(fā)揮[5~8],雖然對極限受彎承載力有明顯的提高效果,但此時(shí)梁的撓度變形已很大,不能滿足正常使用要求,因此這種極限承載力的提高作用實(shí)際上很難獲得有效利用。2)由于碳纖維布的加固截面面積不大,對梁的剛度提高作用不顯著,不能有效減小梁的撓度變形和裂縫寬度。3)由于碳纖維布和粘貼界面之間的有限粘結(jié)作用,最終往往出現(xiàn)碳纖維布的剝離破壞,使碳纖維布的強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮,大大降低預(yù)期加固效果[5~8]。預(yù)應(yīng)力技術(shù)已廣泛用于工程結(jié)構(gòu)加固,其原理同樣可用于碳纖維布加固混凝土梁。采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固可以平衡梁的一部分荷載,有效減小混凝土梁的撓度變形,延緩梁開裂,減小裂縫寬度,進(jìn)一步提高梁的承載力,并可避免剝離破壞[1~4,9]。預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方法在理論上是可行的,且國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁已進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究[1~4,9],加固效果顯著。但試驗(yàn)均是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)規(guī)模小,更主要的是這些碳纖維布張拉設(shè)備大都無法直接應(yīng)用于實(shí)際工程。本文主要面向?qū)嶋H工程應(yīng)用,研制開發(fā)了碳纖維布預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備和施工技術(shù),并模擬實(shí)際工程情況進(jìn)行了7根預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的大型T型混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗(yàn),對不同加固量、預(yù)應(yīng)力度、配筋率、二次受力等因素進(jìn)行了研究。1．試驗(yàn)概況本次研究共設(shè)計(jì)了7根試驗(yàn)梁,其中5根為混凝土梁,2根為預(yù)應(yīng)力混凝土梁。試驗(yàn)梁的長度7m,截面尺寸為b×h=250mm×600mm,翼緣=550mm×150mm,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30級。普通混凝土梁底部受拉鋼筋為3￠22,配筋率為0·80%;預(yù)應(yīng)力混凝土梁底部受拉鋼筋為2￠16,預(yù)應(yīng)力筋為2￠12.7高強(qiáng)鋼絞線,采用后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力,張拉控制應(yīng)力為0·75fptk。試驗(yàn)梁截面配筋見圖1。為了避免碳纖維布預(yù)應(yīng)力放張時(shí)碳纖維布的剝離,沿梁長度方向均勻布置碳纖維布U形箍,多層碳纖維布的加固采用長度遞縮的方式。部分試驗(yàn)梁加固方案見圖2。加載裝置如圖3(括號內(nèi)的數(shù)字為CB1梁數(shù)據(jù))示意。圖1試驗(yàn)梁截面配筋

a-普通梁;b-預(yù)應(yīng)力梁

碳纖維布采用圖4所示自行研制的張拉設(shè)備進(jìn)行張拉。該設(shè)備具有張拉(可雙邊張拉)、轉(zhuǎn)向、抬升、保持預(yù)拉力等功能,操作簡便,張拉效率高,張拉力大小可監(jiān)控,可直接應(yīng)用于工程[10]。試驗(yàn)鋼筋和碳纖維布的材料性能參數(shù)如表1所列,其中碳纖維布的力學(xué)性能參數(shù)為廠商提供,鋼筋力學(xué)性能參數(shù)為試驗(yàn)實(shí)測值?；炷敛牧蠈?shí)測參數(shù)值見表2。試驗(yàn)梁采用兩點(diǎn)集中加載,加載點(diǎn)間距1500mm,試驗(yàn)采用分級連續(xù)加載,并實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)全過程各種測量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)主要測量試件純彎段的混凝土、受拉鋼筋和腹板構(gòu)造鋼筋的應(yīng)變,沿長度方向碳纖維布縱向應(yīng)變,試件的跨中、支座和加載點(diǎn)下?lián)隙茸冃?并測量了正常使用階段裂縫寬度。本次試驗(yàn)主要研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土T形梁的效果,研究參數(shù)有碳纖維布加固量、預(yù)應(yīng)力度(定義為預(yù)拉應(yīng)力與極限強(qiáng)度比值)、加載歷史等。CB1、PB1梁為對比梁,采用普通碳纖維布加固,其他均采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固。各試驗(yàn)梁參數(shù)見表2。本文中的張拉設(shè)備,通過測量施加預(yù)應(yīng)力階段及正常使用階段預(yù)應(yīng)力損失的情況,詳細(xì)分析了預(yù)應(yīng)力水平、CFRP布加固梁、端部錨固、混凝土強(qiáng)度等因素對預(yù)應(yīng)力損失的影響,在沒有其他不利因素的情況下(比如環(huán)境大幅度惡劣變化等),本文的張拉設(shè)備張拉的CFRP布的預(yù)應(yīng)力總損失不超過其初始預(yù)應(yīng)力的17%,短期損失不超過14%。2試驗(yàn)結(jié)果分析2·1試驗(yàn)過程和試驗(yàn)現(xiàn)象以CB1梁為主簡要說明試驗(yàn)過程和試驗(yàn)現(xiàn)象,其他試驗(yàn)梁在加載中的表現(xiàn)與CB1梁類似,只是最后的破壞狀態(tài)有所區(qū)別。CB1梁為普通CFRP布加固鋼筋混凝土對比梁,加固量為Acf=110·22mm2(3層T30型)。開始加載時(shí),荷載-應(yīng)變(CFRP布、混凝土、鋼筋)基本呈線性關(guān)系增長。加載至22·44kN(指單側(cè)荷載,下同)時(shí),跨中腹部出現(xiàn)裂縫①(相應(yīng)純彎段彎矩Mcr為56·10kN·m,該值由M-f關(guān)系曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)和混凝土荷載-應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)折點(diǎn)綜合確定,肉眼觀測到裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載為24kN)。隨著荷載不斷增加,陸續(xù)出現(xiàn)其他裂縫,并在純彎段加載點(diǎn)下出現(xiàn)兩條主裂縫③、⑤,加載至70kN(相應(yīng)純彎段彎矩為178·5kN·m)時(shí),剪彎段出現(xiàn)彎曲裂縫,見圖5。荷載繼續(xù)增加,裂縫寬度和高度不斷發(fā)展。荷載達(dá)到116·7kN(相應(yīng)純彎段彎矩My=300kN·m處)時(shí),受拉鋼筋屈服,撓度變形顯著加快。當(dāng)荷載加至120kN(相當(dāng)于純彎段彎矩306kN·m)時(shí),開始聽到梁底有明顯的膠層剝離的聲音。隨著荷載的繼續(xù)增加,膠層剝離區(qū)域擴(kuò)大,裂縫寬度明顯增大,變形迅速發(fā)展。最后的破壞在左側(cè)加載點(diǎn)下③號裂縫附近,為梁底CFRP布從混凝土表面的剝離破壞,同時(shí)同一位置梁的背側(cè)GFRP布U形箍被梁底CFRP布剝離引起的拉力橫向拉斷剪壞,部分未剪斷部位橫向側(cè)移錯(cuò)動(dòng)1~2cm。破壞時(shí)梁頂混凝土未壓壞,為典型的受彎剝離破壞,如圖6所示。試驗(yàn)梁極限荷載Pu=186·42kN,極限彎矩Mu=475·38kN·m。其他試驗(yàn)梁的破壞照片如圖7所示?？梢钥闯?普通CFRP布加固梁(CB1梁和PB1梁)最終均表現(xiàn)為剝離破壞,其中CB1梁剝離破壞時(shí)梁底CFRP布應(yīng)變?yōu)?1166×10-6;PB1梁剝離破壞時(shí)梁底CFRP布應(yīng)變?yōu)?3120×10-6,剝離發(fā)生的同時(shí)伴隨著CFRP布局部被拉斷。而所有采用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的試驗(yàn)梁,最終梁底CFRP布均被拉斷,CFRP布的高強(qiáng)性能得到充分利用。2·2主要試驗(yàn)結(jié)果各試驗(yàn)梁試驗(yàn)實(shí)測開裂、屈服和極限荷載以及破壞形態(tài)列于表3。由表3可以看出,普通碳纖維布加固的對比梁(CB1梁和PB1梁)最終均表現(xiàn)為剝離破壞,而采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的試驗(yàn)梁,極限狀態(tài)均表現(xiàn)為碳纖維布被拉斷破壞,碳纖維布的高強(qiáng)性能得到充分利用。由表3還可以看出,與對比梁相比,預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載均有相當(dāng)程度的提高。其中CB3梁配筋率較大,使得承載力較同組其他梁高。CB4梁開裂荷載為未加固預(yù)裂試驗(yàn)實(shí)測開裂荷載,與對比梁CB1相比,開裂荷載較低,但是預(yù)應(yīng)力加固后屈服荷載與CB5梁相當(dāng),表明二次受力對屈服荷載和極限荷載影響并不很大。但CB4梁的極限彎矩較大,這與極限狀態(tài)時(shí)碳纖維布發(fā)揮程度有關(guān)。達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)碳纖維布實(shí)測承載力列于表4中,可見CB4梁碳纖維布的實(shí)際極限應(yīng)變(14472×10-6)比CB5梁(12354×10-6)大,這可能與CB5梁碳纖維布預(yù)應(yīng)力張拉導(dǎo)致碳纖維布受力不均勻而使得其名義極限強(qiáng)度降低有關(guān)。此外,CB4梁與CB5梁相比,跨中U形箍多了一層,使得CB4梁跨中碳纖維布得到更充分的發(fā)揮。第二組試驗(yàn)梁PB1梁、PB2梁的加固量相同,PB2梁與PB1梁相比,開裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有大幅度的提高,預(yù)應(yīng)力加固效果非常明顯。3結(jié)語1)采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁,碳纖維布的高強(qiáng)度性能能夠得到充分發(fā)揮和利用,極限承載力提高更為顯著。2)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁最終破壞均表現(xiàn)為梁底碳纖維布被拉斷,避免了剝離破壞的發(fā)生。3)與普通碳纖維布加固相比,預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁可以延緩開裂,減小試件撓度和裂縫寬度,提高屈服荷載,從而可以滿足正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。對剛度和裂縫的影響程度與預(yù)應(yīng)力度、加固量、配筋率、構(gòu)件應(yīng)力歷史有關(guān)。4)采用U形碳纖維布箍可避免預(yù)應(yīng)力碳纖維布放張時(shí)局部應(yīng)力集中造成的局部剝離,在碳纖維布U形箍基礎(chǔ)上再增加一層玻璃纖維箍,可進(jìn)一步有效延緩和控制破壞的脆性,并且可使得梁底預(yù)應(yīng)力碳纖維布的應(yīng)力發(fā)展更加均勻,強(qiáng)度得到更充分的發(fā)揮。參考文獻(xiàn)：[1]LessJM,WinistorferAU,MeierU.ExternalPrestressedCarbonFiber-ReinforcedPolymerStrapsforShearEnhancementofConcrete.JournalofCompositesforConstruction,2002(12)249~265[2]GardenHN,HollawayLC,ThorneAM.TheStrengthingandDeformationBehaviourofReinf