（道路与铁道工程专业论文）碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究.pdf

摘要 碳纤维增强翅料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ；简称c f r p ) 加固混凝土结构，是近年 来逡现豹一秘灏豹加固方法，凄予其具有缀蔫兹强度、瓣瘸镀、藏王蠖捷、咒乎不改变结梅 原有尺寸等特点，得弱广泛的应用，具裔良好的经济效箍。 在前人研究成果的基础一上二，本文对碳纤维布加固钢筋混凝士粱的锚固性能谶行了研究， 熏点考虑了u 形麓豹位景、数量、幅宽及阍距等因素对纵超纤维锚翻性毙鹩影昀，提出了麓 荦蠢效的鼹麓锵豳措施。 对碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了试骏，考察了混凝土强度、配筋率、纤维 糍贴量等因素对极限承载力的影响，同时对碳纤维加嗣后梁的裂缝、变形进行了分奇厅；验证 了凝纾维翔蠢镪簦演凝褐牛币截瑟受毒承载力诗葵鬓论，修正了凝纾维受弯诗繁辑减系数， 掇出了能用于实际工程设计的承载力计算方法。 此外，本文还利用a n s y s 软件对碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯试验从加载剿最后破坏 遴嚣了全遵翟辏囊分聿厅，并联缮了较为嚣惑瓣结象。 关键词：锚固；抗弯加围；极限承裁力：挠度 a b s i r a c r s t r e n g t h e n i n gc o n c r e t es t r u c t u r ew i t hc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( c f r p ) i san e w s t r u c t u r a lr e p a i rm e t h o di nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fi t sh i g hs t r e n g t h ，r e s i s t a n c et oe l e c t r o c h e m i c a le r o s i o n ，l o wm a n p o w e rd e m a n df o ra p p l i c a t i o na n dm i n i m a lc h a n g e si n g e o m e t r i c a l d i m e n s i o n so ft h em e m b e r t h em e t h o dh a sb e e nf o u n dt ob ee c o n o m i c a la n de f f i c i e n tf o r a p p l i c a t i o n b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k ，w es t u d i e dt h ea n c h o r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t ht h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，e m p h a s i z e do nt h ee f f e c t s o fp o s i t i o n ，q u a n t i t ya n ds p a c ee t co fu h o o po fc f r po nt h ea n c h o r a g ep r o p e r t yo fl o n g i t u d i n a lc f r p ，a n dg a v e s i m p l ee f f i c i e n c ya n c h o r a g em e a s u r et oa v o i dt h es u d d e nd e b o n d i n g f a i l u r e i nt h i sp a p e r ，t h eb e n d i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t ht h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，w e r et e s t e d t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc o n c r e t es t r e n g t h ，r e i n f o r c e m e n tr a t i oa n dt h en u m b e ro fc f r pe t c a d d i t i o n a l l y ，t h es t i f f n e s sa n dc r a c kp e r f o r m a l i c eo ft h ea b o v et e s t e da r ea n a l y z e d n o r m a ls e c t i o nf l e x u r a l l o a d b e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e a m ss t r e n g t h e n e d 、v i mt h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i ci sv a l i d a t e d ，a n dc o r r e c t e dt h ed i s c o u n tq u o t a t i o no fb e n d i n gc a p a c i t yo fc f r p f i n a l l y ，t h ec a l c u l a t em e t h o do fl o a d - b e a r i n gc a p a c i t yc a nb ea p p l i e di nr e a le n g i n e e r i n gi si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n to fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( r c ) b e a m ss t r e n g t h e n e dw i t ht h e c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i ci sm o d e l e dw i t ht h es o f t w a r eo fa n s y s ，a n dt h eo u t c o m ec o r r e l a t e sw e l lw i t he x p e r i m e n td a t a k e y w o r d sa n c h o r a g e ；f l e x u r a ls t r e n g t h e n i n g ：b e a r i n gc a p a c i t y ：d e f l e c t i o n 碳纤维加蚓钢筋混凝士梁抗弯性能的试验研究 i 绪论 1 1 引言 钢筋混凝土梁是建筑工程中广泛应用的主要构件之一，由于材质的不断劣化、结构设计 或施工上的失误、使用荷载的改变、抗震设计标准的提高等原因，都会使钢筋混凝土梁的强 度和使用性能不能满足要求，急需对这些建筑物进行诊治处理，目i j i ，对钢筋混凝土结构进 行修复加固已成为一项重要任务。传统。1 的加固方法，包括增大截面法、预应力加固法、补 加受力筋法、粘贴钢板加固法、改变结构受力体系等方法，由于耐久性、施工能力、经济条 件等要求，在实际工程中这些方法受到限制。近年来，逐渐兴起了利用碳纤维增强塑料( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c 简称c f r p ) 加固混凝土结构的方法，c f r p 在加固增强工程中的 应用一直是国内外土木工程界，特别是桥梁工程界研究的热点问题，和传统的结构加固方法 相比，具有明显的优势；”1 ，主要表现在： l _ 高强高效。由于c f r p 具有优异的物理力学性能，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，达到高效加固修补的目的。这对于抗震加固补强具有重要意义。 2 施工便捷，施工工效高，没有湿作业，不需要大型施工机具，无需现场固定措施，施 工占用场地少。成品的加固修补用碳纤维预浸料是一种单向或双向织物，其幅宽可以为2 0 c m 、 3 0 e m 、5 0 c m 、l o o c m 不等，长度为5 0 l o o m 卷，现场使用时可根据需要用剪刀或刀片将其任 意裁剪。不像钢板一样需要专门的切割工具。根据有关统计资料，同为粘贴加固法，粘贴碳 纤维预浸料法是粘贴钢板施工工效的4 8 倍。 3 碳纤维材料具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能。试验表明，c f r p 加固修补混凝土结构 有良好的耐腐蚀性能及耐久性能，可以抵抗建筑物遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。 使用浚种加固修补方法对结构进行处理后，不需要对加固后的钢结构进行定期防锈维护，节 省了大笔维修费用，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。c f e p 加固修补混凝土结构可以广泛地适用于各种类型( 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、供、壳、墩等) 的加固修补，且不改变结构形状及不影响结构外 观。这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其重要的是，对于一些大型土木工程 结构，如大型桥梁的桥墩、桥梁及桥板，隧道、大型简体及壳体结构工程等，采用旧有的加 固手段几乎无法实施，而采用该项加固技术却能很顺利地解决。 5 施工质量容易保证。从材料本身来讲，由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固结构的 1 东北林业大学硕士学位论文 表酾不是非常平蹩也能够基本保证较高的脊效粘贴率。游粘贴后发现局部有气泡，也很容易 修补，只需用树脂注射器注入气泡中，将空气赶走就可以了。而粘钢加固很难达到1 0 0 的有 效穗雉嚣，相应豹验收标毽逸只要求达到7 溉裁哥双了。 6 对结构的影响小。碳纤维材料质量轻且厚度薄，卡占贻后每平方米重量不到l 。o 千克( 包 括树脂重量) ，层粘贴后厚度仅0 1 m m 左右，加固修补后基本上不增加原结构的自重和原 续擒尺寸。 工程实践表孵，碳纤维槠籽能适应现代工程结擒向大跨、高耸、整载、高强帮轻质发展 以及承受恶劣祭件的需要，j 哿合现代施工技术的工业化黉求，因而雁被越来越广泛的应用于 轿粱、器类民用建筑、海洋魏近海、地下工程等结构中。 l 。2 国内外对f r p 加麟钢筋混凝土梁受弯性能的研究 1 9 8 2 年，m e i e r 等人“3 酋先在瑞士联邦材料试验室( e m p a ) 进行了c f r p 加固混凝土的试 验研究。k a i s e r ”1 等人根据试验结果指出：粘贴了c f r p 豹混凝土梁，平截面假定仍然是有效 酶，混凝土豹鸷翡装缝可爱导毁c f r p 板静耱藩，并提滋了一个与其试验结莱弼台较好懿分拆 模测。m e i e ra n dk a is e r 深入探讨了用c f r p 加固后混凝土梁的三种破坏模式。n a n n i 等人”“” 对外贴f r p 加i 司混凝梁的抗弯性能进行了研究，并对外贴f r p 板加固混凝土梁进行了参数 磅究，其影l 鸯参数包括：嵇餮鑫黢、f r p 类黧、f r p 厍凄、f r p 锾霞长度等。 r i t c h i e 等人 9 j 对g f r p 、c f r p 、a f r p 等复合材料加固后的混凝土梁进行了试验，并在 乎截面假定基础上提出了分析模型，对加固梁的强度和剐度进行了预测。a n 等人“”根据平截 瑟假定窝线弹搜聚袭力学麓谖，瓣旗戆复会褪辩f r p 熬潮滢凝粱嚣，f r p 援瓣瓣舞撬理蠢 承裁力提出了模型。d e s k o v i ca n dt r i a n t a f i l l o u “”对外贴f r p 加固后梁的破坏特征和承载 力计算进行了研究。其他一些学者“”1 也对外贴f r p 加阉后梁的破坏机理和承载力计算进行 了磺究。c l a r 麓人对f r p 撬套羹颈应力嚣热强漫疆土避季亍了试验磷突。s a a d a t m a n e s ha n d e h s a n i “”对外贴g f r p 加固涡凝土梁进行了试验研究，并与对g f r p 施加预应力后褥加固混凝 土梁的性能做了比较。 盘予努贴f r p 葳钢援热溺爱粱发生糖然酸嚣有薅侯楚不可避免豹，蓊显影嚷颡豢缀多， 所以，粘贴破坏一直是研究热点，a r d u i n i 等人“”对粘贴破坏的机避进行了试验研究和理论 分析。牛赫东等人”用有限元和断裂力学知i ； 分析了c f r p 布和混凝土之间的粘结滑移，另外 缀多学者。”。“1 钟对糙结破坏枫毽，承载力计簿遴 亍了试验磅究弱理论分事厅。 p l e v r i s “”簿人焉f r p 来翩固术结穗，并研究了其徐变性能。s h a h a w a y 等人汹1 对f r p 蕊 固聪混凝土结构的疲劳性能进行了研究。m a r s h a l l 等人。”3 对c f r p 加固钢结构及砌体结构进 行了褥究。s h a r i f 等人”对f r p 加固已承受一定穗载的结构的性能进行了研究。s e na n d s h a r i f 等人对c f r p 加固器荦中环境下滤凝结构的辩久惶进行了研究。e l - m i h i t m y 等人。” 2 碳纤维加嘲钢筋混凝士梁抗弯性能的试验研究 对c f r p 加固混凝土结构的挠度进行了研究和分析。 国内，中国国家工业建筑珍断与改造工程技术研究中心的岳清瑞等考虑二次受力时碳纤 维布加固混凝土构件正截面抗弯性能，提出了一种考虑二次受力时碳纤维抗弯加固承载力的 计算方法”“，同时根据不用受力状态下碳纤维布与混凝土问粘结性能的试验，统计分析了碳 纤维与混凝土之间粘结性能的变化规律，初步描述了碳纤维与混凝土之间的粘结机理，总结 认为对碳纤维布与混凝土之间粘结强度有很大影响的因素有粘结界面受力的形式、混凝土强 度等级、施工质量、材料性质和品种等。 同济大学的欧阳煜等。“在弹性理论的基础上分析了线性荷载作用下粘贴片材加固的钢 筋混凝土梁端粘结剪应力和最大粘结剪应力，提出了对最大粘结剪应力的影响因素及在均布 荷载和集中荷载作用下的剪应力计算方法。 东南大学的吴刚、吕志涛对用碳纤维布加固钢筋混凝土梁后的抗弯破坏特征、承载力及 影响因素进行了研究与分析，并提出了受弯承载力计算公式，供工程应用参考 = 6 。”，同时还 利用有限元分析程序进行了粘贴碳纤维加固时梁中粘贴界面应力的计算分析，发现在影响粘 贴界面应力的主要因素中，胶层越薄，胶层弹性模量越高，粘板端点离支座越远，粘板越厚， 粘板弹性模量越高，粘结应力就越大。 天津大学的赵彤、谢剑。“1 等也从1 9 9 7 年开始了对碳纤维材料在土木工程中的应用做了 深入的研究。通过试验研究了碳纤维粘贴量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响，认为可以将碳 纤维布面积等效成钢筋面积后参照( g b j i o 一8 9 ) 的正截面承载力计算公式进行计算。 清华大学的邓宗才。”1 ，通过试验证明：碳纤维前i 对于提高梁的抗弯承载力效果十分显著， 同时它对于增强梁的抗弯刚度也有良好的作用。用弹塑性截面分析法、非线性有限元法计算 了梁的承载力与挠度，理论计算值与试验值吻合良好。提出的截面分析法可用于计算碳纤维布 增强钢筋混凝土梁的承载力与挠度值。 吴智深等人”“3 对c f r p 施加预应力后再加固混凝土梁进行了试验研究。研究表明，该加 固方法对梁的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载等均有提高作用。他们还提出了张拉控制应力 的建议值，并初步丌发出能用于实际工程的张拉设备。 1 3 存在的问题及本文的主要研究内容 1 3 1 存在的问题 尽管粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土梁有许多优点，但是，从目前的研究成果和应用来看， 碳纤维用于加固钢筋混凝土受弯构件尚未解决的技术问题主要表现在以下几个方面“： 1 碳纤维与混凝土的极限粘结荷载尚需进一步研究 在对碳纤维与混凝土的极限粘结荷载进行试验及理论分析的基础上，需要对影响极限粘 乐北林业人学硕十学何论文 缝薅载翡嚣豢孛誊定量分毒嚣，劳建立裰凝糖结蕊载豹谤舞方法。 2 早期破坏的研究没脊定论 没有任何附加锚固攒施的碳纤维加固梁通常发生早期破坏，备种形式早期破坏的机理及 诗冀方法各菇，骞效豹瓣麓锾鑫攘憨潮嚣遗一步验诚。 3 截面受弯性能 不发生早期破坏时，正截面受弯承载力的计算方法已经得到公认，但对碳纤维材料强 度取萤列存程较大静差爨，正霞使用祭传下裂缝及变形验算迸鬟传避一步斡磷宠。 4 二次受力的问题 在既有结构的加固中，结构已经承受了部分荷裁，存在二次鼹力的问题。二次受力情况 下栩露粱豹性能寿其岛赛鲍特点，其掇狠承载力的计算方法与普邋加固梁不髑，翥要进行试 貔研究及理论分析。 5 预拉碳纤维加固 颈投碳纤维加固方法可有效豹提凝粱的开裂赞载、屈服荷载，改善使用搿载下的性能； 简时还可酶虎羰纤维裁离酸环的发垒。毽是预拉碳纤维纛珏霞豹施工工艺反热圈粱性蘸静氍究 成果很有限。 l 。3 。2 本文的主要研究疼容 本文的主要研究内容主要包括以下几个方面： l j 通过6 根碳纤维布加固钢筋混凝土梁的锚固试验，重点研究了碳纤维u 形箍的位置、 数量及闻疆等嚣素对缎患谈纾维毒罐强瞧麓斡影鹃，瓣采震碳纾维u 形箍镑潮疆窭了死点建 议。 2 在1 1 根碳纤维布加固钢筋混凝土梁的试验熬础上，对c f r p 加固钢筋混凝土的破坏 特征、各秘戮索对撅袋承载力熬影酮、剐菱帮裂缝形态斡变诬送行了磅究；蠡点研究了在燕 截面受弯承载力计算中，碳纤维受弯计算折减系数的取值；对碳纤维加固钢筋混凝土构件溅 截面的计算方法进行了修正。修正后的公式，计算出的结果与试验值误差更小。 3 ，运用a n s y s 软 孛对碳纾缝趣国镄麓混凝土梁抗弩实验从热簸到破坏进行了全过程仿真 分 厅，并取褥了较为理想的结果。 4 虢纾维翅蚓钢嫠滢凝土娑抗弯性能静试验职究 2 碳纤维的材料性能及施工工艺 本文耱阉锈签混凝主浆掰蘑碳纾维蠢及配套撵鹭耪精麴买于j k 岽安霾公司。辕绛维奄麓 连续、单向碳纤维织物、未经树脂浸渍固化的布状碳纤维制品。酉b 套树脂主要为环氧树脂， 按後用功髓翔分，分为底菇褥脂( a e c p ) 、朴孛辛籽( a e c l l l ) 、漫渍树糙( a e c r ) 。 2 1 纤维及配套树脂的材料性能 2 1 1 碳纤维材料 瑗纾缎片誊季采糟a e c 2 0 0 ，浚誊孝瓣的技术萑靛攒标觅袭2 一l 。 表2 - 1a e b 2 0 0 纤维片材性能指标 晶名 a e c 2 0 0 测试斑范 单位嚣积重g m 2 2 0 0a s t md 3 7 7 6j i sk 7 0 7 1 积屡扳抗拉强度n m m p l y 4 7 0a s t md 3 0 3 9j i sk 7 0 7 3 积屡扳弹性援链n m n p l y 2 5 8 0 0a s t md 3 0 3 9j i sk 7 0 7 3 积艨扳抗弯强度n m m 。 7 8 0a s t md 7 9 0 j i sk 7 0 7 4 竣诗捷控强痰n r a m 2 4 2 0 0 设计弹性模黛( e l f ) n r a m 22 3 5 1 0 1 设嚣簿度( t ) r a m p l y 0 1 1 0 伸k 率( e 。) 1 7a s t md 3 0 3 9j 1 8k 7 0 7 3 2 1 2 补土材料 采震a e c l l l 程秘，其淫熬指禄霭袭2 - 2 。 表2 - 2补土材料a e 0 1 1 1 项蟊蕊捂德溯试蕊范 抗压强度 5 0 n m m 2a s t e md 6 9 5 j i sk 7 2 0 8 抗拉强度) 1 8 n m m 2a s t m0 6 3 8j i sk 7 1 1 3 糨结强度 3 n m m 2 ( 且掘凝土破坏) j i sk 5 4 0 2 1 3 底漆 底漆材料采用a e c p ，葵往能指标见表2 - 3 。 零i 撼业火警硬士掌往论文 裘2 - 3 a e c p 耩糕性蘸撬檬 项目规格值测试规范 材质 温室磋亿蟹环氧树耱 混合麻初粘度 2 5 6 0 01 3 0 0c p sa s t md 2 3 9 3j i sk 6 8 3 3 可操作时间 2 5 c6 0 1 2 0m i na s t md 2 4 7 1 温度上升法 糙缝强度( 干燥表面) 3n m m 2 ( 姓混凝土破坏) j i sk 5 4 0 0 2 i 4 主涂材料 主涂材料采用a e c r ，a e c r 材料的性能觅表2 - 4 。 表2 4a e c r 性熊指标 项目规格值测试规范 聿葚囊澡室硬诧掇琢氧辩鼹 可操忭时间 2 5 6 0 1 2 0m i na s t md 2 4 7 1 温度上升法 淫台曩秘精覆 2 5 9 0 0 3 0 0 0c p sa s t md 2 3 9 3j f sk 6 8 3 3 抗张强度2 5 r h 6 5 硬化7 d 4 0 n m m 2 a s t md 6 3 8 j i sk 7 1 1 3 撬强系数2 54 cr + h 6 5 硬诧? d 3 0 0 0 n r r a s t b ld 6 3 8 j i sk 7 11 3 弯曲搬度2 5 r ，h 6 5 硬化7 d 8 0 n m a s t md 7 9 0i i sk 7 2 0 3 剪切强度2 5 r h 6 5 硬仡7 d l o n m 舻a s t md 1 0 0 2j i sk 6 8 5 0 不挥发份 9 9 j i sk 7 2 3 5 2 1 5 胶的配比 在常温条件下，胶的配合眈如下： ( 1 ) 底漆：a e c p a ：b = 1 0 0 ：3 5 ( 2 ) 补土；a e c i l l a ：b = i ：l ( 3 ) 主涂：a e c ra ：8 = i 0 0 ：3 5 2 2 施工工艺与步骤 耀碳纤缎加固漫凝构 孛对，主要工艺漉程见袭2 - 5 。具体簏工对注意魏下事项。 6 碳纤维加围钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究 图2 - 5 工艺流程图 2 2 1 准备工作 加固前应对混凝土构件尽可能卸载，保证碳纤维布的粘贴效果。 2 2 2 基面处理 a ) 基面处理 1 对混凝土粘贴面的劣化层( 如浮浆、风化层) 用角磨机认真清除和打磨。 2 基面突出部分要磨平，转角部位要做倒角处理。 3 强度等级较低的混凝土应凿掉，并用不低于原混凝土强度的环氧砂浆修补。 7 尔北林业大学硕士学位论文 4 裂缝要注入环氧树脂修补。 b ) 基面清沈 1 用钢丝刷除去表面的松散浮渣。 2 用压缩空气除去表面粉尘。 3 用丙酮或无水酒精擦拭结构表面，也可用清水清洗，但必须待其充分干燥后再进行下 道工序。 2 2 3 基面整平 对粘贴面上的不平整部位，用补土材料修补，以保证粘贴面平整，确保加固效果，待 补土材料硬化后，进入下一道工序。 2 2 4 涂刷底胶 1 按比例将底胶( a e c p ) 的a 和b 放入容器内，用低速旋转的方法搅拌均匀。一次调和 量应在可使用时间内用完，超过可使用时间绝对不能使用。 2 用滚筒或刷子均匀涂抹，特别是冬季，胶的粘度较高，不能涂得太厚。 3 底胶硬化后，若表面有突起部分，用角磨机或砂纸打磨平整，进入下道工序。 2 2 5 粘贴c f r p 1 c f r p 的下料长度，应在现场根据施工经验和作业空间确定，若需接长，搭接的长度应 根据具体情况而定，一般不得低于1 0 厘米。 2 c f r p 的下料数量以当天的用量为准。 3 将主涂( a e c r ) 胶按比例混合均匀搅拌，然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、拐 角处多涂一些。 4 c f r p 粘贴后，再在c f r p 的外表面涂刷一层a e c r 胶。 5 在确定粘贴部位无误后，用特制滚轮反复沿纤维方向滚压，去除气泡，以使结构胶充 分浸透碳纤维布。 6 粘贴两层以上的c f r p 时，重复以上工序。 2 2 6 表面防护处理 为保证胶的耐久性、耐火性等性能，可在表面涂抹砂浆或采取其它处理措施。 2 3 施工要求 1 温度要求 气温和结构体温度均在5 以上时方可施工，否则，应停止施工和养护工作，必要时可 8 壤妻手维热潮镪簸泓凝粱抗弯性魅鸵试验骚究 皴鸯蠢湛处理，羧确保澄废要求。毽结掩体滋凌与环境湿度靛温差不霹过丈，爨茨建产生魏箨 现缘。 2 瀑浚要求 施工两上有水分或湿度在8 5 以上时，必须停止施工。在雨天易结露的天气，应停止施 工佟韭。育潇东瑶象雾季，应韬实徽好丘承、导求处壤。 3 施工面平熬度要求 为确僳粘嵇效鬃。施工葫上不平整断瑟差要修整戮l 豢米懿内；舞转角修整谳豳孤要求 r 2 l o 毫米以上( 使用高模鬣型碳纤雄布时要求r = 2 0 毫米以上) ；内转角要修整到圊滑。 4 对底层树脂和浸渍树脂使用上的要求 粘度的调整tw 以采用加湿的办法处理，切不可用有机溶剂来稀释。主剂和硬化剂在混 台厢必须严守使用时问，麓过可使用时间的混合剂绝不可使用。 永北转业人学硕士学协论文 3 碳纤维布加固钢筋混凝土梁锚圈方式的试验研究 采用碳纤维布谶行抗弯加圆一般是将酸纤维布粘r 贻在爨拉酝，加固效巢的好坏与碳纤维 布和游凝之闻秸绪性畿的优劣是紧密相关豹。大量试验结莱“表唆c f r p 船霞混凝粱程正 缓瑟被坏之簿缀可麓会发生镶强酸辐：缳护蔗滢凝赘甥受控剥褰破辐、c f r p 与强凝之阗 艟糙结剥藏破坯( 对于最后一种破塥在牯结胶豹质量及施工质量有保证时是可以避免的) ，对 于保护层混凝土剪切受拉剥离破坏只有通过附加锚固攒施来解决。因此，锚固问题在c f r p 加 固混凝土梁中是一个非常关键的问题，锚固的好坏将赢接影响到加固的效果。 采用碳纤维u 形箍作为附加锚固具有对原结构影响小、施工简便快捷等优点，因此该附 加锚固方式在实际工程中应用最多。本文重点研究了碳纤维u 形箍的位置、数鬃及闻距等困 索对缀向碳绎绻南锈露 垒髓静彰响。 3 1 试验概凝 3 1 。l 钢筋混凝梁设计 试件采用矩形截面简支粱，缀向受力钢筋2 审1 6 ，架立筋为2 垂8 ，剪篮区箍筋审8 1 0 ， 纯弯段箍翁审8 2 0 ，钢蕊保护层3 c m ，醚筋及截露尺寸翔图3 一l 掰示。 广 j i l l o培”确辩 f 碡 l 隧3 - 1 钢筋滏凝土粱配筋及氏寸示意图 3 1 2 钢筋和混凝土强度测试 袭3 - 1 钢筋性能指标 钢筋屈服强度( m p a )抗拉强度( m p a )弹性模置( m p a ) i 级钢牵1 64 0 55 6 52 0 1 0 5 f 级钢审83 6 04 5 02 1 1 0 3 表3 2 混凝童惶簸指标 l 粱号 a 榉醚一la 张一2a 鬻錾一3a 硼一4a 蓦鞋sa w m 6i i l 立方体强度( m p a ) 5 1 15 0 。75 4 。l5 1 15 3 。o4 6 2 i 淀：碳纤维布性8 指标她表2 - l 。 0 羰缍维期嘲钢簇混凝裟抗霹性能静试验研究 3 1 3 试件编号及锚固方式 试 孛缓号及缎裁碳纾缝悫豹镶露方式热漫3 - 2 爱踅3 - 6 疑暴 渡：i - i 瓣缀囱受挫璇绎维囊 图3 - 2a w m - i ( 无任何附加锚固措施) 7扩 剿蚓 智川舟】。93 寸) 】o2 u 町m7 f ”1 呼、f 2 l 币。 2 币1 h 嚣 皇：卜3 3 为应变片；3 4 - 2 0 0 m m 宽酸纤维u 形箍 3 5 1 5 0 r a m 宽碳纡维u 形箍；3 6 一i 层缎向爱 拙碳纤绒布 图3 - 3a w m - 2 ( 2 0 0 m 。 5 0 r a m 宽u 形碳纤维耱) 注；1 - 4 5 为艨变片；4 6 2 0 0 m m 宽骧纾绺g 形箍：4 7 1 5 0 m m 宽碳纾维u 形攮；4 8 1 燃缎寅受挝 碳纤维布 圈3 4 越转3 ( 3 6 - i 基纵鞠受拉碳终维毒) a w m 一4 ( 3 6 2 层纵阃受拉碳纤维布) 曩 h h | 一 hj m一；n。 j 】蔓 j 鱼堕二 盥一l 一 淀：l 一3 9 为斑变片；4 0 3 0 0 m m 宽碳纤维u 形箍 4 1 - 2 0 0 r m 竟酸纤维u 形箍：4 2 - i 层级向受 拉碳纤维布 圈3 - 5 硎一s ( 3 0 0 m r 、2 0 0 m 宽u 形碳纤维藏) 1 1 永l e 挞业大学颐= ：学位论文 77 巧玎彳 j 1型誊 * h i誓鞫 lll l i 1 ijlji l * 一+ _ i + 。i + _ +8 一 ” - j l ”n o o l 0 一“l j 一j ，_ j j 没：i - 5 4 为残变持：5 5 3 0 0 m m 宽u 碳纾维形箍；5 6 一1 0 0 m m 宽碳纤维u 形箍：5 7 5 0 m m 宽碳纤 维u 形箍；5 8 - i 屡纵向受拉碳纤维布 圈3 - 6a w m 一6 ( 3 0 0 m m 、1 0 0 洲、5 0 宽u 形碳纤维箍) 3 1 。4 试验装置及仪表布置 试验采用螺旋予厅顶加载，试验装覆及仪表意置憾况热图3 - 7 所示。 加载方式为两点加载，加载点为试验梁三分点，用分醮梁来实现两点加载，加载方案采 用分级加载方式，当试验梁接近开裂及屈服时，适当减少衙载增量，以便较准确的确定开裂 和屈服荷裁，每级葡载施加后稳定1 0 m i n 再采集有关数据。 根据试验瞬的，在试验遗程中用力传感器控制每级荷载：丽亥度放大镜蕊察裂缝出现、 开裂过程及裘缝形态，量测在使嗣祷载下裂缝蘸裂缝潮距及裂缝宽度。薅宅瓣应变片 l | | 羹涅 凝土鞍碳纾维戆应交，袋溺e ( 型稷控巡测仪进孬数据采集。 厅|n | 图3 - 7 试验装置及仪表带置示意图 3 2 试验结果分析 各试件的玻环形态如表3 - 3 所猁。 1 2 碳纤维加同钢筋混凝七粱抗弯性能的试验研究 3 - 3 试件的破坏形态 试件编号破坏形态 a w m 一1 纵向碳纤维与混凝士完全剥离 a w m 一2 右侧加载点至右侧u 形箍之间纵向纤维与混凝土完全剥离，右侧u 形箍处纤维局部拉断 a w m 一3 侧加载点处的碳纤维u 形箍左边缘内侧3 5 c m 处，纵向纤维高部拉断 a w m 一4 跨中纵向纤维自边缘局部拉断，未出现剁离现象 a w m 一5 在跨中右侧5 4 c m 处，碳纤维全部拉断梁在此处断裂 a w m 一6 纵向纤维从跨中剥离延伸剑在侧加载点，加载点处的u 形箍和箍下纵向纤维被局部拉断 a w m 1 主要是对比有无附加锚固措施对试验梁破坏状态的影响。试验梁纵向纤维与混凝 土完全剥离破坏，由此看出，没有任何附加锚固措施的碳纤维加固梁通常发生早期剥离破坏， 所以为了防止早期剥离破坏的发生，需要采取合理有效的附加锚围措施。 a w m 2 的用途主要是研究加载点处有无碳纤维u 形箍对破坏状态的影响。从试验梁的破 坏状态来看，由于右侧加载点处没有碳纤维u 形箍，导致右侧加载点至右侧碳纤维u 形箍之 间纵向纤维与混凝土完全剥离，而左侧未出现剥离破坏，由此可以看出，为了防止剥离破坏 的发生，加载点处的碳纤维u 形箍是必不可少的。 a w m 3 的主要目的是为了对比端部和加载点之间部分的碳纤维u 形箍宽度一定的条件下， 碳纤维u 形箍间距对锚固效果的影响。在右侧加载点处的碳纤维u 形箍左边缘内侧3 5 c m 处， 纵向纤维局部拉断，未出现碳纤维剥离破坏。 a w m 4 和a w m 一3 的锚固方式一样，主要是考虑碳纤维u 形箍对两层纵向纤维的锚固效果。 跨中纵向纤维自边缘局部拉断，未出现剥离破坏。 a w m 5 是为了考察加载点处的碳纤维u 形箍宽度对锚固效果的影响。a w m 一5 在跨中右侧 5 4 c m 处，碳纤维全部拉断，没有剥离现象发生，梁也在此处断裂，由此说明，3 0 0 m m 碳纤维 u 形箍能很好的防止剥离破坏的发生。 a w m 6 是和a w m 一3 、a w m 一4 、a 1 】| m 一5 对比加载点处的碳纤维u 形箍宽度对锚固效果的影响， 同时也考虑了加载点和端部之间的碳纤维u 形箍在碳纤维用量相同的情况下，碳纤维u 形箍 的宽度对锚固效果的影响。试验结果为纵向纤维从跨中剥离延伸到右侧加载点，加载点处的 u 形箍和箍下纵向纤维被局部拉断，从破坏状态可以看出，加载点处l o o m m 宽的碳纤维u 形 箍不能很好的防止剥离破坏的发生，同时也说明了碳纤维u 形箍宽度不要裁的太小。 3 3 本章小结 由锚固破坏试验现象我们可得出以下结论： 1 碳纤维u 形箍能有效地减少碳纤维剥离破坏发生的可能性。u 形箍应设置在弯矩和剪 1 1 东北林业大学硕士学位论文 力都比较大的部位，能有效地限制纵向纤维与混凝土之间的剥离，增强锚固效果，是简单而有 效的锚固措施。 2 加载点处的碳纤维u 形箍宽度为l o o m m 时，不能有效的防止剥离破坏的发生，建议加 载点处的碳纤维u 形箍不宜小于1 5 0 m m 。 3 在碳纤维量相同的情况下也并不是间距越小锚固效果越好，建议不要把碳纤维u 形箍 宽度裁的太小。 4 端部碳纤维u 形箍从加载到破坏的整个过程应力都很小，建议适当减少端部碳纤维u 形箍的高度。 5 关于粘结锚固破坏机理的试验分析尚需进一步研究。 基于本章试验研究的成果，对第四章抗弯试验梁提出了以下的附加锚固措施：在加载点 处弯矩和剪力最大，所以加载点处采用2 0 c m 宽的碳纤维u 形箍锚固，u 形箍的高度等于梁高； 考虑到端部u 形箍，从加载到梁破坏的整个过程中，u 形箍上的应变自始自终都很小，所以 适当减少u 形箍的高度，端部u 形箍采用2 0 c m 宽，高度沿梁高方向减少了l o c m ；从加载点 处u 形箍到端部u 形箍之间的距离为5 0 c m ，间距较小，所以没有设置碳纤维u 形箍。对于一 层和两层纵向纤维加固梁采用一层碳纤维u 形箍锚固，三层纵向纤维加固梁端部碳纤维u 形 箍一层，加载点处碳纤维u 形箍两层。 碳纾维加嘲钢簸淫凝粱抗弯性髓熟试验璎究 4 碳纤维加固钢筋混凝土梁的抗弯性能的试验研究 碳绎雏衣麴弱钢筋混凝粱在结稳热隧工程中澄极为广泛，稷应翡磷究成莱纛眈较多， 但也存在很多不足。本章在第三章碳纤维加固钢筋混凝土粱锚固方式研究的基础上，对碳纤 维嬲露钢筋混凝粱的受弯往靛避行了试骏研究。其体研究内容主要包摇： 1 j 加固詹混凝土构件承载力的变化； 2 漉凝土强度、醚筋率、碳纤维掰量、衷譬赔方式簿对极限承载力的影响； 3 加固后构件刚魔的变化； 4 加囤后构件裂缝形态的变化； 5 加固后构件豹皴坏形态； 6 加固后碳纤维材料的利用程度。 4 。l 试验概况 4 1 1 试件设计 试件采用矩形截面简支梁，分为两缀，截面尺寸均为b h = 2 0 0 m m 3 5 0 m m ，跨度 ? = 3 2 0 0 r a m ，净跨毛= 3 0 0 0 r a m ，混凝保护层3 0 r a m 。a 缎：纵向受力钢簸2 巾1 6 ，架立麓2 巾8 ，剪压鼠箍筋由8 1 0 ，纯弯段箍筋巾8 2 0 ；b 缎：纵向受力钢筋2 m 2 0 ，架立筋2 中8 ，剪 压联籀麓毒8 1 0 ，缝弯段簇筋垂8 2 0 。 试件的混凝土强度、纵筋布鬣、碳纤维面积及加固方式等具体参数见液4 一l ，各试件的 镶爨蜡藏积疲变片蠢置见鬟4 - 1 。 钢筋的性能指标见表4 - 2 ，试验中的碳纤维布性能指标见表2 - 1 。 图和1 试律镶嗣措施幂辩应銮片带羞蚕 塞北林业大学硕士学位论文 表4 - 1 试件主要参数 试传编号 ( 翻) a ) 纵餐配簸壤、玩碳野维垮度( 镕)碳纤缨宽度( )镬溅接熬 a 秘05 1 0oo无 a 戳一ls l 。l0 。l l l2 0 0茏 a # l 一24 7 。00 1 l l 22 0 0奢 a w l 一34 4 。o0 。1 1 l 32 0 0 有 aa w 2 - 14 3 80 1 1 11 0 0 x 2 有 2 审1 6 组 a w 2 - 24 7 4o 1 1 1 x 21 0 0 2有 a w 2 35 2 9o 1 l l x 31 0 0 x 2有 a 详4 14 7 7o n i5 0 4有 磊鼯4 25 0 o0 。l l l 25 0 4有 a 弹4 3硅1 00 ，1 l l 35 0 4 寄 bb 辫一o4 2 ，l0o 有 2 中2 0 组b w l 一14 8 90 1 1 l 2 0 0有 表4 - 2 钢筋的性能指标 试件种类钢筋规格屈服强度( m p a )极限强度( _ l p a )弹性模量( m p a ) 审83 6 04 5 02 1 x 1 0 5 a 组 曲1 64 0 55 6 52 ，0 l 妒 审83 1 8 4 6 22 1 i 秽 b 组 审2 03 9 55 8 82 ，0 x 1 0 5 捷：碳纡维蠢的性8 指标丝交2 - t 4 1 2 麴载方案及试验量测疼窑 试验测点布篱翔4 - 1 萄繇示，其体鳖灏斑容如下： l 。在浆豹跨孛嚣铡分剔蠢鬟5 个8 0 m m i 拣疆豹毫隰应变片蠲| 奠测攫跨中截蘸上务点 应变表验证乎裁聪假定； 2 在梁底两加载点中间的纵向纤维上布簧3 4 个标距为5 m m 的电阻废变片，用于 测量碳纤维的平均拉威变： 3 在梁底端部u 形箍和加载点处u 形箍之间的纵向纤维上分别布置2 2 个标距为 碳纤维加阎钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究 5 n n n 豹邀疆应交冀，羯亏二量溅裁离皴蕊兹发生； 4 在每个碳纤维u 形箍上布鼹了3 个标弧为5 m m 的电阻应变片，用于量测u 形箍的 受力状况； 5 程粱支痊及跨中分裂敖嚣健移传感嚣，臻子浏量支嶷泷箨帮跨中挠度。 试验中采用两点加裁，加载点间距为t 0 0 0 m m ，加载示意图如3 。7 所示，加载方案采用分 缴加载的方式，在梁接= j 眨开裂和纵向钢筋屈服时，适当增加荷裁以达到确定开裂荷载和屈服 慧载麴量戆。在试骏中鲻放大镜鼹察裂缝，荠睫辩记录裂缝发矮媾况。 4 2 试验结果及分析 4 2 1 主鼗试验结果 表4 - 3 主要试验结果 梁号破坏形态开裂衙载( k n )崩服荷载( k n )极限荷载( k n ) a w - o 最火裂缝宽度5 m m2 4 o9 8 。21 0 4 ，7 0 a w l l跨中缀肉纾维崩离2 5 81 0 0 31 1 3 9 0 a w l 2边缘纤维拉断钢筋拉断2 6 71 1 7 21 8 7 1 0 a w l - 3纤维崩部剥离，钢筋投断2 8 71 2 9 。41 8 9 6 0 a w 2 - l跨申纾维全部控断2 6 ，71 0 9 71 5 4 。3 0 a w 2 - 2纤维荀部拉断2 5 21 1 1 91 6 2 0 0 删2 - 3钢筋搬断，下缘混凝拉碎2 9 01 2 9 41 9 5 7 0 a w 4 1绎缀鲻帮拉鼗2 s 。81 1 0 + 31 5 1 3 0 a 4 2矗侧u 形箍局部拉断 2 8 71 2 0 61 8 9 6 0 a w 4 3左加裁点处u 形箍上缘难开。钢筋挝断 2 9 81 3 4 o1 9 5 7 0 8 鬻一0 最火装缝宽度4 m m3 4 41 9 0 ，82 2 0 。3 0 b w l - 1跨中纤维全部拉断3 2 92 0 1 52 4 6 3 0 幽上表可以看出，碳纤维加固对粱的开裂荷馘提高很小，对屈服荷载有一定的提高，对 辍瀑承载力黪搀高蕹褒较大；在缀麓黪麓率稷司及上缘瀑凝没煮压簿豹条馋下，蓬羞碳经 维层数的增多，梁的破坏状态由纵向纤维拉断转变为下缘混凝士拉碎的粘结破坏。 4 2 2 平截蘧假定的验证 为验诞c f r p 力蟊圃朦梁截面上的威力应变关系楚否满足平截蕊假定，在粱掰侧沿跨中截 面高度上分别贴了5 个标距为8 0 m m 的电阻应变片，来测量混凝土的拉( 压) 旋变。图4 2 ( a ) 和( 8 ) 为嚣滕和三层c f r p 加固螽几级典型萄载下混凝梁跨中截露上应变分带图，由图4 - 1 乐i 栋业大学顼 ：学攮论文 的结果可以看出，在混凝土开裂前平截粥假定成立，开裂尉，其平均应变仍然符合乎截谳假 定，因此在计算分析过程中，可以采用平截面假定。 ( a ) 梁a w 2 2粱a w 3 - 4 黢4 - 2 跨中载嚣痰变浍粱毒的分布规律 唾2 3 碳纤维麴阑梁受弯承载力的影晌因素 1 混凝土强度 文俘“对混凝强度豹影豹傲了分椽。在钢筋混凝懑麓粱中，滋凝强发提薅，极投 弯矩疲枣定数增热，这主要是漫凝强度数提离，嘏应的受妥区裹度随之减少，级簇数力 臂增加，极艰弯矩稍有增加。对于碳纤维加固梁 虹存在类似现象，依据平截面假定不同混凝 土强度的试件截面极限状念时应变分布见图4 - 3 ，由图4 3 ( a ) 可知当破坏状态为碳纤维拉断 时，随着混凝土强度的提简，纵筋及碳纤维的力臂随之增长，极限弯矩