（水利工程专业论文）碳纤维布加固混凝土梁受弯性能的试验研究.pdf

摘要 碳纤维加固技术作为一种混凝土结构加固方法，由于其众多的优越性能，引 起了国内外土木工程界的普遍关注。 为了研究碳纤维对受弯梁加固后梁承载力提高的幅度，本文采用试验研究方 法，对外贴碳纤维布加固的钢筋混凝土受弯梁进行了分析和研究。 试验采用五根相同截面尺寸和相同配筋率的矩形截面简支梁，通过粘贴不同 层数的碳纤维布进行加固，同时比较锚固与非锚固，锚固间距不同三种情况下的 加固效果。试验过程中，记录了梁的跨中挠度、开裂荷载以及混凝土、钢筋、碳 纤维布的应变等，观察了加固后梁的破坏形式以及裂缝开展情况 试验结果表明：碳纤维加固后，梁的正截面承载力有很大的提高，其中粘贴 层数对加固效果有很大的影响，层数越多提高越大，但这种提高幅度是非线性的， 以两层为佳。加固后的梁裂缝开展略晚，并且层数越多裂缝发展越缓慢，裂缝间 距和宽度越小，裂缝的形式与非加固梁有明显不同。加固后梁的刚度有一定的提 高，碳纤维布粘贴层数对刚度的影响在钢筋屈服以后比较明显。 在理论分析上，采用平截面假定，根据混凝土梁受弯的基本理论，对碳纤维 受拉破坏、混凝土受压破坏以及平衡破坏三种破坏形式提出了加固梁的正截面承 载力计算公式，并着重推导了极限贴布率的计算方法。 关键词：碳纤维加固钢筋混凝土梁受弯 2 a b s t r a c t b e c a u s ec f r ph a sa n ya d v a n t a g e s , c f r p s t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u ea t t r a c t se y e s o fr e s e a r c h e r sa n de n g i n e e r sa l lo v e rt h ew o r l d i no r d e rt os t u d yt h eb e h a v i o r so fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r p , e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r ec o m b i n e di nt h ep r o c e s so f r e s e a r c h t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a ls t u d i e s c o n c e r n i n gf i e x u r a lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ss t r e n g t h e n e dt ot h et e n s i o nf a c eo ft h e b e a m s f i v er e c t a n g u l a rb e a m sw i t ht h es a m es i z ea n dt h es a m es t e e lb a rr a t i ow e r e t e s t e de x p e r i m e n t a l l yt oe v a l u a t et h es t r e n g t he n h a n c e m e n t p r o v i d e db yc f s a tt h e s a m et i m e ，u l t i m a t ec a p a c i t y ，s t r a i n , d e f l e c t i o n , c r a c k e dw i d t h ，a n df a i l u r em o d ew e r e m e a s u r e da n do b s e r v e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tc l e a r l yi n d i c a t e dt h a ta f t e rb e i n gs t r e n g t h e n e d jh e f l e x u m lc a p a c i t yo fb e a m sc a l lb es i g n i f i c a n t l yr a i s e db yb o n d i n gc f st ot h et e n s i o n f a c eo fb e a m s , a n dt h em e a n w h i l e ，t h ec r a c k sa p p e a r e dal i t t l el a t e ra n dt h es p a c ea n d w i d t hb c c a m el a r g e r , t h es t i f f n e s so ft h eb e a m si n c r e a s e d , e s p e c i a l l ya f t e rt h e b e n d i n go ft h es t e e lb a r s ，w h i l et h ed u c t i l i t yo fb e a m sd e c r e a s e dt os o m ee x t e n t ，t h i s i n d i c a t e st h a t ：s t r e n g t h e n i n gr cb e a m sw i t hb o n d i n gc f st ot h ef a c eo ft h eb e a m si s a v a i l a b l e b a s e do nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t , a na v a i l a b l ea n a l y t i c a lp r o c e d u r ed e d v e d f r o mp l a n ea s s u m p t i o nf o re v a l u a t i n gt h eu l t i m a t ef l e x u r a lc a p a c i t yo fr c b e a m s s t r e n g t h e n e db yc f sw a sp u tf o r w a r d u n d e rt h r e ef a i l u r em o d e s ( t h ec f sr u p t u r e m o d e ，t h ec o n c r e t ec r u s h i n gm o d e ，t h ec o n c r e t ec r u s h i n ga sw e l la st h ec o n c r e t e c r u s h i n gm o d o ，t h i st h e s i sp r e s e n t e d t h ec o n c r e t ef o r m u l a s r e s p e c t i v e l y a f t e r c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t ，w ef i n dt h a tt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s a g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l l k e y w o r d s ：c f r p ，s t r e n g t h e n ，r cb e a m ，f l e x u r a l 3 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立 进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术 道德、学术规范的侵权行为。文中除己经标注弓l 用的内容外，本学位论文中 不包含其他人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水 利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做 出重要贡献的个入和集体，均己在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 勤而辉 保证人( 导师) 躲勘枚 签字日期：) 阜譬丐魂 签字日期；名纷，- w 少 学位论文版权使用授权书 本人完全了孵华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定，特授 权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数 据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供 查阅和借阕。同意学校向国家有关部仃或机构送交论文原件或复印件和电子 文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：南而弩聊签名：蚴椒 签字日期：) 1 玉箩q ) 6 日签字日期；考知，哆 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章概述 目前，对建筑物的补强加固技术在工程中得到了广泛的应用，在学术界也得 到了普遍的重视。因此，对加固技术进行深入讨论和研究是很有必要的，并且具 有重要的社会意义和巨大的经济效益。在工程建设中，由于勘察、设计、施工、 使用等多方面存在某些缺点和错误，使得工程的安全性存在许多问题，有的已十 分严重。这些问题不仅影响使用的功能，而且还会给国家和人民生命财产带来巨 大的损失。 纵观世界经济发达国家的城市建设，大体上都经历了三个阶段，即大规模的 新建阶段、新建与维修并重阶段、重心向旧建筑物维修和改造转移的阶段“】。2 0 世纪7 0 年代，建筑维修改造业的发展速度加快，各国也相应加大了建筑物维修改 造的投资比例，加固行业规模迅速扩大。当今世界许多经济发达国家将工程建设 重点已转移到对旧有结构物维修、改造和补强加固上。基本建设已经趋于完成， 甚至在一些工程结构的维修和加固费用上已经达到或者超过新建工程的投资。 我国现在还处于第一、第二个阶段。随着国民经济的高速稳定发展，我国的 建筑行业特别是城市基础设施正经历着i ；i 所未有的繁荣。但由于种种不可避免的 原因，大规模新建筑物势必会给一些结构留下隐患：而且，随着人类文明的进步 和社会经济的发展，人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求也越来越高 ( 比如抗震性) ，这就需要采用新的更高的设计标准。 随着很多建筑物已经到了设计基准期，有的建筑使用功能发生改变，这样， 大量的原有建筑物特别是重要的建筑物只有通过适当的加固措施才能满足人们 的要求另一方面，我国又是多自然灾害的国家，不仅有2 3 的大城市处于地震 区，历次地震都在不同程度上对建筑物造成损坏，而且风灾、水灾年年不断，仅 风灾平均每年损坏房屋3 0 万问。这些意外的灾害，使不少建筑物提前天折，或建 筑物受到严重损伤啊，对这些受损的建筑结构必须进行加固和修复。 混凝土发展的历史约1 0 0 余年，以设计基准期5 0 年计算，已有的混凝土结构， 华北水利水电学院工程硕士学位论文 仍有很多早期的钢筋混凝土结构仍使用着，这些结构不同程度地都受老化病害的 影响，目前大多数正处于维修改造加固高峰，需要进行检查、维修、加固及改造。 与新建建筑物相比，维修改造具有三个突出的优点：投资少，工期短，省空间。 这些都会带来显著的经济效益，特别是时间和空间的节省，对工业生产和商业活 动来讲，在效益方面往往起着决定性的作用。对承载力不足的工程结构进行修复 加固，不仅可以使人民的生命及财产得到保障，还可以尽可能地发挥既有结构的 作用，缓解人力、物力、资金紧张的情况，使资金投到最需要的地方，符合健康、 稳定、持续、快速发展的思路。 1 2 混凝土结构补强加固的技术现状 1 2 1 混凝土结构加固修复的原因 在土木工程建筑设计中，至今仍将以混凝土结构为主。结构加固是针对因结 构老化、使用功能改变、钢筋锈蚀、遭受灾害、地基不均匀沉降引起的附加应力 以及工程质量事故( 设计失误、施工质量达不到要求、原材料不合格) 等原因造成 结构不能满足使用要求和安全要求所采取的结构补强措施。1 。 己建混凝土结构物需要加固和修复的原因很多，大致有以下几个方面： 1 以设计基准期推算。建筑物都有一定的设计基准使用期( 我国取为5 0 年) ， 我国大量在五六十年代甚至建国前的旧工业建筑和大量的民用建筑已经到了使 用寿命的中老期，需要进行重新的评估和加固。另一方面，在建筑物的使用过程 中，由于原始设计资料不全或失误、施工管理不严、施工质量低劣、使用条件变 更和使用环境的变化、自然灾害和偶然事故的发生等主客观原因而存在缺陷、安 全隐患，同样需要对其进行一定的加固处理才能继续使用。 2 使用功能变化。在当今的城市规划改造和旧区改造中，往往有社会需求的 变化，比如建筑物的使用功能发生了变化而需要加层或空间加大等等。使用功能 改变后，建筑物的某些承重构件的承载力可能会不足，这就需要对其进行改造和 加固处理 3 国家标准的提高。随着安居工程和住宅产业化的发展，用户对工程质量的 要求也越来越高，国家标准也不断更新。由于初始结构设计、原材料选择受时代 的技术条件限制而导致其不符合现行的国家标准，必须对其进行适当的加固处 2 华北水利水电学院工程硕士学位论文 理。 4 偶然和不可预见的事情的发生。当发生台风、火灾、凌汛、人为撞击等意 外情况时，结构、构件受到严重的内伤，或者导致钢筋的氧化加速，从而导致构 件的强度下降。此时，对受损的建筑物进行一定的加固处理是很有必要的。 上述这些原因使加固工作成为目前土木工程中的一项重要课题。 1 2 2 常用的加固方法 混凝土结构加固技术有很多种。加固方法的选择，应根据可靠性鉴定结果、 结构功能降低及加固原因，结合结构特点、当地的具体条件和新的功能要求等因 素，并遵照加固效果可靠、施工简便、经济合理等原则，综合分析确定。 目就工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有“1 。 1 加大截面法 它是一种传统的加固方法，其原理是采用同种材料来增大混凝土截面或构筑 物的截面面积，以提高结构承载力和满足正常使用的要求。该方法可广泛用于混 凝土结构的梁、板、柱等构件和一般构筑物的加固。其优点是施工技术比较成熟， 可靠性好，提高抗力r 及构件刚度的幅度大，尤其是钢筋混凝土柱加大截面后还 可增加其稳定性。缺点是截面增大对结构外观及房屋净空有一定影响。结构二次 受力明显，新旧混凝土结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂的受力。 2 外包钢加固法 它是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法将型钢外包于构件四周 ( 或两角) ，使之与原构件共同承担负荷，主要是通过约束原构件来提高其承载力 和变形能力。该方法适用于大型结构及大跨结构，尤其适用于加固那些不允许增 大原构件截面尺寸，却又要求较大幅度地提高承载能力的混凝土梁、柱结构等。 其优点是施工简便，现场工作量较小，构件截面尺寸变化不大，重量增加较小， 而承载能力提高显著，构件截面的刚度和延性也得以改善。缺点是用钢量大。 3 预应力加固法 它是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对构件施加体外预应力，以分担梁、 屋架和柱所承受的部分荷载，从而提高构件的承载力，并且改善正常使用状态的 性能。它是卸载、加固和改变结构受力三者合一的加固方法，特点是承载力、抗 裂性和刚度可以同时得到提高。该方法也适用于大型结构及大跨结构，及其它较 3 华北水利水电学院工程硕士学位论文 高应力应变状态下的大型结构加固。 4 。喷射混凝土加固法 该方法是借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将按一定配合比的水泥、 砂、石子及外加剂等拌合料，通过喷管喷射到混凝土表面，在较短时间内凝结硬 化，达到补强目的。喷射混凝土具有较高的力学性能和良好的耐久性，特别是与 混凝土、砖石和钢材有很高的粘结强度，可以在结合面传递拉应力和剪应力。 5 结构传力途径法。 它又分为下列两种：一是增设支点法。它是以减少构件的计算跨度而提高其 承载力的加固方法。该方法适用于房屋净空不受限制的大跨度结构。二是托梁拔 柱法。它是在不拆除或少拆除上部结构的情况下拆除、更换和接长柱子的加固方 法。该方法适用于使用功能改变、增大空间的改造加固。 6 外部粘钢加固法 1 9 6 4 年，s o u t h a f i i c a , p u r b u n 舻次采用粘钢板的方法加固混凝土梁1 1 1 。实践证 明梁的承载能力得到很大提高，随后采用粘钢加固混凝土结构的方法就不断应用开 来。其原理是在混凝土结构外部表面用特制的双组分环氧树脂粘贴钢板，并构成 一个混凝土一胶一钢三相复合体系，以达到提高承载力和抗变形抗裂能力，以满 足正常使用( 减少挠度和控制裂缝) 的目的。该方法适用于承受静力作用的一般受 弯和受拉构件，能提高结构承载力和变形能力，其优点是简单、快捷，施工时对 生活活动和居民生活影响较小。但是，由于人类对自然环境的破坏，酸雨等自然 现象的出现使得钢的腐蚀破坏特别严重，而且使用粘钢加固也有很多不便之处， 主要是钢板比较笨重，运输、安装不便，易锈蚀，另外钢板的长度有限，连接不易， 此外对钢板的表面光滑要求也比较高，因此在实际工程中迫切需要一种新的替代材 料。这就使得人们去寻求更好的抗腐蚀材料来取代粘钢加固。 7 改变用途法 在工业与民用建筑中，如原来为图书馆藏书库，楼面使用荷载4 - 5 k n m 2 , 若 发现设计有误或结构损伤等原因，导致可靠度较低，可以将藏书库改为办公楼， 楼面使用荷载降低到1 5 2 0 k n m 2 ，即可保证大楼使用的可靠度。 8 隔振法 在抗震工程或其他动力工程中，常常采用隔振技术来阻止或减少对结构的作 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文 用，从而保证结构的可靠度。基底隔振是常用的广f a n 加固方法，该法在建筑物 上部结构与它的基础之间设置一个隔振层。当地面运动速度超过了规定值，上部 结构与基础之间产生滑移，即地面运动不能传递或不能全部传递至上部结构，减 少了上部结构的运动，也就是减少了地震力，从而确保了建筑物在强烈地震下的 可靠性，也就间接起到加固的作用。 对于上述加固方法，国内外的很多科研机构都已进行了大量的研究工作，并 且大多已应用于实际工程，这在很多文献中都有记载。然而，这些加固方法都有 一定的缺陷，除去带有共性的化学腐蚀问题外，还有会增加构件自重、结点不易 处理，施工难度大等问题。土木工程学科的发展，在很大程度上依赖于性能优异 的新材料的应用和发展，如对于传统的钢筋增强材料，应寻找一种强度高、重量 轻、耐腐蚀和耐久性好的新材料：对于既有结构的加固、维修和改造，应以具有 强度重量比大、施工快捷、旌工后结构承载力明显提高等优异的物理力学性能 材料所代替。因此，利用性能优异的复合材料对传统方法进行更新改造是2 1 世纪 土木工程领域可持续发展的重大研究课题“1 。 1 3 碳纤维增强塑料加固的技术特点 碳纤维增强塑料( 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 s ) ，以下简称c f r p ，具有强度 高、密度小、耐腐蚀、抗疲劳等优点。碳纤维加固技术是将碳纤维这种高性能纤 维应用于土木工程，利用树脂类材料把碳纤维布材或板材粘贴于混凝土结构或构 件表面，形成复合材料体( c f r p ) ，通过与结构或构件的协同工作，达到对结构构 件补强加固及改善受力性能的目的。 用于土木工程加固的碳纤维材料有很多种，按形式可分为片材，棒材、型材 和短纤维4 种。按力学性能可分为高模量( i 型) 、高强度( i i 型) 和中等模量( i i i 型) 3 种。按原丝种类可分为：聚丙烯睛( p a n ) 基碳纤维和沥青基碳纤维2 种。其中 p a n 基碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特 点，非常适合于土木工程领域。 c f r p 是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟，也是用量最大的一 种高科技材料。随着碳纤维材料被应用于建筑业，碳纤维加固混凝土结构新技术 随之出现。用于建筑结构补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑用钢材的十 5 华北水利水电学院工程硕士学位论文 几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平上也有所提高，是一种优良的结构加固材 料。碳纤维增强材料的这些特点，为建筑结构的补强与加固提供了技术支撑。与 原有的加固方法比较，碳纤维增强塑料加固技术具有明显的技术优势，主要体现 在以下几个方面嘲叫”1 ： ( 1 ) 高强高效由于碳纤维增强材料优异的物理力学性能，其轴向抗拉强度 是普通钢材的8 1 2 倍，弹性模量是普通钢材的1 2 倍。在对混凝土结构进行加固 补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和 延性，改善其受力性能，达到高效加固的目的。 ( 2 ) 具有极佳的耐腐蚀性能不与酸碱盐等化学物质发生反应，可以在酸碱 氯盐和潮湿的环境中抵抗化学腐蚀，这是传统结构材料难以相比的。例如，在瑞 士、英国、加拿大等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、 建筑中采用c f r p 结构代替传统结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，使用该方 法对结构进行处理后，不仅不需要如粘钢板法所需要的定期防锈维护，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，具有双重效 果。因而用纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解 决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题。 ( 3 ) 不增加构件的自重及体积，碳纤维布质量轻且厚度薄经加固修补后的 构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间。 ( 4 ) 适用面广由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意地裁剪，所以 这种加固技术可以广泛地应用于各种结构类型( 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、拱、壳、墩等) 的加固修补。而且不改变结构形状及不影响结构的 外观，这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。尤其对于一些大型土木工 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都能很顺利的解 决。 ( 5 ) 施工便捷工效高，没有湿作业，不需要大型施工机具，施工占用场地 少。该纤维材料非常适用于在工厂生产、运送到工地和现场安装的工业化施工过 程，有利于保证工程质量、提高劳动效率及加快建筑的工业化因为大型复合材 料可在场外生产或在工厂内生产，又由于它们重量轻，容易运送施工现场，且可 6 华北水利水电学院工程硕士学位论文 以用轻型仪器进行安装( 而不必用专门的重型机械) ，因此可使现场工作量达到最 小，这样就可以全年进行复合材料结构的装配工作，提高了整个施工效率。 ( 6 ) 施工质量容易保证由于c f r p 材料是柔性的，即使被加固的结构表面不 是非常平整，也基本可达到1 0 0 的有效粘贴率。即使粘贴后表面局部有气泡， 也很容易处理，只要将树脂注入气泡处将空气赶走即可。 ( 7 ) 耐疲劳性能好大多数的复合材料的抗疲劳性都好，在很多结构中它们 的疲劳性能可以忽略不计，保证了设计的灵活性。桥梁结构经常承受往复荷载、 移动荷载的作用，对这类结构加固后要考虑结构的抗疲劳性能，研究表明，碳纤 维布加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载，其强度及延性指标并没有显示出 有所降低，而普通混凝土试件经过同样的疲劳循环荷载后，其强度和延性指标都 会有不同程度的降低。 以上这些加固特点决定了碳纤维加固技术具有很大的研究价值和经济价值。 1 4 碳纤维材料在抗弯加固领域的研究现状 1 4 1 国外研究现状 碳纤维布加固修复混凝土结构技术是二十世纪八十年代开始在国际上应用 的一种混凝土外部补强的新技术。从1 9 8 5 年瑞典人m e i e r ：首先来用粘贴碳纤维片 材加固e b a c h 桥梁开始，各国大学及研究机构相继进行了较多的碳纤维布加固性 能的试验及理论研究，取得了许多重要成果。c f r p 加固混凝土结构的研究分析最 早产生于德国和瑞士。现在，日、美、欧洲等国家已相当普及，使用范围己深 入到土木工程中的众多领域，在加固修补领域己成为最广泛的一种技术。 应用粘贴碳纤维片材来加固钢筋混凝土梁抗弯性能的研究是近十年来最为 普遍的，国外在这个领域的研究起步较早。其中早期的研究成果主要以完整梁的 抗弯加固受力性能为主。在己有的研究方法中，碳纤维布主要粘贴于加固梁的受 拉面，也有少数学者针对我国相关技术规程对侧面粘贴的抗弯承载力进行了试验 验证。研究手段大都采用加固钢筋混凝土梁静载试验，对碳纤维布加固钢筋混凝 土梁受弯构件的破坏形态、极限抗弯承载力的计算方法及影响承载力的各项因素 如配筋率、混凝土强度、梁的高跨比、剪跨比、碳纤维用量等进行了研究。 7 华北水利水电学院工程硕士学位论文 1 9 8 2 年，m e j e r 等人首先在瑞士联邦材料实验室( 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 等人根据试验结果指出：粘贴了c f r p 的混凝土梁，平 截面假定仍然是成立的，混凝土的剪切裂缝可能导致c f r p 板的脱落，并提出了 一个与其试验结果吻合较好的分析模型。m e i e ra n dk a i s e r “4 1 深入探讨了用c t r p 加固后混凝土梁的三种破坏模式。n a n n i “5 “”1 等人对外贴f r p 加固混凝土梁的抗 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研究，其影响参数 包括：粘贴胶、c f r p 类型、c f r p 厚度、c f r p 锚固长度等。随后，对c f r p 抗弯加 固混凝土梁的研究越来越多。 r i t e h i e 等人“7 1 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，并在平截面假定基础上提出了分析模型，对加固梁的强度和刚度进行了预测。 d e s k o v i ea n d t f i a n t a f i l l o u 【”1 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，其他一些学者也对外贴f r p 加固后梁的破坏机理和承载力计算进行了研究。 s e r g l of b r e n a 等对8 片采用不同碳纤维布箍形式的加固梁进行试验，重点分 析了梁的极限承载力，挠度及破坏形式，试验结果表明，与侧面采用碳纤维布箍 条的加固梁相比，采用环形布箍的加固梁可以更有效地避免布的拉脱破坏，更大 地提高梁的抗弯承载力0 9 】。 s h a r o nl w o o d 等曾对4 片按实际尺寸设计的试验粱进行试验，试验梁在底 部按整条粘贴和分条粘贴两种方式进行加固，并在侧面用碳纤维布箍进行锚固， 试验结果表明，与整条粘贴方式相比，采用分条加固的试验梁更能提高梁的抗弯 承载力，而且梁在破坏时，碳纤维布所承受的拉应力只是其抗拉强度5 0 6 5 嘲 吴刚、杨勇新、叶列平等也做了该领域的相关研究“o 嘲嘲。 1 4 2 国内研究现状 赵彤等通过9 根碳纤维布加固补强钢筋混凝土梁的试验，主要研究碳纤维布 用量对钢筋混凝土梁受弯性能的影响与作用。试验研究表明，粘贴碳纤维布之后， 加固梁的受弯承载力明显提高，虽然碳纤维布的用量越多承载力提高也越大，但 受使用效率的影响，需要一个折减系数对碳纤维布的抗拉强度进行折减，层数越 多，折减系数越小瞰1 邓宗才通过改变碳纤维布层数、配筋率等参数，研究了碳纤 维布对于梁抗弯承载力和抗弯刚度的影响。试验结果表明，碳纤维布可以显著增 8 华北水利水电学院工程硕士学位论文 强梁的抗弯刚度，但碳纤维布加固量过多，将改变梁的破坏形式，而且对于配筋 率较低的粱加固效果比较嘲，黄慧明等对1 5 根钢筋混凝土适筋梁粘贴碳纤维布加 固后的抗弯性能进行了试验研究，在试验的基础上对加固后试件胶层一混凝土界 面失效导致的破坏形式进行了分析，提出应当对加固材料的极限应变进行限制， 在加固中宜采用中等强度的粘贴材料嘲。 王滋军等曾进行了5 根碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯试验，重点研究了 碳纤维u 形箍的位置、数量及间距等方面对纵向碳纤维布锚固性能的影响。研究 结果表明，碳纤维u 形箍能够较好地减少碳纤维发生剥离破坏的可能性，其对纵 向碳纤维应力分布的影响不大旺订。 1 5 本文主要研究内容 碳纤维布加固技术是结构工程与材料科学相结合的一项新技术，要使这项新 的技术得到健康的发展，必须形成一套系统的理论。由于碳纤维布加固技术在我 国研究应用起步较晚，且目前所开展的研究大多是一些基本的、验证性的试验研 究，有关加固、受力、破坏机理和加固后结构的抗疲劳性能等方面的研究还很少， 基于国内外对碳纤维布加固技术研究的现状，本文主要展开内容如下： 1 进行梁底粘贴碳纤维布加固混凝土梁受弯性能和破坏特点的试验研究。 2 通过粘贴不同层数碳纤维布和不同间距锚固碳纤维布方式，研究加固受 弯梁的受力和破坏特征。 3 在试验的基础上，提出梁底粘贴碳纤维布加固混凝土梁的受弯承载力计 算方法和极限贴布率。 4 在试验研究的基础上，对加固梁的挠度及裂缝等进行详细描述。 9 华北水利水电学院t 程硕士学位论文 第二章碳纤维布加固受弯钢筋混凝土梁的试验 本试验通过钢筋混凝土对比梁，直接在梁底部粘贴碳纤维布，通过改变碳纤 维布层数、粘贴碳纤维箍、改变碳纤维箍间距等试验研究，观察分析加固梁在受 弯状态下的不同破坏形态和特征，挠度变化、裂缝的分布宽度、间距及形状变化 情况，以及加固梁受弯承载力提高比例。在试验分析的基础上，提出加固梁受弯 承载力计算式，极限贴布率计算式，为加固梁的健康发展提供科学依据，以指导 工程实践。 2 1 试验方案设计 2 1 1 试验梁的设计与制作 按照混凝土结构设计规范瞄1 及碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 本次试验一共设计制作了5 根钢筋混凝土梁，截面尺寸及配筋完全相同，截 面尺寸为bxh = l o o m m x 2 5 0 m m ，梁长度为1 8 0 0 m m ，有效跨度为1 6 0 0 m m ；混凝土设 计强度等级为c 3 0 ，保护层厚度2 0 m m ；梁中纵向受力钢筋为( h r b 3 3 5 级钢) 2 0 1 2 ，设计配筋率为1 ，0 1 ，纯弯段箍筋为( h p b 2 3 5 级钢) 0 8 1 0 0 , 架立筋为2 中8 。试验梁的几何尺寸及配筋如图2 1 所示o l 】一嘲。 图2 1 梁的尺寸及配筋简图 本次试验梁试件制作全部工作在华北水利水电学院结构实验中心完成，试 件施工采用搅拌机具拌和，用振捣器人工振捣，自然条件下养护。待养护2 8 天后 l o 华北水利水电学院工程硕士学位论文 进行试验。 2 1 2 材料选择 ( 1 ) 钢筋及混凝土的实测强度 试验材料选用近几年来常用的钢筋和混凝土强度。混凝土设计强度等级为 c 3 0 。浇筑混凝土时，预留了一组( 三个) 1 0 0 m m 1 0 0 m m x l 0 0 m m 的混凝土试块， 与梁同条件养护2 8 天后，实测的混凝土立方体抗压强度允为3 8 1 9 n m 2 。试件中 共使用了h r b 3 3 5 级m1 2 ，h p b 2 3 5 级中8 两种钢筋，每种钢筋分别取三根长度为 4 5 0h i m 的试样，在拉伸机上对其进行常温下的拉伸加载试验，直到钢筋被拉断， 实测的钢筋性能指标如表2 1 所示。 表2 1 实测的受拉钢筋主要性能指标 钢筋直径 截面面积 屈服强度极限强度强度标准值 级别( m ) ( m 2 ) ( n m 2 )( n 咖2 )( n 恤2 ) 1 21 1 3 13 6 5 1 94 9 0 1 43 3 5 i85 0 32 6 3 43 9 6 22 3 5 ( 2 ) 加固材料的类型 本次试验采用碳纤维布加固。采用的碳纤维材料为国产力源( l y j g n ) 公 司生产的碳纤维布，其配套结构胶为该系列碳纤维粘贴专用结构胶，结构胶包 括：y z i c d 。y z j c 乙y z j - c q 。 1 基底胶( c d ) ：用于改善混凝土基层的性能以增强混凝土基层和碳纤维间 的粘结： 2 找平胶( c z ) ：用于将混凝土表面缺陷部位和有高差的地方填实并找平： 3 浸渍胶( c q ) ：用于将碳纤维材料和混凝土基层粘结在一起。 三种粘结胶均为双组份，使用时按比例取用并混合均匀。基底胶( c d ) ，找平 胶( c z ) ，浸渍胶( c 是配套使用的，都有屯b 两个组份，但其配胶比例是不相同， c d 按a ，b 组份2 ：1 混合，而c z ，c q 则按4 ：1 混合材料的主要性能指标见表2 - 2 1 1 华北水利水电学院工程硕1 ：学位论文 表2 2 碳纤维布和结构胶的主要性能指标 计算厚度( r a t a )0 1 6 7 碳纤维布 抗拉强度标准值( 肝a )3 2 6 0 弹性模量( t p a x1 0 5 )2 1 延伸率( ) 1 6 粘结正拉强度( 钢筋一混凝士)2 7 5 v z jy z j - c d 拉伸强度 系列 粘结正拉强度( 钢筋一混凝土) 3 4 2 结构胶 y z j 弋z拉伸强度3 3 5 1 粘结正拉强度( 钢筋一混凝土) 2 9 7 v z j c o拉伸强度3 3 5 1 2 1 3 碳纤维布加固方案 本次试验是在华北水利水电学院工程结构实验室进行，采用静力加载，加载 方式为两点加载，通过分配梁来实现两点加载。 本次试验是一次受力加固( 加固前无加载历史) ，即将完好无损的试件直接加 固后进行试验。锚固措施分为两个情况：a ) 由碳纤维材料锚固，不采用任何其 它附加措施；b ) 在剪弯段加贴碳纤维u 型箍。 i ，1 是对比梁，其余4 根梁分别进行受力加固试验。l - 2 ，l 3 ，l 广4 分别在梁底 粘贴一层，l - 5 在梁底粘贴两层、用以比较不同粘贴层数的加固效果；其中l - 2 端 部未锚固，l - 3 、l 4 和l - 5 端部各设置了u 型箍锚固，用于分析u 型箍锚固对加固 效果的影响；l 3 与l 4 上碳纤维布粘贴间距不同，用于分析比较不同加固间距对 加固效果的影响。 各梁的加固方案如表2 3 所列： 表2 3 各梁的加固方案 编号 加固方式加载类型 l - 1 未加固( 对比梁)直接加载 l 一2 粱底部1 层碳纤维，未锚固 直接加载 l - 3 梁底部1 层碳纤维，设置u 型箍，间距1 0 0直接加载 l 4 梁底部1 层碳纤维，设置u 型箍，间距1 5 0直接加载 l - 5 粱底部2 层碳纤维，设置u 型箍间距1 0 0 直接加载 华北水利水电学院工程硕士学位论文 2 1 4c f r p 的粘贴方式及粘贴步骤 c f r p 粘贴方式如图( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 所示。 靶产牛峭 图2 2 梁l - 2 加固方案示意图 产牛耳趔旧 口 图2 - 3 粱0 3 ( ，l - 5 ) 加固方案示意图 c f r p 的粘贴按照下列步骤进行： ( 1 ) 基底处理 混凝土表层出现剥落、蜂窝、空鼓、腐蚀等劣化现象的部位进行凿除，对于 较大面积的劣质层还必须用环氧砂浆进行修复，并养护三天。裂缝部位要先进 行灌缝封闭处理。然后，用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、 油污等杂质，构件表面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部分要磨平，转 角处进行倒角处理并打磨成半径不小于2 0 r a m 的圆弧状，用丙酮将需粘贴处清洗干 净。最后，用吹风机将表面清理干净并保持干燥。此工序要等待1 2 个小时，方可 进行下一步操作。 ( 2 ) 涂基底胶 将y z j - c d 胶甲乙组分按需按4 ：1 的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀， 用刮板或滚筒刷将基底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后( 固化时间视现场 气温而定，以指触干燥为准) 再进行下一工序施工注意：调好的底胶须在规定 的时间内用完，一般情况下4 0 m i n 9 9 用完。 ( 3 ) 找平 华北水利水电学院工程硕卜学位论文 找平混凝土表面凹陷部位用修补胶( y z j - c z 胶掺入两倍粉料) 填平，模板接 头等出现高度差的部位应用修补胶填补，尽量减少高度差。，待其干燥后进行下 一步。 ( 4 ) 粘贴碳纤维布 首先在梁底粘贴纤维布部位打好基线，准确无误确定好粘贴部位。然后，按 设计要求的尺寸及层数裁减好碳纤维布。粘贴碳纤维布将y 7 _ j c q 胶甲乙组分按 4 ：l 的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀，用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上 需粘贴碳纤维布处，在搭接及混凝土拐角部位多涂一些，随即把按设计要求己裁 剪好的碳纤维布粘贴在设计部位，然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚 压，挤出汽泡，使碳纤维布与混凝土表面紧密接触，应尽可能让胶充分地渗入到 碳纤维丝之间( 细部空鼓处，可用针筒注射胶) ，确保相互共同工作。待指触干 燥后，即可以进行第二道碳纤维布的粘贴，方法同第一道。两道碳纤维布粘贴完， 待指压干燥后，再刮涂一层y z j - c d 面胶，来回滚压，使胶充分渗入到碳纤维布 中去。待面胶指触干燥后，表面做一层保护层( 防火涂料或水泥砂浆) 。注意： 碳纤维布的搭接长度一般为1 0 0 r a m ，端部用横向碳纤维布固定。 在试验的加固过程中，严格按照工艺要求施工，以免加固的质量达不到要求 而影响试验结果。 2 2 试验过程 1 4 华北水利水电学院工程硕士学位论文 本次试验全部过程在华北水利水电学院结构大厅完成，从2 0 0 7 年5 月1 3 日 2 0 0 7 年5 月2 3 日，历时1 0 天。加载系统采用槽钢悬臂加载架联接试验台座共同构 成反力架，双油路超高压油泵，型号为d b d 0 8 m ，千斤顶为7 l 【n 。测力系统用拉 压传感器，型号为b l r 1 ，静态电阻应交仪型号为b z 2 2 0 7 ，同时各测点应变也由 应变仪读出。测位移用位移传感器，型号为m s 5 0 。 2 2 1 试验梁的应变片布置 根据研究目的，为了在试验过程中量测梁跨中截面的平均应变、碳纤维的应 变，要布置应变片以测量各参数。 1 混凝土应变片的布置：试验中为了解纯弯段在各级荷载下沿梁高的截面 应变分布规律和了解受压区高度变化，在跨中位置沿梁高布置3 片应变片分别在 梁正侧面受压区边缘贴片以量测混凝土的压应变，在梁正侧面受拉区边缘贴片 以量测受拉主筋的拉应变，在梁正侧面中问位置贴片是为了受压区混凝土开裂 后，了解中和轴上升变化。 1 霉1 2 4 梁i - 3 ( i _ 4 ，l - 5 ) 应变片布置图 曙j 56 图2 - 5 梁l - 2 应变片布置图 2 碳纤维布上应变片的布置：为了测出在加载过程中碳纤维布的应变，在梁 华北水利水电学院工程硕士学位论文 底的碳纤维布上跨中受拉位置并列贴两片应变片，在梁侧面两道u 型箍上分别贴 一片应变片，在梁底部的端部贴一片应变片，各个应变片布置见图2 - 4 ( 2 5 ) 。 2 2 2 1 1 1 载过程 本次试验采用千斤顶进行加载，通过分配梁来实现两点加载。试验加载方案 依据混凝土结构试验方法标准叫枷，采用分级加载，加载分预加载、标准 荷载、破坏荷载三个阶段。荷载大小由拉压力传感器控制。在预加几级荷载后， 开始正式加载。加载等级为每级4 k n ，在接近出现混凝土开裂和钢筋屈服荷载时， 每级2 k n ( 1 k n ) ：每加一级荷载后持荷1 0 一1 5 分钟，待试验梁变形稳定后观察混凝 土裂缝开展情况，并记录电测位移计和静态电阻应变仪的读数：随后，继续施加 下一级荷载。试验过程中，通过应变仪连接的压力传感器控制每级加载仪器仪 表布置及加载示意图如图2 6 所示。 千斤项p 匕= = = = = 二= = 二二兰= = = = 二二 位移传感器i 鬲：；：一位移传感器 7 。一型旦 位移传黪器 厂一一下一了丁一 j 哑， 鳓 j 趔i 趔f 鲫 l l q q j 1 捌x l 一 图2 6 加载装置示意图 2 2 3 试验装置及试验测量的参数内容 本次试验的目的主要是用碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁的受弯性能进行 试验和分析，尤其是分析碳纤维布对加固效果的影响，如梁的破坏形式和承载力 提高幅度等。本次试验中需要量测和记录的主要内容有： ( 1 ) 观察梁的破坏情况及特点，区分不同的破坏形式，记录开裂荷载和破坏荷 载； ( 2 ) 对应每级荷载记录梁的跨中挠度，绘制荷载挠度曲线；测定梁在各级荷 载下的挠度曲线，为了量测到构件的真实挠度值，需要考虑消除支座变形产生的 华北水利水电学院工程硕士学位论文 影响，在跨中和两端支座处分别布置一块百分表以获取真实的梁的挠度值。 ( 3 ) 对应每级荷载记录梁受拉区跨中沿梁高的应变分布情况； “) 对应每级荷载记录梁跨中底部、梁底部碳纤维布端部和梁侧面u 型箍位置 的碳纤维布应交情况； 梁中所有粘贴的应变片通过导线接于静态电阻应变仪以测量其应变值： ( 5 ) 在试验过程中，用放大镜和读数显微镜观察裂缝的出现及开展情况，记录 开裂弯矩，观察裂缝的宽度和间距。裂缝测量，包括开裂荷载，裂缝间距，裂缝 宽度，裂缝分布位置及走势等：在加载过程中，随时记录下裂缝的发生、开展情 况及裂缝宽度，在裂缝尾端注明相应荷载级别及荷载值，以后每加一级荷载，裂 缝长度扩展，用铅笔在裂缝旁边描下裂缝方向和形状，同时，在新尾端注明相应 荷载级别及荷载值，最终作出全梁的裂缝开展分布图：裂缝宽度通过读数显微镜 进行测量。 ( 6 ) 记录梁的最终破坏形态。 2 2 4 试验加载终止条件 根据国家标准混凝土结构试验方法标准( g b 5 0 1 5 2 9 2 ) 的要求，当试验加 载到出现下列条件之一时，认为达到荷载极限值，应立即终止加载。 ( 1 ) 主筋应力达到屈服强度，受拉应变达到0 0 1 ； ( 2 ) 加固碳纤维布应力达到设计强度，受拉应变达到0 0 1