纤维复合材料加固再生混凝土梁试验方案设计.doc

再生混凝土梁加固试验方案设计一、试验的背景及意义随着我国经济的迅猛发展，基础设施和各种建筑的修建需要的混凝土量日益增加，而旧的建筑物的拆除、改造，产生废弃混凝土的量也逐步上升，给我国的资源与环境造成了巨大的压力，给我们的可持续发展带来了挑战。目前，怎样合理的利用建筑垃圾制备再生混凝土应用到实际工程中成为了研究的热点。钢管再生混凝土、再生混凝土梁和再生混凝土柱等方面的研究已经在我国的科研院校广泛的开展起来了，并取得了一定的成果。结果显示：钢管再生混凝土、再生混凝土梁和再生混凝土柱由于其再生骨料自身性能的降低其各项力学性能均有不同程度降低。随着材料科学的发展，复合材料（碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等）的各项力学性能均有提高，同时，复合材料纤维也应用到实际的建筑和桥梁的加固工程中，提高了建筑和桥梁的抗弯及抗剪强度，进一步加强了结构抗震性及安全性，提高了结构的实用寿命。二、试验目的本实验主要利用碳纤维布加固不同替代率下（0%，50%和100%）的再生混凝土梁来研究加固后再生混凝土梁的刚度、延性、承载力、裂缝分布及其开展情况的变化，与我们前期已经完成的原生混凝土梁的试验做一对照分析，并对前期试验中没有主要到的细节加以分析，比如浇注混凝土的抗拉强度和弹性模量的测量；加固梁不同测点处应变片的响应情况（与后期的模拟作对照）；裂缝在加载过程中的开裂长度与宽度的实时跟踪曲线；以及临近破坏时裂缝的变化情况和破坏形态的改变。对再生加固梁的疲劳试验力求细致，对裂缝的宽度及其走向要记录好。最后，在实验进行中要对梁的挠度和裂缝走向做实时观测记录，便于以后模拟与计算时对不同加载阶段的分析对照。三、试验设备电液伺服万能试验机（WAW-100/300/300A）、岛津疲劳试验机应变测试仪DH-3816测量相应的静态应变变化动态数字应变仪采集试验数据LVDT位移传感计、百分表电阻应变片四、试验内容1、再生混凝土基本性能的试验，包括骨料的表观密度、吸水率、堆积密度与空隙率，再生骨料的压碎指标，不同再生骨料取代率下的再生混凝土立方体抗压和抗折强度试验。2、抗拉钢筋、抗压钢筋和箍筋的材料性能测试试验。3、FRP约束再生混凝土梁的试验抗弯、抗剪和疲劳试验。五、试验方案（一）CFRP加固再生梁的抗弯性能试验1、构件设计 试验用的再生混凝土梁的混凝土强度设计值为C30，再生骨料的取代率分别是0%、50%、100%，梁的截面尺寸均为b h= 150 mm 300 mm，跨度L=1500 mm，纵向受拉钢筋为28的螺纹钢，全梁均匀设置箍筋为6100，架立钢筋为28圆钢，混凝土保护层厚度为20mm。试验梁的截面尺寸及配筋如图1所示。图1 CFRP加固再生混凝土抗弯梁2、材料选择试验试件的混凝土设计强度分别为C30，再生骨料取代率为0%、50%和100%，实测在同样养护条件下的混凝土试块各3块，得到其平均抗压强度。碳纤维布在上海存强公司购买。各种材料的性能指标如下表1，2和3所示。表1：钢筋及混凝土的实测力学性能指标（MPa）（一定要实测，便于以后模拟与计算）项目6箍筋8纵向受拉钢筋8架立筋C30、0%C35、30%C40、100%极限强度屈服强度极限强度屈服强度极限强度屈服强度抗压强度抗压强度抗压强度试件1试件2试件3平均值表2：纤维布主要物理性能指标（买回后实测，便于计算）种类及型号面密度/(g/m2)宽度/mm厚度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%表3：加固胶的力学性能指标（主要做拔出试验测其抗剪性能）型号拉伸剪切强度/MPa弹性模量/MPa黏结拉伸强度/MPa压缩强度/MPa3、加固方案本次CFRP加固再生梁抗弯试验共设计了7根梁，基本情况如表4所示：表4：CFRP加固再生混凝土梁试件设计参数情况编号主筋箍筋架立筋浇注强度替代率加固层数W028610028C300%对照W5028610028C3050%对照W50B128610028C3050%加固1层W50B228610028C3050%加固2层W10028610028C30100%对照W100B128610028C30100%加固1层W100B228610028C30100%加固2层4、加载方案梁浇注前，在对照再生梁底部2根纵向钢筋的跨中位置及顶部架立钢筋的中间位置沿纵向各粘贴一片钢筋应变片，用于测量纵筋在加载过程中的应变。试验时在跨中和两支点设百分表或者LVDT位移计，以观测构件的挠度变化；在梁的跨中一侧按20mm的间距粘贴混凝土应变片，以观测跨中截面不同高度处的应变变化。对于CFRP加固再生梁，在碳纤维布粘贴养护完成后，在跨中碳纤维布表面沿纵向粘贴三片应变片；对于粘贴两层纤维布的加固梁，在内外两层布跨中位置上均贴上三片应变片，用于测量碳纤维布在荷载作用下的拉应变。电阻应变片用502胶水粘贴后，再用环氧树脂覆盖绝缘，然后通过数据采集仪采集试验数据。具体加载方案及测点的具体分布见图1所示。正式加载前，先对试验梁预加2kN荷载进行预压试验，检查仪器是否正常工作以及消除接触不良现象。然后采取两点对称逐级加载方式，用500T压力试验机进行加载，每级加载3kN，接近开裂时每级加载1kN，且每级持荷5min，待仪表的示值稳定后再进行下级加载。同时在加载过程中用电测裂缝宽度测试仪观测裂缝宽度，随时记录裂缝开展情况。（二）CFRP加固再生梁的抗剪性能试验在实际工程中，由于设计失误和载荷增加等原因往往造成梁结构的抗剪承载力不能满足使用要求，再加上构件的斜截面破坏是剪切脆性破坏，比弯曲破坏的危险性更大，因而对加固钢筋混凝土梁的剪切性能和方法的研究非常重要。 1、构件设计考虑到抗剪性能的试验应使初始箍筋配筋不足，因此，试验用的再生混凝土梁的混凝土强度设计值仍然为C30，再生骨料的取代率分别是0%、50%、100%，梁的截面尺寸均为为b h = 150 mm 300 mm，跨度L = 1500 mm，纵向受拉钢筋为214的螺纹钢，全梁均匀设置箍筋为6200，架立钢筋为28圆钢，混凝土保护层厚度为20mm。2、材料选择需要测量的材料的各种性能指标也如上述的“加固再生梁的抗弯性能”所述。具体需要测量的试验数据如表1，表2和表3所示。3、加固方案本次CFRP加固再生梁抗剪试验共设计了7根梁，基本情况如表5所示：表5：CFRP加固再生混凝土梁抗剪试件设计参数情况编号主筋箍筋架立筋浇注强度替代率加固层数S0286200214C300%对照S50286200214C3050%对照S50B1286200214C3050%U型加固2层S50B2286200214C3050%L型加固2层S100286200214C30100%对照S100B1286200214C30100%U型加固2层S100B2286200214C30100%L型加固2层4、加载方案具体的加载方案如上述的“加载梁的抗弯性能”所述。特别的是与加固再生梁抗弯性能不同的是，加固梁的剪切性能时，应在箍筋上和粘贴后的纤维布上面粘贴应变片，以观察在梁的变形和加载过程中，梁中箍筋和纤维布的应变情况。其具体加载测点与加载方式见图2所示。图2 CFRP加固再生混凝土抗剪加载、加固形式图和应变片布置（三）再生混凝土梁的疲劳性能试验在实际工程结构中，有大量结构需要承受荷载的多次重复作用，但是原来按照容许应力设计的结构，由于设计缺陷，施工质量问题，环境的各种不利影响或者使用功能的改变，其疲劳强度可能不满足现行的结构设计规范，当结构的疲劳预测寿命小于结构的期望服役年限时，需要对其进行疲劳加固。特别对于桥梁结构，由于环境腐蚀或现有载荷的改变，必须对其进行疲劳加固。 碳纤维布作为一种轻质、高强、耐疲劳的新型材料，已经被作为一种理想的疲劳加固材料得到广泛的应用。考虑到进行疲劳加固试验是为了得到较好的试验过程和曲线，而加固抗弯再生梁破坏属于延性破坏，因此，在本次试验中采用结构抗弯加固方案，对纤维布加固的再生梁进行疲劳试验，研究加固后再生梁的疲劳刚度的改变情况，从而为实际加固疲劳工程提供参考。1、构件设计试验用的混凝土梁的构件尺寸及配筋图如上述的“加固再生梁的抗弯性能”所述。见图1所示。2、材料选择需要测量的各种材料性能指标也如上述的“加固再生梁的抗弯性能”所述。具体需要测量的数据如表1，表2和表3所示。3、加固方案对混凝土设计强度为C30的再生梁，分别进行0%、50%和100%三中再生骨料取代率的抗弯加固，加固方式为粘贴2层碳纤维加固。4、加载方案 再生梁加固的疲劳试验在岛津疲劳试验机上进行，首先对试验梁进行预载试验，确定各个加固梁和对照梁的极限弯矩，取70%-80%的极限弯矩为疲劳试验的上限荷载，逐级加载，每级荷载值取上限荷载的20%，分5级加载。静载试验阶段：在预载后，先做两次加载、卸载循环的静载试验，以消除加载系统各部分的间隙，并检验加载系统及数据采集系统是否正常。疲劳试验阶段：首先将荷载加至荷载下限，调节加载频率，施加荷载上限，然后以频率1HZ的正弦波进行疲劳试验。采用荷载控制方式，当疲劳循环次数N到达预定次数时，停止疲劳荷载，先卸载至零，两侧梁、碳纤维和残余应变，残余挠度等，在分级加载到疲劳荷载下限和上限，两侧钢梁的应变，碳纤维的应变和梁的挠度等。 （四）理论分析理论分析时由试验机的外荷载和支座反力按照平截面假定计算出各个破坏面的应力。对于弯曲加固和剪力加固的试验再生梁按照混凝土结构设计规范（GB50010-2002）建议的混凝土应力-应变方程进行计算，计算中取钢筋为二线性的关系曲线，纤维布采用直线关系。将理论计算出来的弯曲应力、极限应力与实验值进行比较分析，从而得出承载力计算结果与实测结果的比较，如图表6所示。再生梁的挠度可以看做是梁中部的挠度和支座挠度的叠加，并且按照挠度计算的相关规范，计算出量的刚度从而计算梁的挠度，并与试验值进行比较。表6：试验梁的试验值与理论计算值比较：试件编号开裂荷载屈服荷载极限荷载试验值/kN计算值/kN相对误差/%试验值/kN计算值/kN相对误差/%试验值/kN计算值/kN相对误差/%（五）有限元分析对于上述加固方案，应用Abaqus进行模拟分析，从而把有限元模拟值和实际值进行对照。在有限元软件分析中采用了如下的假定：（1）在受力的过程中，CFRP布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调方程；（2）钢筋与混凝土、CFRP与混凝土之间有很好的粘结，无相对的滑移。软件中采用的本够关系：（1）钢筋为理想的弹塑性模型；（2）再生混凝土的本够关系参照混凝土结构设计规范进行；CFRP为理想线弹性模型。并且设定碳纤维的应力超过其抗拉强度时，则认为纤维断裂，计算终止。六、试验步骤1、试验前应充分准备:熟悉各项试验仪器的操作，制作试验再生梁试件等；2、将对比梁、不同再生骨料取代率的梁进行浇注，试件养护28天后，先将再生混凝土梁底的表面打磨光滑，去掉1-2mm表面疏松层，并将浮灰清楚干净；3、粘贴纤维布之前先用丙酮擦洗再生混凝土表面，均匀涂上一层环氧树脂底胶，在用浸渍过碳纤维胶的碳纤维布贴在梁底并沿纤维的受力方向赶压出气泡，以使纤维布和混凝土紧密粘结。碳纤维胶固化7天后达到所需强度后进行加载试验。4、安装试，进行静载试验。正式加载前，先对每个试件预加2KN的力，检查所有的仪器时候正常，并消除各种接触不良现象；5、安装试件，进行抗弯试验，加载直至变形发展出现荷载下降为止，测度有关数据，并且密切观察裂缝变化情况，特别注意梁中弯矩最大处的挠度和裂缝发展情况；6、安装试件，进行抗剪试验，连续加载直至随变形发展出现荷载下降为止，测度有段数据，特别注意跨中挠度和支座处的应变变化情况；7、安装试件，进行再生梁的疲劳试验。循环反复加载，加载频率为1HZ，循环次数拟定在200万次。在一定循环次数时进行实测，做好数据和现象记录；8、初步整理数据和记录；9、拆除试件，清理现场；10、形成试验结果报告，发表学术论文；七、试验结果汇总和分析（一）加固混凝土再生梁的抗弯性能对于试验过程中的应变值，开裂荷载值，极限应变值及试验梁的挠度值做详细记录，并汇总如下：1、试验数据统计表1：加固后梁的抗弯试验结果编号开裂荷载/kN极限荷载/kN开裂弯矩/kNm-1极限弯矩/ kNm-1极限荷载提高率/%梁的破坏特征弯曲裂缝粘结破坏纤维板断裂表2：钢筋的极限应变、裂缝的宽度和挠度编号1234567891011121314151617181920钢筋极限应变裂缝宽度/mm挠度/mm2、绘制试验曲线通过实验数据，我们将得到如下试验曲线：载荷-挠度曲线；载荷-钢筋应变曲线；载荷-碳纤维应变曲线，荷载-裂缝宽度曲线；（二）加固混凝土再生梁的抗剪性能对于试验梁进行抗剪加固试验后，采用