钢筋混凝土框架梁粘碳纤维加固现场加载试验.doc

钢筋混凝土框架梁粘碳纤维加固现场加载试验徐德新 刘小明 余震 徐芸 王刚1、工程概况由于功能的改变，某国税局住宅楼部分钢筋混凝土框架荷载增加，原有截面及配筋不满足要求，为满足结构功能要求，需进行补强加固。经分析认为，采用碳纤维（CFRP）加固比较合理，采用碳纤维加固梁、板及柱，武汉大学及武汉长江建筑工程技术有限责任公司已进行了大量的试验研究，并已成功地应用于工程实际加固中，如广西工学院学生礼堂屋面板加固、湖北工学院体育馆的加固等。但由于该种新材料的研究及应用尚处于起步阶段，相应的技术规程尚未颁布实施，又因本次是对整栋大楼的加固，为进一步分析研究碳纤维加固后的性能，确保加固后结的可能性，我们对该楼中的两梁进行了粘贴碳纤维加固，并按设计院提供的荷载进行了现场加载试验研究。2、试验材料用于结构加固修补的碳纤维材料强度为普通建筑用钢的10倍左右，弹性模具与建筑用钢板在同一水平上并略有提高，是一种很好的结构加固修补材料。实际加固修补用面碳纤维材料为碳纤维织物，并有各种不同型号与尺寸。本次试验用CFRP及粘贴结构胶YZJ，其性能见表1、表2。表1 结构加固修补用碳纤维材料L300-C主要性能指标抗拉强度设计值MPa弹性模量MPa延伸率%密度（m-3）耐腐蚀性浸透性均匀度35502.41052.01790优良好良好表2 粘贴CFRP用长江牌（YZJ）建筑结构胶力学性能抗拉强度MPa抗剪强度MPa与混凝土粘贴强度MPa适用温度弹性模具GPa303524302.2-40+70563、计算分析采用碳纤维加固梁极限承载力的计算与普通混凝土梁有所不同。基本假定为：梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；混凝土、钢筋的应力-应变关系按现行国家规范取用；不考虑受拉区混凝土的作用；碳纤维材料的拉应力取碳纤维材料弹性模量与其拉应变的乘积，即f=Effo根据上述假定，截面分布见图1，由平衡条件可得：fbx=fAs+ffAf （1）M=12ffAf（h-x/2）+fAs（ho-x/2） （2）其中，1为碳纤维材料强度折减系数，根据我们对9根混凝土梁粘贴碳纤维试验，可偏于安全取1=0.60.8；2为碳纤维材料与原有钢筋的共同工作系数，加固构件属于二次受力结构，若原结构受力太大，碳纤维材料就不易达到强度设计值。为使碳纤维材料尽早地参加工作，故在实际工程加固时应尽可能地卸载，否则，在设计时应根据具体情况乘以共同工作系数2，2可取0.81.0。本次加固前，已将大部分楼面板打掉。按上述公式计算，为满足设计要求，KL307梁需粘一层碳纤维，L302梁需粘二层碳纤维，其尺寸每层为0.1672003200。4、现场加载试验4.1检测内容根据设计院设计的加固图纸，对该住宅楼中的两根框架梁进行现场加载试验，加载的两根梁名称为：8轴CF轴跨KL307梁；E轴24轴跨L302梁，加载示意见图2。在对框架梁粘贴碳纤维后，主要就以下内容进行测试：在荷载作用下混凝土、碳纤维的应变；在标准荷载作用下的挠度；在标准荷载作用下混凝土梁裂缝的开展情况；在标准荷载作用下梁受压区高度的变化情况。试验梁分5级加载，由于荷载较大，采用千斤顶及砂袋加载。4.2应变片的位置在试验梁最大弯矩处顶、底、侧面及碳纤维表面分别粘贴应变片，见图2。安装千分表或百分表，实测在各级荷载作用下的挠度、应变，并观察裂缝发展情况等。图2 KL307、L302梁加载及测点布置示意图(KL307梁的10号测点为受拉主筋)粘贴碳纤维时，必须将混凝土表面打磨平整、清理干净；转角粘贴处（如U形箍）应打磨成圆弧状，以保证碳纤维布与混凝土有良好的粘结。现场裁剪碳纤维布，分段粘贴时搭接长度不小于100，粘贴时用辊子滚压，挤出气泡。CFRP加固修补混凝土结构施工工艺与步骤见图3。图4 KL307梁截面应变实测值 图5 L302梁截面应变实测值1标准荷载，2设计荷载 1标准荷载，2设计荷载5、试验结果及分析5.1截面沿梁高的应变分析试验过程证明，碳纤维片材与梁底混凝土未出现分离现象，由KL307梁实测应变（表3）及平均应变分布（图4）、L302梁实测应变（表4）及平均应变分布（表5）表明，碳纤维片材加固后的梁，其平均应变的分布可以认为符合平截面假定。5.2挠度分析KL307梁、L302梁在加载过程中跨中荷载与挠度曲线见图6，在达到标准荷载时，实际挠度远远小于容许挠度，基本处于弹性状态，试验证明，未粘碳纤维梁与粘碳纤维梁相比，粘贴碳纤维的梁钢度增加，挠度减小。（涂敷基底结构胶工作）确认混凝土表面状态搅拌、涂敷基底结构胶，利用腻子整平结构表面（基层处理工作）修补裂缝去除损伤劣化混凝土表面打平，将转角打成圆弧状（准备工作）临时设施工程（脚手架等）（铺贴碳纤维工作）绘制碳纤维布的设计图剪切碳纤维布铺贴基准放线确认基底结构胶面状态当多层铺设时搅拌浸渍结构胶涂浸结构胶铺贴碳纤维布表面涂浸渍结构胶图3 CFRP加固修补混凝土结构施工工艺与步骤 表3 KL307梁截面应变实测值 10-6荷载/KN测点123456789101112P1=12，P2=50-58-46-36-15019265239454976P1=42，P2=107-116-109-79-49-22236058475170117P1=72，P2=164-209-184-150-87-255097131109116118216P1=84，P2=187-260-239-190-93-2961130163129141146286P1=96，P2=210-316-282-226-113-2872151218179190173363P1=116，P2=224-364-330-261-131-2881170267227241199432注：10号测点为受拉主筋表4 L302梁截面应变实测值 10-6荷载/KN测点12345678910P1=14，P2=5-37-34-28-18-2419272433P1=33，P2=15-81-73-62-36-41942746896P1=52，P2=25-142-129-99-59-83062120120160P1=71，P2=35-175-171-132-76-84990170157240P1=90，P2=45-216-211-162-92-85499193175289图6荷载挠度曲线1加载曲线，2卸载曲线5.3裂缝分析根据混凝土结构设计规范（GBJ10-89）对未加固梁KL307进行了裂缝宽度的计算，计算结果为裂缝宽度达0.096mm。但对KL307梁在加载至标准值时，对梁截面下部进行了细致地观察和寻找，并没有发现裂缝，说明粘贴碳纤维后，延缓了梁的裂缝开展，或者说减小了裂缝宽度。5.4受压区变化分析由KL307梁的实测荷载和应变值（表3）可见，加荷前及加第一级荷载后，截面高度1/2（5号测点）处应变值为零，但从加第二级荷载后，载面高度1/2处应变值由零变为负值。受压区高度增加，这说明随着荷载的增加，碳纤维受力截面中和轴下移。随着荷载的增加，截面高度1/2处应变值基本稳定在-3010-6左右，说明碳纤维与混凝土梁完全共同工作，结构胶粘结可靠。试验证明，在短期荷载作用下，碳纤维片材的粘贴仅满足弯矩图的要求，并没有出现碳纤维片材与混凝土分离的现象，但考虑荷载的长期效应，建议在大面积粘贴碳纤维用于梁、板的受弯加固时，碳纤维片材宜延伸至支座边缘。6、结论使用碳纤维片材提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是有效的。粘贴碳纤维片材后，试验梁的受弯承载力明显提高。碳纤维片材加固混凝土梁计算方法是可靠的、安全的，能满足工程设计的要求。碳纤维片材补强加固钢筋混凝土梁时，截面的平均应变仍然符合平截面假定。在混凝土梁底粘贴碳纤维片材后，构件的刚度增大，挠度减小，试验加载表明，混凝土梁加载达到标