精品文档粘贴碳纤维布提高钢筋混凝土梁抗剪承载力

1、桥梁加固与改造技术关于粘贴碳纤维布提高钢筋混凝土梁抗剪承载力的读书报告日期：2011年12月18日粘贴碳纤维布提高钢筋混凝土梁抗剪承力的读书报告摘 要：为了全面研究碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪受力性能，本文基于凌老师的讲课内容，并通过阅读其他相关文献（试验参考天津大学土木工程系所做12根碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁），分析了用碳纤维布加固后梁的抗剪破坏特征、抗剪承载力以及影响碳纤维布抗剪加固效果的因素（碳纤维布的粘贴层数、碳纤维布的宽度和间距、梁的剪跨比及梁的配箍情况等）。分析结果表明，采用碳纤维布加固对提高钢筋混凝土梁的受剪承载力有明显的效果，并可改善钢筋混凝土梁的变形性能，增强其变形能力。

2、在此基础上提出了碳纤维布加固钢筋混凝土梁受承载力计算公式，通过对比其他试验，得出公式的适用性及其有待改进的地方。关键词：碳纤维布；钢筋混凝土梁；加固；抗剪承载力1 前 言1.1 纤维增强材料用于加固钢筋混凝土梁的研究状况1.1.1 国外研究状况1981 年，瑞士 Merci 最早采用粘贴碳纤维复合材料(CFRP)加固了 Ebach 桥。此后十年间，国外许多学者对采用纤维材料加固钢筋混凝土构件进行了深入的研究，Philip，Alfarabi Shad、及 Hamid saadatmanesh等分别使用玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics 简称 GFRP

3、）、碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastics 简称 CFRP）、及芳纶纤维增强塑料(Aarmid Fiber Reinforced Plastics 简称 AFRP)进行了构件受弯加固试验，试验中纤维增强塑料加固梁发生了不同的破坏状态，主要包括：（1）纵筋屈服后，混凝上压碎；（2）纵筋屈服后，碳纤维拉断；（3）纵筋屈服前，混凝土压碎；（4）由于弯剪斜裂缝的出现，使碳纤维在该裂缝处剥离，并由于该裂缝的发展，使碳纤维剥离一直延伸至端部，造成破坏；（5）由于碳纤维端部应力集中，使该处混凝土出现裂缝，从而使混凝土在纵筋位置处发生保护层的拉剪破坏；（6）由于碳纤维

4、与混凝土的锚固不足发生的锚固破坏。其中，对于破坏状态（1）和（2），试件破坏时纤维增强材料发挥了强度，且纵筋已经屈服，极限位移较大，在加固中应优先选用；对于破坏状态（3）试件破坏时，纵筋没有屈服，混凝土己经压碎，相当于超筋破坏，在加固设计中应避免其发生；对于破坏状态（4），（5），（6），试件破坏时碳纤维及混凝土材料没有发挥其极限强度，材料的利用率较低，在加固设计中宜采取附加锚固措施避免其发生，这三种破坏称为早期破坏。研究结果表明：没有任何附加锚固措施的加固梁通常发生早期破坏，为了避免早期破坏的发生，可采用各种不同的附加锚固措施，主要有：在 FRP（Fiber Reinforced Plast

5、ic）端部加 U 型箍；延长 FRP 至支座处；在 FRP 端部用螺栓锚固。试验结果表明：在 FRP端部用螺栓锚固可以避免混凝土与 FRP 分离破坏的发生，但在 FRP 端部混凝土中产生较大的应力集中，从而在该位置处产生较大的弯曲裂缝，最后裂缝斜向上发展，从而引起FRP 上部混凝土斜向受拉破坏（此时，荷载只是受剪承载力的 6065%）；延长 FRP 至支座及在 FRP 端部加 U 型 FRP 箍，可防止 FRP 梁发生早期破坏，从而提高了加固梁的受弯承载力。1990 年，Wei 和 Saadamanesh 分析了配筋率、FRP 加固量、混凝土强度、FRP 模量与强度等影响因素。研究表明，加固效

6、率随配筋率的增加而降低；同时提高混凝土强度和加固纤维材料用量能有效提高极限承载力。1997 年意大利 Bencardino 在 Calabria 大学进行了 CFRP 板加固试验，在没有施加端部锚固的情况下，由于粘贴了 CFRP 板，构件延性降低，当采取外部粘贴型钢夹具锚固时，延性得到恢复，随后这种锚固方法成功用于结构加固。1994 至 1997 年间，Tom Norris、Ghazi J.AlSulaimani、宇治公隆、福山洋及荒木伸宏等对受剪加固梁的性能进行了试验研究，试验结果表明：当碳纤维方向垂直于裂缝时，可以大幅提高受剪承载力及刚度；纤维方向与裂缝有一定角度时，可以较小提高受剪承载力

7、和刚度；不同的粘贴方法产生不同的破坏形态，碳纤维环包粘贴时，加固梁的破坏状态为碳纤维断裂，侧面及 U 形粘贴时，加固梁容易发生碳纤维剥离破坏；FRP对受剪承载力的贡献与其破坏时最大应力有关，不同的粘贴方式其最大应力不同，且加固梁破坏时碳纤维的最大应力远小于其极限应力。对于碳纤维加固梁受剪承载力的计算，很多学者采用普通钢筋混凝土理论，把纤维增强材料等效为钢筋，由于破坏时纤维材料的应力远小于其极限强度，因此需要降低碳纤维强度。对于纤维强度降低系数，不同学者的取值不同。宇治公隆提出碳纤维拉断破坏时其应变只有极限应变的 46%；荒木伸宏对碳纤维的强度降低系数建议取 0.6。英国学者 Nikolaos

8、Plevris 等通过对 3 根混凝土梁的试验，得出用 CFRP材料加固混凝土结构是一种很好的加固方法，与 GFRP，AFRP 相比，CFRP 加固后随着时间的增加，其跨中挠度要远远低于 GFRP，AFRP 加固的构件。Hamid Saadatmanesh 等人进行了粘玻璃纤维板加固钢筋混凝土梁的试验和碳纤维加固梁的抗弯性能试验，结果表明加固后试件的抗弯强度提高、裂缝宽度减少，低配筋率的梁加固后性能提高幅度较大，试件的延性有所降低。Sharif 等进行的用玻璃纤维加固未卸载的钢筋混凝土梁的试验结果表明，加固后试件的破坏虽然呈脆性，但仍表现出了一定的延性；进行正截面抗弯加固时，由于斜截面抗剪能力

9、不足将产生斜裂缝而导致纤维板的剥离，通过在板端部加螺栓锚固能够在一定程度上对这种剥离破坏进行约束。1.1.2 国内研究状况我国从 1996 年正式开始对纤维增强塑料（FRP）加固修复混凝土结构进行研究，并在 1998 年开始了实际工程的应用。目前，国内已有近十个科研院所（以国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建筑科学研究院、四川建筑科学研究院为代表），十余所高校（以东南大学、清华大学、天津大学、武汉大学、同济大学、长安大学为代表）对其性能及加固方法与效果进行了大量研究，并取得了较丰富的研究成果。2 碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪的试验研究2.1 试验目的和主要研究内容此次试验的目的是要获

10、取相关研究的试验数据,并对碳纤维布补强加固后的钢筋混凝土梁的抗剪性能进行试验研究和理论分析。主要研究内容有： （1）验证碳纤维布对钢筋混凝土梁抗剪性能的改善作用;（2）研究碳纤维条的宽度和间距、碳纤维布粘贴层数、梁的剪跨比、配箍率和混凝土强度等试验参数对加固效果的影响;（3）寻求一个较合理的计算模型,并提出简化设计计算公式。2.2 试件的设计与制作试验梁为矩形截面的简支梁（试件尺寸及配筋图见图1），分为两组,b×h = 150mm ×250mm，跨度l = 2 200mm，净跨l0 = 2 000mm，混凝土保护层厚度为30mm。两组梁配置的纵筋相同, 均为316 ;架立筋

11、为24 。由于本次试验主要研究粘贴的碳纤维布对钢筋混凝土梁抗剪作用的影响,故箍筋用量较少,第组梁的配箍率为0.112%;第组梁的配箍率为0.158%。考虑到仅在梁两侧粘贴碳纤维条的加固效果不明显 ,本次试验的补强加固措施采取在剪弯区段内用碳纤维条横向包裹的方式(图2) 。试验之前,先将混凝土表面进行打磨、平整,去掉12mm 的表面疏松层,并将浮灰清除干净。在正式粘贴碳纤维条之前,用丙酮擦洗混凝土表面去脂。随后在混凝土表面均匀涂抹一层均匀饱满的粘结剂,将已裁剪好的碳纤维布粘贴上去,并沿碳纤维受力方向施压赶出气泡,以使碳纤维与混凝土表面紧密粘结。当碳纤维布粘贴层数多于一层时,重复上述过程。然后,在

12、碳纤维布表面再涂抹一层粘结剂,上覆塑料薄膜,并用木模板压紧碳纤维布,一周后待粘结剂完全固化,方可拆模试验。试验梁的编号及各种补强加固情况见表4 。图1 试件尺寸及配筋图图2 试验加载示意图试验梁的混凝土为C20 ,纵筋和箍筋分别为级和级,混凝土与钢筋的实测力学性能指标亦见表1 。碳纤维织物采用6K碳纤维布,其主要性能指标见表2 。碳纤维布与混凝土之间的粘接剂采用环氧类建筑结构胶,其各项性能如表3所示。2.3 加荷方案试验的加载简图见图2 。加载方案采用分级加荷的方式,每级荷载10kN。每级加载后,持荷5min ,待仪表的指示值基本稳定后观察裂缝发展情况,并记录箍筋及碳纤维条的应变。随后,继续下

13、一级加载。图2 中的参数C 和D ,除试件BV 5和BV 6 分别取为800 ,400mm 以外,其余的试件分别取500 ,1 000mm。2.4 试验结果与分析2.4.1 受剪承载力试验的主要结果见表4 ,试验结果显示了以下规律:(1) 碳纤维条的间距越小,则加固梁的抗剪承载力提高得越多。碳纤维条间距对抗剪承载力的影响如图3 所示,图中P0 为试验对比梁的抗剪承载力。(2) 碳纤维条粘贴层数越多,则加固梁的抗剪承载力提高得越多。在碳纤维用量相同的情况下,条带间距小、层数少的加固方案要优于条带间距大、层数多的加固方案。单层条带加固的试件,破坏类型多数为碳纤维条在斜裂缝处被撕裂,而包裹两层碳纤维

14、条的试件,其破坏类型为碳纤维条从混凝土表面剥离,使得试验梁拐角应力集中处的碳纤维条在较低的应力水平(碳纤维的应变为50006000,小于单层加固方案中碳纤维的应变) 下提前破坏。另外,外层的碳纤维条不能完全发挥其作用也是一个原因,即碳纤维在使用中存在层数引起的强度折减问题。(3) 梁的剪跨比较大时加固效果明显,破坏形态也从脆性的斜拉破坏转变为变形性能稍好的剪压破坏。(4) 梁的配箍率较低时加固效果明显。(5) 混凝土强度较高时加固效果好。试件BV4 和BV2 的加固方案完全相同,但试件BV2 破坏是由于粘结面的混凝土被剪坏,破坏时碳纤维应变(6500左右) 较小,小于一般情况下的极限拉应变,碳

15、纤维的抗拉强度没有完全发挥作用,而试件BV4的破坏是由于碳纤维条在斜裂缝通过处被撕裂,破坏时碳纤维的应变( > 9 000) 较大。2.4.2 荷载挠度曲线典型试件的Pf 曲线绘于图4 。从图中可以看出,碳纤维抗剪加固方法能提高梁的整体刚度和变形能力,这种提高在剪跨比较大或配箍率较低时尤为明显,即碳纤维条影响钢筋混凝土梁刚度的规律与影响抗剪承载力的规律相同。通过研究现有的文献资料,本文认为试件刚度的提高,一方面是由于加固所用碳纤维条对梁刚度的直接贡献,另一方面是由于粘贴碳纤维条使得斜裂缝开展缓慢,对刚度的提高起到了间接作用。图4荷载挠度曲线2.4.3 斜裂缝的开展试件典型的斜截面裂缝宽度

16、随荷载P的变化曲线绘于图5 。从图中可以看出,粘贴碳纤维条的梁抗剪加固方法,无论是对处于斜拉还是剪压情况的试验梁,除了都能提高构件的抗剪承载力以外,还可以提高斜截面的抗剪变形能力。从试验现象中也可以观察到,用碳纤维布加固后的钢筋混凝土梁,在斜截面破坏之前都有碳纤维条的撕裂、起鼓和起皱等破坏先兆。图5 P曲线2.4.4 碳纤维及箍筋的应变构件BV2 中箍筋及碳纤维实测应变的发展情况见图6 ,各测点位置如图7 所示。从图中可以看到,在同一荷载P作用下,碳纤维的应变与箍筋的应变并不相同。在斜裂缝开裂之前,两者应变相差不大,碳纤维应变略大于箍筋应变。但当斜裂缝出现后,碳纤维应变的增加远大于箍筋应变的增

17、加,这与文的结论相同。图6 构件BV 2 中箍筋及碳纤维实测应变 几点说明(1) 对于试件BV2 ,其抗剪承载力低于未加固的试件BV1 ,这一结果说明,用碳纤维条加固钢筋混凝土梁时,碳纤维条之间的距离不宜过大,否则不但起不到加固作用,反而会降低原构件的抗剪能力,其原因有待进一步研究。(2) 在实际工程中,粘贴碳纤维条通常是在梁侧面粘贴碳纤维布,或用U 形条在梁底面和两个侧面进行抗剪加固。为考察梁顶面碳纤维布的作用,试验中在梁顶面的碳纤维条上粘贴了应变片,以测量其受力变化情况。从实测数值来看,直到试件破坏,梁顶面碳纤维的应变始终很小( < 100) ,其作用可以忽略不计,所以本次试验的数据

18、结果可以用于实际工程中。3 CFRP 布加固钢筋混凝土梁抗剪承载力设计计算3.1 CFRP 布加固混凝土梁剪力传递机理通过对 CFRP 布作用的分析发现，采用外部粘贴 CFRP 布加固钢筋混凝土梁时，CFRP布的作用机理和箍筋非常相似。为了进一步理解 CFRP 布在抗剪中的剪力传递机理与破坏机理，仍用传统的析架拱模型来解释：对粘贴 CFRP 布混凝土梁，在梁开裂前，CFRP布的作用不明显，但在斜裂缝出现后，试验表明，与斜裂缝相交的 CFRP 布中的应力会突然增大，CFRP 布除参与承受剪力外，还可以有效地减小斜裂缝的宽度，提高斜裂缝处混凝土的骨料咬合作用。混凝土基本拱体为受压上弦杆、纵向钢筋为

19、受拉下弦杆、斜裂缝之间的小拱和等为混凝土受压斜腹杆、箍筋为受拉垂直腹杆、CFRP 布条带为受拉垂直腹杆或受拉斜腹杆（由粘贴角度决定）。传力过程为：CFRP 布可以将被斜裂缝分割的小拱、牢固地连接起来，这些小拱支承在纵向钢筋上，小拱传递来的内力通过 CFRP 布和箍筋再传递到主斜裂缝以上的基本拱体上，使小拱能更多地传递内力，从而减轻了基本拱体拱顶截面的负担，使剪压面上的应力集中得到缓和，从而提高了整根梁的抗剪能力。可见，外贴的 CFRP 布类似于增设了箍筋，但 CFRP 布的作用与梁内箍筋的作用还是有区别的：(1) 箍筋的锚固性能好，而外贴 CFRP 布的锚固性能较难保证 CFRP 布的锚固性能

20、对加固效果及破坏特征影响较大，如在侧面粘贴 CFRP 布条带加固时，由于在端部发生应力集中现象，所以发生的均为粘结破坏，加固效果也不明显。若是“U 形条带+压条”的加固方式，在底部不存在应力集中现象，当在顶部增设压条后，压条不仅对抗剪有利，而且使该处应力集中现象得到较大的改善，破坏时部分 CFRP 布被拉断，部分发生粘结破坏。若条带裹梁，由于锚固性能好，破坏时 CFRP 布被拉断，破坏时，虽然梁中部的部分 CFRP 布与混凝土脱开，但仍能传递一定的剪力。(2) 钢筋为延性材料，而 CFRP 布为脆性材料。因为钢筋为延性材料，所以在斜裂缝产生后，箍筋虽已屈服，但并未被拉断，其良好的延性性能保证其

21、它箍筋也进入屈服阶段。CFRP 布为脆性材料，而斜裂缝底部较宽，顶部较细，故底部的 CFRP 布较早、较大地发挥作用，而顶部的 CFRP 布较小、较晚地发挥作用，所以会导致底部的 CFRP 布超过其极限应变先破坏，然后，其它部位的 CFRP 布被各个击破，也就是说，由于 CFRP 布为脆性材料，很难保证抗剪加固用的 CFRP 布同时达到极限强度，这与梁内箍筋的作用有很大的区别。3.2 设计公式碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,其加固效果及作用与箍筋类似。根据参考的试验结果及现行混凝土规范中有腹筋梁的受剪承载力设计公式,给出加固梁受剪承载力计算公式:式中: 为构件斜截面上碳纤维受剪承载力设计值,反映了

22、碳纤维对抗剪强度提高的综合影响;为碳纤维布的受剪承载力影响系数,与混凝土强度、剪跨比和碳纤维布粘贴质量有关,本文取 = 0.7 ; 为碳纤维布的抗拉设计强度;为碳纤维布抗拉强度折减系数(或“碳纤维布强度利用系数”) ,从试验中发现,加固梁弯剪区段内的各碳纤维条的应变并不相同,考虑到碳纤维应力的不均匀性,对碳纤维的抗拉强度进行折减,同时考虑粘贴层数的影响,对于一层的情况可以取= 2/ 3 ,二层的情况取= 1/ 2 ; 为配置在构件同一截面内碳纤维的全部截面面积;为碳纤维条的间距。式(1) 计算的结果与试验实测值的比较见表5 。试验结果与计算结果之比的平均值为1.22 ,均方差为0.05 ,变异

23、系数为0.05 。这些计算指标与现行规范中钢筋混凝土矩形截面构件受剪承载力的有关分析数据接近,说明本文提出的碳纤维布加固钢筋混凝土梁受剪承载力计算公式的可靠度指标接近现行规范,是偏于安全的,因此可以满足工程设计的要求。3.3 试验及设计公式中存在的问题(1) 试验以梁在无应力状态下粘贴加固研究为主，未考虑结构的二次受力，这与实际情况存在差异；(2) 对混凝土及箍筋对CFRP 布的影响还没有较详细的研究；(3) 碳纤维布的受剪承载力影响系数及碳纤维布抗拉强度折减系数的合理取值有待进一步试验研究。4 结论与展望为了全面研究 CFRP 布加固钢筋混凝土梁抗剪受力性能，本文参考天津大学土木工程系所做1

24、2根碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁的试验，分析了CFRP 布加固钢筋混凝土梁斜截面的破坏过程、破坏机理、及其影响因素等，其次在试验结果的基础上对用 CFRP 布加固钢筋混凝土梁的抗剪理论作了简单探讨，并分析了相应计算公式的适用性及其存在的问题。具体结论归纳如下： 1. 碳纤维布加固钢筋混凝土梁受剪跨比、混凝土强度和配箍率等因素影响。2. 试验研究证实，粘贴碳纤维条后，试验梁的开裂荷载和受剪承载力都明显提高，其中受剪承载力的提高更为显著。3. 碳纤维布对提高梁的受剪承载力的作用机理与箍筋相似。碳纤维条的宽度越大、间距越小、粘贴层数越多,其作用也越明显,梁的抗剪承载力提高得越多。但在碳纤维用量相同的情况下，碳纤维条间距较小者加固效果好。4. 碳纤维布在提高钢筋混凝土加固梁抗剪承载力的同时,还可以提高梁的整体刚度，改善构件的变形性能，增强构件的变形能力