粘钢加固钢筋混凝土简支型梁抗弯承载力研究

粘钢加固钢筋混凝土简支型梁抗弯承载力研究

长期以来，混凝土桥梁受到多种因素的影响，工作性能不断恶化，许多交通需求无法满足。在对这些桥梁做恰当的结构性能评估的基础上,通过加固补强来恢复提高承载能力,既满足了使用要求,又可节省大量的重建资金。桥梁加固的方法较多。由于碳纤维布的自重轻,强度高,比刚度大,抗疲劳性、减振性、耐腐蚀性好等特点,碳纤维布(CFRP)加固技术受到广泛关注。日本于1995年总结出了建筑领域的《连续纤维加固混凝土诸性质和设计法》;美国混凝土协会(ACI)成立了专业委员会ACI440研究FRP的应用,现在ACI440委员会正在进行规范草案的充实和修改工作。在国内,从上世纪90年代开始对纤维复合材料加固混凝土结构的技术进行研究。从已经发表的研究成果看有以下几个特点:①以试验为基础,由试验发现规律,进而寻求理论上的解释。②研究偏重于建筑结构的板、梁、柱,以桥梁结构为加固对象的研究成果较少。③在少数以桥梁为原型的研究中,绝大部分以板梁为模型,针对T型梁桥的很少。④考虑加固结构二次受力的研究报导甚少。应该注意到,大多桥梁结构是不卸载或部分卸载加固,加固之前已经承受恒载或部分恒载作用,而且,跨径越大,恒载所占比例就越大。因此,二次受力对于桥梁结构加固的影响是不可忽视的。由此可见,近年来所做的关于纤维材料加固结构的研究在指导桥梁工程实践方面还有待进一步提高。这也正是本文的出发点。本文旨在对碳纤维布加固桥梁结构的效果及机理进行探讨和研究。选择设计承载力低、急需加固、广泛存在于全国各级公路上、有较广应用价值的钢筋混凝土简支T型梁桥为研究对象。并以20世纪60～70年代大量修建的以汽-13、汽-15级为设计标准的标准跨径为16m的钢筋混凝土简支T型梁桥为原型。制作相似模型梁底粘贴碳纤维布加固,并重点研究碳纤维布数量和二次受力(加固前有初始荷载)对加固效果的影响。研究中主要考虑承载能力,其次是裂缝、刚度等正常工作状态指标。1试验模型、方案和过程1.1材料的安装及加固原桥为5梁式16m跨钢筋混凝土T型梁桥,根据模型相似原理设计了五片T梁。模型梁尺寸和配筋如图1,混凝土和受拉主筋的实测材料力学指标如表1。制作时在模板和钢筋骨架正确无误后,拌和浇注混凝土并养护至少28天,在T梁肋底粘贴长180cm、宽4cm的碳纤维布,如图2所示。粘贴时考虑了不同的纤维布层数和有无初始荷载。具体分为:裸梁,T-1梁,无初始载粘贴T-2、T-3梁,有初始载(模拟实桥恒载)粘贴T-4、T-5梁。裸梁和粘贴纤维布梁均属适筋梁。1.2初始荷载作用下的挠度、应变试验中对各片梁采用两四分点对称逐级加载的方式,在两个对称集中荷载之间形成纯弯段。试验测量内容包括:跨中、加载点、支点的位移和钢筋、混凝土、碳纤维的应变。在每级荷载下,由千斤顶上的传感器测出当前的荷载值,由静态数据采集仪自动扫描获得挠度值和应变值。当梁底开裂后,用刻度放大镜对裂缝的开展做观察,记录裂缝条数、开裂宽度、高度、开裂的形状等。T-1梁为对比梁,没有粘贴碳纤维布。纵筋屈服前,随着荷载逐级增加,梁的挠度、应变拟线性增大;纵筋屈服后,荷载几乎不能增加而挠度发展很快。试验中钢筋屈服时受压区边缘混凝土应变仅612με。T-2梁与T-3梁为没有初始荷载下分别粘贴一层和两层碳纤维布加固。加载初期,挠度、各材料应变随荷载线性增加,钢筋屈服后荷载继续增大,挠度增加速度明显加快,但小于T-1梁的增加速度,碳纤维布不时发出“啪、啪”的撕裂声,T梁达到破坏前的临界状态,荷载继续增加时,T-2梁的碳纤维布从中间突然断裂,而T-3梁的碳纤维布从端部剥离,部分保护层混凝土被剥落。由于巨大的应变能突然被释放,发生很大的声响,一些剥落的混凝土碎块被弹射出去,整个构件丧失了承载力而被破坏。T-4梁与T-5梁先用砝码施加初始荷载,初始荷载按实桥恒载效应与承载力的比值而定,然后分别粘贴一层和两层碳纤维布加固,待粘贴牢固后继续加载。试验中梁在初始荷载作用下已出现较丰富的裂缝。钢筋屈服前荷载与挠度基本呈线性关系,钢筋屈服后挠度增加明显加快,荷载仍可继续增大。当荷载加到28.65kN时,T-4梁的碳纤维布从中间突然断裂,而T-5梁在荷载达到33.64kN时碳纤维布从端部剥离,部分保护层混凝土被剥落,受拉钢筋和箍筋裸露出来,破坏过程也是在瞬时发生的。此时梁的变形十分明显,T-4梁跨中挠度达31.71mm,T-5梁跨中挠度达26.5mm。2试验结果的分析试验表明,粘贴碳纤维布后,截面应变仍较好地符合线性分布规律。2.1碳纤维布的应力由表2可见,碳纤维布对梁的屈服荷载和极限荷载均有所贡献,其中极限荷载的增长更为显著。钢筋屈服之前,碳纤维布与钢筋的应力应变随荷载同步增长,但由于其截面积相对钢筋较小,所以发挥的作用有限;钢筋屈服后其应力增长缓慢,而碳纤维布仍处于线弹性,应力继续增大,承担了大部分荷载增量。对未加固的梁,钢筋屈服后其应变剧增而应力增量很小,因此未加固的梁,一但钢筋屈服,便很难再承受更大的荷载了。粘贴的碳纤维布层数多,则承载力的提高幅度就大,但这种增长并非与碳纤维布数量成正比。试验中,粘贴二层碳纤维布对抗弯承载力的提高幅度小于粘贴一层纤维布时的二倍。这是因为破坏形式不同所致,粘贴一层的梁碳纤维布从中间被拉断,充分发挥了其高强特性;粘贴两层的梁碳纤维布从端部剥离,碳纤维布强度没有完全发挥出来。T-4、T-5梁为二次受力结构,碳纤维布的应变滞后于粘贴表面的混凝土应变。但值得注意的是,初始荷载对于纤维布被拉断破坏的极限荷载的影响很小。2.2加固梁挠度、抗弯刚度模型梁的荷载挠度曲线为三折线(图3),转折点分别发生在开裂和钢筋屈服。第一个转折点是受拉区混凝土开裂导致弯曲刚度突变造成的,由于T梁受拉区混凝土面积相对较小,开裂对刚度的影响不明显,所以第一个转折点不显著。在相同荷载下加固梁的挠度都比未加固梁小,但是减小的幅度随纤维数量、荷载大小、有无初始荷载而不同。在相同荷载情况下,T-1梁挠度最大,T-2梁和T-4梁次之,T-3梁和T-5梁最小。在加载初期,各试验梁的挠度相差不大;钢筋屈服后,未加固T-1梁的挠度急剧增加,荷载增加很小。相对而言经加固后的梁挠度增长缓慢,此时碳纤维布对加固梁的挠曲变形起到了显著的抑制作用。另外,由于碳纤维布应变滞后,初始荷载使梁破坏时的极限挠度较没有初始荷载的梁大,这点应引起不卸载加固重视。由于裂缝开展、钢筋应变沿梁长度分布不均匀,因而截面刚度分布也不均匀。对于两点对称加载的纯弯梁,平均抗弯刚度可由跨中挠度的计算式反推出。由图4可见,与未加固梁相比,碳纤维布使梁的刚度显著提高,尤其当钢筋屈服后提高更为显著。钢筋屈服前,粘贴一层碳纤维布提高了11.7%,粘贴两层提高了22.3%;钢筋屈服后,T-2梁的刚度相对T-1梁提高了137.8%,T-3梁提高了238.8%。2.3碳纤维布应变相位期钢筋屈服前各曲线比较接近(图5),表明此时碳纤维布的作用不明显,钢筋发挥了主导作用。钢筋屈服后,各曲线明显分离,在碳纤维布应变相等情况下T-3梁和T-5梁承受的荷载大于T-2梁和T-4梁,表明碳纤维布在此阶段正充分发挥其高强性能。试验中碳纤维布断裂时的应变在8000με到11000με之间,小于其极限应变,因此在应用时应考虑对碳纤维布引入有效利用系数。2.4加固后梁的裂缝分布由试验可见,粘贴碳纤维布的梁开裂荷载明显提高,平均裂缝宽度和最大裂缝宽度显著减小(如图6),裂缝条数增多。可见碳纤维布显著地抑制了裂缝开展。未加固梁的弯曲裂缝基本上都竖直向上开展,裂缝相互平行,分布较均匀。加固后梁一般地总是先出现几条主裂缝,其宽度和高度都较平均值大,主裂缝之间间距较大。随着荷载的增加,在主裂缝两侧出现斜裂缝,这些斜裂缝斜向上开展,最后与中间的主裂缝交汇。斜裂缝的产生是由于碳纤维布对梁底的剪切作用,当剪应力较大时,甚至产生水平裂缝。在主裂缝处,剪应力为零;裂缝两侧的一定区域内,混凝土与纤维发生剥离,在此区域内剪应力逐渐增大,到未剥离区域后逐渐减小。2.5未加固梁的影响配筋率对于钢筋混凝土构件截面延性影响显著,粘贴碳纤维布加固后的钢筋混凝土T梁,碳纤维布对截面延性的影响分两种情况:一是受压区混凝土被压碎,可把碳纤维布换算为钢筋,则加固后梁的等效配筋率比未加固梁高,因此降低了梁的延性。二是碳纤维布被拉断,设φy、φu为粘贴纤维布梁的屈服曲率和极限曲率,φy1、φu1为未加固梁的屈服曲率和极限曲率。由于屈服前纤维布的作用远不及钢筋,所以φy和φy1可认为相等;而φu小于φu1,因此梁的延性低于未加固梁的延性。为了保证纤维布加固的梁具有一定的延性和安全储备,美国ACI-440委员会建议:在混凝土受压破坏或FRP拉断之前,受拉钢筋应变值应达到0.5%以上。从表3可以看出,试验中粘贴碳纤维布后T梁的延性明显低于未加固梁,而且碳纤维布越多,则延性降低的也就越多。另外,施加初始荷载使梁的延性比对应的无初始荷载梁要大。3抗弯性能3.1碳纤维布界面剥离破坏类型试验知,T梁加固主要有下面几种破坏形态:①钢筋屈服后,受压区混凝土被压碎(塑性受压破坏);②受拉钢筋屈服后,纤维布被拉断(纤维断裂破坏);③梁底混凝土层剪拉破坏(粘结破坏);④混凝土梁斜截面破坏(剪切破坏);⑤纤维布沿粘贴界面脱离(剥离破坏)。在本文中,主要讨论前三种破坏类型。分析中采用平截面假定,忽略受拉区混凝土的作用,由于碳纤维布的厚度一般为t=0.1mm～0.2mm,与梁高h相比,t/t<1%,故可以忽略碳纤维布厚度的影响,认为碳纤维布中心离梁顶的距离等于梁高。在实际结构中梁高更大,即使所贴碳纤维布层数较多,仍可以作此假定。材料本构关系,混凝土采用CEB-FIP所推荐的Rich.H模型;钢筋采用非强化模型;碳纤维布采用线弹性模型。3.2钢筋顺边布完整生长界限破坏状态有:①破坏时受压区混凝土被压碎,同时受拉钢筋刚好屈服;②受压区混凝土被压碎,同时纤维布刚好被拉断;③纤维被拉断的同时,混凝土受压区边缘应力刚达到抗压强度。由于所用符号均为常用符号,以下的推导不再解释。3.2.1ydybybybybybybybybybybybybybybbybybybbybbybybbybbybbybybbybybbybbybbybbybbybbybbybbybbybbybbbybbybbybbbybbbybbybbybbybbbybbybbbbybbybbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbybbbybbbbybbbbybbybbybbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbybbbbbbbbbbybybybybybybybybybyb对于上述三种界限破环状态,设受压区高度分别为x1、x2和x3,根据截面上力的平衡有{∫x10σ(y)b(y)dy=RgAg+Ef(h-x1)Eg(h0-x1)RgAf∫x20σ(y)b(y)dy=RgAg+RfAf=Rg(Ag+λAf)∫x30σ(y)b(y)dy=RgAg+RfAf=Rg(Ag+λAf)(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∫x10σ(y)b(y)dy=RgAg+Ef(h−x1)Eg(h0−x1)RgAf∫x20σ(y)b(y)dy=RgAg+RfAf=Rg(Ag+λAf)∫x30σ(y)b(y)dy=RgAg+RfAf=Rg(Ag+λAf)(1)令ζ=Ef/Eg,η=(h-x1)/(h0-x1)‚λ=Rf/Rg,C1=∫x10σ(y)b(y)dyRg‚C2=∫x20σ(y)b(y)dyRg‚C3=∫x30σ(y)b(y)dyRgζ=Ef/Eg,η=(h−x1)/(h0−x1)‚λ=Rf/Rg,C1=∫x10σ(y)b(y)dyRg‚C2=∫x20σ(y)b(y)dyRg‚C3=∫x30σ(y)b(y)dyRg则简化为:{Ag+ζηAf=C1Ag+λAf=C2Ag+λAf=C3(2)⎧⎩⎨⎪⎪Ag+ζηAf=C1Ag+λAf=C2Ag+λAf=C3(2)以Ag为横坐标,Af为纵坐标,则上式代表三条直线,将坐标平面分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域,如图7所示。直线a-a,b-b,c-c分别代表界限破坏①、②、③,区域Ⅰ代表超筋梁的破坏形态,区域Ⅱ、Ⅲ分别代表梁的破坏形态①、②,区域Ⅳ表示梁由于纤维布被拉断破坏时,混凝土压应变还未达到峰值应变。3.2.2初始荷载p0的影响设受压区高度分别为x′1、x′2和x′3,同理得{∫x′10σ(y)b(y)dy=RgAg+Ef[Rg(h-x′1)Eg(h0-x′1)-εi]Af∫x′20σ(y)b(y)dy=RfAf+RgAg∫x′30σ(y)b(y)dy=RfAf+RgAg(3)化简得{Ag+ζ(η+εiεgy)Af=C′1Ag+λAf=C′2Ag+λAf=C′3(4)其中εi为初始荷载P0作用下梁底混凝土的初始平均拉应变。以Ag、Af为变量,则上式表示三条直线,如图7所示。与图8比较可见:由于考虑初始荷载,使得表示界限破坏状态的直线a-a,b-b,c-c偏移为a′-a′,b′-b′,c′-c′。偏移量与初始荷载相关,P0越大,偏移量越大。当点(Ag,Af)处于阴影区域内时,考虑初始荷载P0得到的破坏状态与不考虑得到的不同。根据图7和图8,我们可以预测截面受拉配筋为Ag的梁粘贴截面积为Af的纤维布后的破坏形态。3.3计算开口荷载的限制(1)t梁桥类型分类根据应变关系,受压区高度:xc=εcεc+εfh＞0.19h(5)对于公路普通钢筋混凝土简支T梁桥,此式一般适用。可见在这种破坏状态下,公路上的混凝土T梁桥属第二种类型T梁。根据《JTJ023-85》规范,混凝土受压区应力按矩形计算,经推导有x=βxc(6)且mx2+nx+p=0(7)其中m=Rabn=Ra(b′i-b)h′i-RgAg+Ef(εcu+εi)Afp=-βEfεcuAfh即可解出x和εf,则极限承载能力Μj=Rabx(h0-x2)+Ra(b′i-b)h′i(h0-h′i2)+EfεfAf(h-h0)(8)(2)凝土压应力的稳定性碳纤维布被拉断,受压区混凝土边缘应力达到抗压强度(图10)。根据平截面假定xc=εcεc+εfuh=0.12h∼0.19h(9)由于受压区混凝土未达到极限压应变,所以精确的解法是根据混凝土压应力的实际分布,求出合力位置,然后钢筋、碳纤维布的作用力分别对此取矩即得承载能力。但此时受压区高度较小,故按规范中矩形等效应力的方法计算仍是可行的。受压区高度x=[RgAg+RfAf-Ra(b′i-b)h′i]/Rab(10)极限承载能力Μj=Rabx(h0-x2)+Ra(b′i-b)h′i(h0-h′i2)+RfAf(h-h0)(11)实际上,公路RC简支T梁桥的肋板厚度与翼板宽之比仅1/9,肋板受压区部分对混凝土合力作用位置的影响可忽略不计,故极限承载能力可由下式简化求得Μj=RgAg(h0-h′i2)+RfAf(h-h′i2)(12)(3)混凝土压应力碳纤维布被拉断,受压区混凝土边缘应力未达到抗压强度按第一类T梁计算,混凝土压应力按三角形分布(图11)。则x=√1+2Q-1Qh(13)其中Q=(Rf+Efεi)b′ihRgAg+RfAf极限承载能力为Μj=RgAg(h0-2x3)+RfAf(h-2x3)(14)(4)试验结果分析梁底混凝土层剪拉破坏(粘结破坏)这种破坏类型突发性和离散性较大,主要是由于碳纤维布端部粘贴界面剪应力较大造