CFRP加固RC双向板的挠度和破坏形态

李文盛,王晓伟

(长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023)

0 前言

近年来,随着纤维复合材料在钢筋混凝土结构加固中广泛应用,相应的加固试验研究也取得了丰富的成果。目前,国内外对碳纤维复合材料加固(Carbon-Fibre Reinforced Plastic,简称CFRP)钢筋混凝土(Reinforced Concrete,简称RC)梁的研究比较成熟,而对碳纤维复合材料加固钢筋混凝土双向板正常使用阶段的挠度、裂缝的研究较少[1-6]。《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)[7](以下简称规程)也未明确指出加固后钢筋混凝土板的正常使用阶段挠度、裂缝的验算方法。本文以钢筋混凝土基本理论和方法为出发点,结合试验研究,分析了二次受力情况下CFRP加固 RC双向板的挠度变化、破坏形态和破坏机理,为设计与施工提供了有价值的参考依据。

1 试验方案

本次试验共制作了 4块相同规格的钢筋混凝土双向板,板的平面尺寸及配筋见图1a(实线为板的实际尺寸,虚线为板的受力区),板厚80 mm,钢筋保护层厚度为短向15mm,长向为15mm加上钢筋直径6mm。试验板编号以及配布方式见表1。加固板的同方向相邻碳纤维布中心间距均为300mm,在这种贴布方式下,板的四角未贴布区域均呈正方形,图1b为试验板JB1的贴布方式。

加固使用的碳纤维布和其他材料特性见表2。本试验所用的混凝土抗压强度和钢筋的抗拉强度均由试验现场测得。

图1 板规格及JB1板贴布方式

表1 试验板配布方式

表2 材料特性

图2 加载装置

试验板采用周边简支支承[8],将预先制作的工字型圈梁置于 4个方墩上,试验板搁置于工字型圈梁上,加载装置如图2所示。为模拟均布荷载作用,将试验板划分为 4×4个大小相同的区格,每个区格所施加的圆形局部荷载通过反力架、千斤顶、工字梁和钢板实现静力传递。板内钢筋和碳纤维布条带的应力均由预先贴在其表面的应变片测得,各传感器试验时预先标定。试验采用分级加载方式,每级取 5 kN/m2,在每级加载完成后持荷 15 min以待仪表稳定后读数。为能更加贴近实际工程,本试验采用二次受力加固模式,即板在加固前先进行预加载,待裂缝达到0.25mm时完全卸载并进行加固,然后实施二次加载至破坏。

2 试验结果分析

2.1 挠度变化分析

碳纤维与钢筋应变在加载初期很小,而且碳纤维的应变略大于受拉纵筋的应变,这符合平截面假定[9],说明碳纤维与混凝土之间没有发生滑移。

图3为外荷载与各板板底中心点的挠度关系曲线,通过试验发现:在加载初期,加固板与对比板的挠度均呈线性发展,两者曲线相近,这说明碳纤维布在加载初期还未发挥作用;当外荷载达到45 kN/m2时,对比板挠度发生突变,且有明显的增大,而加固板继续呈线性发展,由此可见碳纤维布加固对双向板的后期刚度提高较大,能有效抑制挠度的过快增长。

图3 外荷载与试验板板底中点挠度关系曲线

图4表示各试验板的板底中心处的外荷载与钢筋的应变关系曲线,可以看出各加固板的钢筋应变基本呈线性分布,而对比板的钢筋应变则在荷载加至 45 kN/m2时出现突变,此时对比板钢筋屈服。

图5表示板底中心处,加固板的外荷载与碳纤维布的应变关系曲线和对比板的外荷载与混凝土的应变关系曲线,由于碳纤维布对板底的约束作用,使得加固板的板底应变比对比板要小很多。各加固板之间碳纤维布应变相差不大,且都在荷载达到较大数值时才发生突变,此时加固板钢筋屈服。

从试验现象及数据分析可见:加固板的承载力和刚度较对比板而言,均有明显提高。同时,各加固板的挠度、钢筋和碳纤维布的应变并不随碳纤维布用量的增加而出现显著变化,这是由于 3块加固板均是在板的相同区域进行加固,而碳纤维布的强度很高,难以被充分利用,致使各加固板的加固效果相近。

图6 对比板DB 1板底裂缝图

2.2 板的破坏形态分析

规范规定在室内正常环境下,板的最大裂缝宽度限值为0.3mm[10]。在荷载增加至 15 kN/m2时,对比板DB1首先在板底中部沿长跨方向出现一条正弯曲裂缝,随着荷载的增加,在板底的4个角区先后出现多条斜向受弯裂缝;在荷载达到50 kN/m2时,板底45°塑性线已全部形成,板底最大裂缝达到 0.3mm,板受弯破坏。此后,对比板仍有较大加载空间,且最终在荷载达到 105 kN/m2时,在板底中部长向主裂缝和 45°塑性线的裂缝相互贯通,最终裂缝形态见图6,可以发现对比板最终破坏的裂缝形态呈现典型的线性塑性铰线形状。

加固板JB1、JB2和JB3在加固前进行预加载,当荷载达到45 kN/m2时,裂缝宽度均处于0.20.3 mm之间,这与对比板现象一致。此后完全卸载并贴布加固,养护达标后重新加载,待荷载达15 kN/m2时开始观测裂缝及挠度。各板在四角处的斜向裂缝相对跨中集中贴布区域发展较快,但与对比板 DB1相比仍较慢,表明碳纤维布对混凝土裂缝的开展具有明显的抑制作用。试验板JB1、JB2分别在荷载达到115 kN/m2和120 kN/m2时,出现了碳纤维布的剥离,继续加载至150 kN/m2和155 kN/m2时,碳纤维布出现大面积剥离,板随后被冲切破坏,试验板 JB2的极限形态见图7。试验板JB3在荷载达到130 kN/m2时出现了第一处剥离,当继续加载至 160 kN/m2时,剥离开始大面积发展,如图8所示,此时及时卸载避免了板发生冲切破坏。

3 结论

根据对碳纤维布加固钢筋混凝土双向板的试验研究和理论分析,可以得出如下结论:

(1)用碳纤维布加固钢筋混凝土双向板,加固后板的承载能力、整体性、抗裂性能、刚度等都得到明显的改善。碳纤维加固在加载前期对板的挠度影响不明显,但是在后期对板的挠度的增长具有有效的抑制作用。

(2)在均布荷载作用下,碳纤维布加固钢筋混凝土双向板的破坏始于碳纤维布条带端部的剥离,因此可以考虑在碳纤维布的端部进行适当的锚固。

(3)碳纤维布的强度很大,但是由于剥离的缘故,很难被充分利用,因此碳纤维布的合理贴布量有待研究,以节约成本。

[1] ErkiM A,Hefferman P J.Rein forced Concrete Slabs Externally Strengthened with Fibre-reinforced Plastic Materials[C]//Taerwe L.Non-Metallic(FRP)Reinforcement for Concrete Structures.[S.l.]:E＆FN Spon,1995:509-516.

[2] 张继文,吕志涛,滕锦光,等.外贴 CFRP或钢条带加固混凝土双向板的受力性能以及承载力计算[J].建筑结构学报,2001,22(4):42-48.

[3] 良桃,宋力,施楚贤.碳纤维板加固钢筋混凝土梁的抗弯试验和理论研究[J].建筑结构学报,2007,8(1):72-79.

[4] 郑俊杰,李志华,翟世鸿.玻璃纤维混凝土板的试验研究[J].华中科技大学学报:城市科学版,2009,26(1):19-21.

[5] 李俊清,刘曙光.碳纤维加固钢筋混凝土双向板的试验研究[J].呼伦贝尔学院学报,2007,15(5):73-77.

[6] 蒋元平,蒋沧如,舒林,等.CFRP加固钢筋混凝土梁抗裂性的理论及实验研究[J].武汉理工大学学报,2008,30 (8):109-112.

[7] 中国工程建设标准化协会.CECS146:2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社, 2003.

[8] 沈在康.混凝土结构试验方法新标准应用讲评[M].北京:中国建筑工业出版社.1991.

[9] GB50367—2006混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[10] GB50010—2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.