碳纤维加固预应力空心板抗弯承载力试验研究.pdf

第3 7 卷第2 期 2 0 0 8 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 7N o ．2 M a r ．2 0 0 8 碳纤维加固预应力空心板抗弯承载力试验研究 闫长旺1 ’2 ，刘曙光2 ，王玉清2 1 ．大连理工大学港口和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 1 1 6 0 2 4 ； 2 ．内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特0 1 0 0 6 2 摘要碳纤维布加固预应力空心板是一种新型加固方法．为研究不同碳纤维黏贴量与黏贴方式 对加固效果的影响，按工程实际尺寸设计制作了7 块预应力混凝土空心板试件，进行了黏贴碳纤 维布加固后，在近似均布荷载作用下抗弯承栽力试验研究．结合现行碳纤维片材加固设计规程的 不足，提出便于应用的抗弯承栽力加固设计计算公式．结果表明用碳纤维布加固预应力混凝土 空心板，可以有效提高试件抗弯承载力；提出的计算公式计算值偏于安全，便于黏贴碳纤维布加 固设计应用． 关键词碳纤维布；预应力空心板；加固；抗弯承载力 中图分类号T U 3 7 5 ．1 ；T U 5 2 8 ．5 8 2 文献识别码A 文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 2 0 2 5 0 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo ft h eF l e x u r a lC a p a c i t yo fP r e - S t r e s s e d R CH o l l o wC o r eS l a b sS t r e n g t h e n e db yC F R P Y A NC h a n g w a n 9 1 ”，L I US h u g u a n 9 2 ，W A N GY u - q i n 9 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a s t a la n dO f f s h o r eE n g i n e e r i n g ，D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ， D a l i a n ，L i a o n i n g1 1 6 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H u h h o t ，N e i m o n g g u0 1 0 0 6 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h eu s eo fc a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s C F R P s t Os t r e n g t h e np r e - s t r e s s e d ，r e i n f o r c e dc o n c r e t e R C h o l l o w - c o r es l a bi San e ws t r u c t u r a lr e i n f o r c e m e n tm e t h o d ．S e v e na c t u a l d i m e n s i o np r e - s t r e s s e dR Ch o l l o w - c o r es l a b ss t r e n g t h e n e db yC F R Pw e r ec o n s t r u c t e da n dt h e n t e s t e du n d e ru n i f o r ml o a dt oa n a l y z et h ee f f e c t so fb o n d i n gm o d ea n da d d i t i v eq u a n t i t y ．Af e a s i b l ef o r m u l aw a sp r e s e n t e df o rc a l c u l a t i n gt h ef l e x u r a lc a p a c i t yo fp r e - s t r e s s e dR Ch o l l o wc o r e s l a b ss t r e n g t h e n e db vC F R P ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l e x u r a lm o d u l u so fp r e - s t r e s s e dR C h o l l o wc o r es l a b ss t r e n g t h e n e db yC F R Pi n c r e a s es i g n i f i c a n t l y ．T h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r es a f e r t h a nt h ee x p e r i m e n t a lo n e s ，w h i c hs u g g e s tt h a tt h ec a l c u l a t i o n sa r ef e a s i b l ef o ru s ei nd e s i g n ． K e yw o r d s C F R P ；p r e - s t r e s s e dR Ch o l l o wc o r es l a b ；s t r e n g t h e n ；f l e x u r a lc a p a c i t y 黏贴碳纤维加固工程结构技术，是一种新型高 效的加固修复技术，与传统的结构加固技术相比， 具有轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、结 构影响较小等优点，因此广泛应用于国内外结构加 固改造工程中．目前，对碳纤维布加固钢筋混凝土 构件正截面承载力进行了较多的试验研究[ 1 { ] ，对 非预应力钢筋混凝土板也有试验研究[ 6 。] ，都取得 了较好的研究成果．但是，对碳纤维布加固预应力 混凝土空心板结构的研究较少L 8 J ，没有进行深入的 试验研究和理论分析．本文结合现行碳纤维片材加 固混凝土结构技术规程[ 9 3 中关于碳纤维布加固空 心板构件方面的不足，按工程实际尺寸设计制作了 收稿E l 期2 0 0 7 0 5 1 8 基金项目教育部创新团队资助计划项目 I R T 0 5 1 8 ；内蒙古自然科学皋金项目 2 0 0 2 0 8 0 2 0 2 1 1 作者简介曰长旺 1 9 7 8 一 ，男，内蒙古自治区包头I 仃人．博十研究乍，从事结构加固技术及钢混组合结构方面的研究． E - r a i l y e w 2 0 0 3 1 0 1 3 1 2 8 ．t o m T e l 0 4 1 1 ’8 4 7 0 6 0 2 7 万方数据 第2 期 囝长旺等碳纤维加固预应力空心板抗弯承载力试验研究 2 5 1 7 块预应力混凝土空心板试件，在不同碳纤维黏贴 量与黏贴方式下，进行了近似均布荷载作用下的抗 弯承载力试验研究，并且，提出了碳纤维布加固预 应力空心板抗弯承载力理论计算公式． 1 试验概况 本试验制作了7 块预应力混凝土空心板，由预 制厂按实际工程尺寸提供，尺寸为23 4 0r a m 长 5 8 0m m 宽 1 2 0m m 高 ，净跨Z o 一22 0 0 m m ，抽孔直径为8 3m m ．试件混凝土强度等级按 C 3 0 设计，预应力钢筋采用L L 6 5 0 6 西6 级冷轧带 肋钢筋，纵向主筋配筋率为0 ．1 8 4 ％．混凝土强度 由同条件下养护成型的边长为1 5 0m m 3 立方体试 块，按照标准试验方法测得其立方体抗压强度为 2 9 ．6 4M P a ．预应力钢筋由标准拉伸试验测得屈服 强度为5 2 0M P a ．试验中所采用的加固材料为台湾 安固公司生产的安固A C E 型碳纤维布，其性能指 标见表1 所示．试验中考虑碳纤维布加固预应力混 凝土空心板抗弯承载力的主要参数为碳纤维布黏 贴量和黏贴方式． 襄1 碳纤维布性能指标 T a b l e1 P r o p e r t i e so fc a r b o nf i b e rp o l y m e r 碳纤维布的黏贴加固方式分为2 组，第1 组试 件Y K l ，Y K 2 ，Y K 3 ，第2 组试件Y K 4 ，Y K 5 ， Y K 6 ，试件Y K 0 为不黏贴碳纤维布，为对比试件． 各试件参数及碳纤维布黏贴量与加载方式见表2 所示．为防止加固板试件发生剥离破坏，第1 组试 件两端7 5m m 碳纤维布压条2 道，第2 组试件两 端各锚固宽5 0m m 碳纤维布压条2 道． 表2 碳纤维黏贴量与试件加载方式 T a b l e2 S t r e n g t h e n i n gq u a n t i t i e so fC F R Pa n dl o a d i n gp r o c e d u r e 试验加载模拟预应力空心板在实际工程中的 均布受力状况，采用4 集中力8 分点等效均布荷载 进行加载，加载装置如图1 所示． 图1加载装置 ． F i g ．1 L o a da r r a n g e m e n t 等效均布荷载与实际工程均布荷载的等效情 况如图2 所示，图2 中集中力F ∥／4 ．加载方案 中，作用于预应力混凝土空心板试件上的荷载P 4 F ，由2 0t 油压千斤顶施加，其值由2 0t 传感器 测定．由图2 可以看出，实际荷载和均布荷载的弯 矩图较为接近，试验荷载可近似为等效均布荷载． P 口馥I 工E 口＆王工E 口田，止’_ 虹二_ 土￡』‘ 声三蟛主堇乏 a 等效均布荷载 b 实际均布荷载 图2荷载效应比较 F i g ．2C o m p a r i s o no fl o a de f f e c t s 2 试验结果及加固效果分析 2 ．1主要结果数据 试件的开裂荷载、极限荷载、钢筋应变、碳纤维 布应变、跨中最大挠度实测值及破坏模式等主要结 果数据见表3 所示．试验中所采集到的极限值为破 坏前一级数值． 表3 试验结果 T a b l e3T e s tr e s u l t sa n df a i l u r em o d e s 编号 开裂k 槭N ／ 极限k 荷载N ／ 鬻男鬻／测l O 堡4 限鬻4 极瓣／r a 大m 破坏模式 17 提高／％应变 一 限应变／1 0 一挠度值 “1 “8 “ Y K O Y K l Y K 2 Y K 3 Y K 4 Y K 5 Y K 6 8 3 1 3 0 1 1 6 3 3 6 6 5 3 1 1 ．8 8 1 4 ．6 9 2 4 ．0 4 1 8 ．5 7 1 3 ．2 5 1 4 ．0 1 1 3 ．7 8 7 5 ．6 0 8 3 ．4 7 8 1 ．3 5 5 8 ．3 2 7 3 ．8 5 7 4 ．4 0 跨中预应力钢筋拉断 支座处混凝土剪切破坏 支座处混凝土剪切破坏 支座处混凝土剪切破坏 碳纤维布剥离 碳纤维布剥离 碳纤维布剥离孔∞∞蛎孔弘的∞弘够∞∞蛎 M加∞”约加 万方数据 2 5 2中国矿业大学学报 第3 7 卷 2 ．2加固效果分析 试验结果，外贴碳纤维布进行加固的预应力空 心板，在加载初期，由于弯曲荷载主要由钢筋和混 凝土承担，碳纤维布中的应力很小，抗弯作用不明 显，因此碳纤维布加固的试件开裂荷载提高不显 著．而开裂后，碳纤维布、钢筋与混凝土共同承担弯 曲荷载，碳纤维布抗拉强度高的优点开始发挥，如 表3 所示，可以看出，加固后预应力混凝土空心板 的极限承载力较加固前有显著提高． 试验中，试件Y K l ～Y K 3 的碳纤维布黏贴量 大于试件Y K 4 ～Y K 6 的黏贴量．试验结果表明，试 件Y K l ～Y K 3 极限承载力明显大于试件Y K 4 ～ Y K 6 极限承载力，与对比板试件Y K 0 极限承载力 相比，试件Y K l ～Y K 3 极限承载力平均提高 1 0 9 ％，试件Y K 4 ～Y K 6 极限承载力平均提高 4 8 ％． 试验中，碳纤维布的黏贴布置方式分为双层双 幅、单层双幅、单层四幅3 种．由表4 所示试验结果 数据可以看出，第1 组、第2 组试件的极限承载力 随着黏贴方式的不同而有所变化，2 组试件的极限 承载力，都是双层双幅黏贴方式下极限承载力最 小，单层四幅黏贴方式下极限承载力最大，单层双 幅极限承载力介于二者之间． 表4黏贴方式与极限荷载 T a b l e4 B o n d i n gm o d e sa n dm a x i m u ml o a d s 3 抗弯承载力计算分析 3 ．1截面换算 空心板可按受弯构件进行正截面抗弯承载力 计算，计算时将原截面换算成等效的I 形截面．即 在板的总高度和宽度不变的情况下，将圆孔按照截 面面积、形心位置和对形心轴惯性矩不变的原则换 算成矩形孔． 如图3 所示，换算方法为 EK b ，一譬7 c d ，h ， 等d ，b z n b ，； O 厶 11 h l d l 寺 d ～h ， ，h 2 一d 2 寺 d h ， ， 厶厶 h 。一h 一 1 一h 2 ， 式中b ，，h ，为圆孔换算成矩形孔的宽度和高度； d ，以为圆孔直径和圆孔数 竹一5 ；d 。，d 为圆孔 上、下边缘距空心板上、下边缘距离；z ，h 为空心板 宽度和高度； ，， 。为等效I 形截面上、下翼缘厚 度；6 ，h 。为等效I 形截面腹板宽度和高度． a 实际截面 b 等效换算截面 图3等效截面换算示意 F i g ．3 S e c t i o nc o n v e r s i o no fs p e c i m e n s 3 ．2基本假定 本文采用简化计算方法来进行碳纤维布加固 预应力混凝土空心板正截面承载力计算，基本假定 如下 1 平均应变符合平截面假定． 2 钢筋的应力一应变关系，采用完全弹塑性模 型． f E 。e 。，0 ≤￡。≤￡y ， 5 l ，e ，≤￡。≤￡。 式中e 。为钢筋设计强度 对应的应变，E s 为钢筋 的弹性模量，￡。为钢筋的极限应变． 3 混凝土的应力一应变关系，不考虑受拉区混 凝土抗拉强度． f 厂c [ 1 一 1 一￡。／e o 2 ] ，0 ≤e 。≤岛， 。 Ic o n s t ，e o ≤e 。≤e 。， 式中￡。为混凝土应力峰值对应的应变；‰为混凝 土极限压应变． 4 碳纤维布的应力一应变关系，采用弹性应力一 应变关系． 6 r d E a e c f ，0 ≤￡。f ≤e c f u ， 式中c r c ，，E d ，￡d ，e d 。分别为碳纤维应力、弹性模 量、拉应变、极限拉应变． 3 ．3 碳纤维布黏贴量的确定 碳纤维布黏贴量是基于预应力钢筋屈服、碳纤 维布达到允许拉应变、受压区边缘混凝土达到极限 压应变临界状态时确定的．如图4 所示，e 。，￡。为试 验过程中黏贴碳纤维布后，量测的受压区边缘混凝 土应变、预应力钢筋应变；￡。，e ，为破坏时受压区边 缘混凝土应变、预应力钢筋应变；￡7 。，￡即为黏贴碳 纤维布前，受压区边缘混凝土和预应力钢筋的预拉 应变，本文试验中按先张法施工工序计算．由图3 ， 万方数据 第2 期囝长旺等碳纤维加固预应力空心板抗弯承载力试验研究2 5 3 图4试件破坏时应变及应力分布 F i g ．4 S t r a i na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no f s p e c t i m e n si nf a i l u r e 1 第1 类T 形截面 z 一f ．y 汀A , ， ，c ￡ 口l 厂c 红 y s c f E c f A c f 1 - - O f ，A 剐c f 虹襻． 2 第2 类T 形截面 z ＆L 』磐地， Jc O O t l 工[ 如 z b h 1 ] y e d E d A d 1 - - O f , A 剐c f 虹辫， 式中z 为混凝土受压区高度；y 为碳纤维布与混 凝上共同工作的折减系数，取经验值0 ．9 ；0 为由于 设计、锈蚀等原因引起钢筋强度折减的系数； e 。， 为碳纤维布允许拉应变，取是。e d 。，且不大于碳纤维 布极限拉应变的2 ／3 和0 ．0 1 两者中的较小值；点。 为碳纤维布厚度折减系数，取1 一砭n d 丽E a 丽t d ；竹d 为碳 纤维布的层数；t d 为单层碳纤维布的厚度，r a m ；a 。 为等效矩形应力图的的强度与受压区混凝土最大 应力的比值；A c f 为碳纤维布截面积，m m 2 ；A 。为受 拉钢筋截面积，m m 2 ． 可以看出，对于第1 类T 形截面和第2 类T 形截面的预应力空心板，进行黏贴碳纤维布加固所 需的黏贴量相同，为 A d 坠骅． 1 3 ．4 极限弯矩计算 1 第1 类T 形截面 a ．预应力空心板的破坏形式为预应力钢筋屈 服、受压区混凝土压碎 d t I ／x 一 1 一口 厂y A 。 征d ￡c f A 。f ， M u 口- 如 h d 一号 一 1 一口 A 。 h a h 。 ． 2 b ．预应力空心板的破坏形式为预应力钢筋屈 服、碳纤维布达到允许拉应变 口l ￡。一￡7p c E 。如一 1 一口 A 。 7 _ Ec f e c f A c f ， M u 一口l ￡。一e 7 。 E 。l x h a x ／2 一 1 一口 A 。 h a h o ． 3 2 第2 类T 形截面 a ．预应力空心板的破坏形式为预应力钢筋屈 服、受压区混凝土压碎 口1 f 。 Z b h 1 口l 厂c b x 1 一日 厶A 。 ，，E c f ￡d A c f ， M u 一口l 上 Z b h - h a h l ／2 口1 f o b x h a x ／2 一 1 一p A 。 h d h o ． 4 b ．预应力空心板的破坏形式为预应力钢筋屈 服、碳纤维布允许拉应变 a 1 e 。一e 7 。 E 。 ￡一b h l 口l ￡。E 。b x 一 1 一口 ，y A 。 征c f e c f A c f ， M o 口l e 。一￡7 。 E c Z b h 1 矗c f h l ／2 口1 ￡。E 。缸 c f z ／2 一 1 一口 A 。 h a h o ． 5 式中h d 为碳纤维布至预应力空心板受压区边缘 的距离，按h 值计算． 3 极限弯矩按预应力钢筋屈服、受压混凝土 压碎、碳纤维布应变达到允许拉应变时进行计算． 3 ．5 破坏形式的判断 根据本文试验及其它碳纤维布加固钢筋混凝 土受弯构件试验中，加载受力发展过程及破坏特 征，采用相对界限受压区高度气来判定试件的破 坏形式． 相对界限受压区高度氛是指碳纤维布与混凝 上同时达到极限状态时受压区高度与截面高度的 比值．在本文进行的碳纤维布加固预应力空心板抗 弯承载力试验中，预应力钢筋的屈服一般发生在碳 纤维布拉断或受压区混凝上压碎之前．当手 氛时， 试件的破坏形式为受压区混凝土压碎；当拿一鼠 时，发生界限破坏． 界限中性轴高度X 由图4 所示几何关系得 x ／h ￡c 。／E e 。。 ￡c f ] ．由普通钢筋混凝土理论的 等效关系，界限受压区．2 7 。高度z 。 0 ．8 x ，由此可 得黏贴碳纤维布的预应力空心板界限相对受压区 高度‰为 ‰一z 。／h 一0 ．8 e 。／[ ￡。 ￡d ] ． 6 混凝土受压区高度z 可按式 2 ～ 5 分别试 算得出． 万方数据 2 5 4中国矿业大学学报第3 7 卷 4 理论计算结果与试验结果的对比 基于本文试件未黏贴碳纤维布时的混凝土受 压区高度z 与亭出的比例 约为1 ／5 左右 ，本文系 数目的取值为0 ．7 5 ； e c f 值经式 1 计算，对于黏贴 碳纤维布单层与双层都取为0 ．O l ；口。值为1 ．0 ；由 式 1 计算出A c f 再经式 2 ～ 5 得出承载力计 算值． 试件承载力计算值与试验值的对比见表5 所 示．为了与试验所测得的承载力相比较，将理论计 算所得的弯矩承载力按图1 所示4 集中力8 分点 换算成与P 相对应的承载力．从表5 可以看出，计 算值都小于试验值，是偏于安全的，可供实际工程 的承载力计算参考． 表5试件承载力计算值与试验值对比 T a b I e5 C o n t r a s tb e t w e e nc a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv a l u e so fl o a d i n gc a p a c i t y 试件编号试凳器慧载蓊嚣溢 Y K l Y K 2 Y K 3 Y K 4 Y K 5 Y K 6 5 4 6 8 6 4 4 0 5 0 4 6 0 ．7 7 0 ．6 1 0 ．6 6 0 ．7 8 O ．6 Z 0 ．6 7 5结论 1 黏贴碳纤维布加固预应力空心板后，单层 四幅黏贴方式下承载力最大，单层双幅黏贴方式下 承载力次之，双层双幅黏贴方式下承载力最小．并 且，在同种加固方式下，承载力随碳纤维布黏贴量 的增加而增大．这说明碳纤维布的黏贴方式和黏贴 量对预应力空心板加固后的承载力影响明显． 2 提出了基于等效I 形截面的预应力空心板 黏贴碳纤维布加固计算公式，其计算值与试验值相 比，含有一定的安全储备，具有较高的计算精度，可 用于实际工程的承载力计算． 3 进行了2 种碳纤维布黏贴量的试验，较大 碳纤维布黏贴量的试件发生了支座处剪切破坏，为 满足设计中构件“强剪弱弯”，在进行黏贴碳纤维布 加固预应力空心板时，应验算其加固后的抗剪能 力． 参考文献 [ 1 ] R A B I N O V I T C HO ，F R O S T I GY ．E x p e r i m e n t sa n d a n a l y t i c a lc o m p a r i s o no fR Cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t h C F R Pc o m p o s i t e s [ J ] ．C o m p o s i t e sP a r tB E n g i n e e r - i n g ，2 0 0 3 ，3 4 8 6 6 3 6 7 7 ． [ 2 ]o c H O L A R0 ，M A R C U SK ，N U R I C KGN ．M e - c h a n i c a lb e h a v i o ro fg l a s sa n dc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e d c o m p o s i t e sa tv a r y i n gs t r a i nr a t e s [ J ] ．C o m p o s i t e s S t r u c t u r e s ，2 0 0 4 ，6 3 3 ／4 4 5 5 - 4 6 7 ． [ 3 ] O M A RC H A A L L A L ，M O H S E NS H A H A W Y ， M L I N Z E RH A S S A N ．P e r f o r m a n c eo fa x i a l l yl o a d e ds h o r tr e c t a n g u l a rc o l u m n ss t r e n g t h e n e dw i t hc a r b o nf i b e r - r e i n f o r c e dp o l y m e rw r a p p i n g [ J ] ．C o r n - p o s i t e sf o rC o n s t r u c t i o n ，2 0 0 3 ，7 3 2 0 0 - 2 0 8 ． [ 4 ]O S M A NHE ，S R E E N I V A SA ，J O N A T H A NK ． A p p l i c a t i o no fF R Pl a m i n a t e sf o rs t r e n g t h e n i n go fa r e i n f o r c e dc o n c r e t eT b e a mb r i d g es t r u c t u r e [ J ] ． C o m p o s i t eS t r u c t u r c s ，2 0 0 1 ，5 2 3 ／4 4 5 3 4 6 6 ． [ 5 ] 殷惠光，李秉南．外贴碳纤维片材加固混凝土梁的延 性分析[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 6 7 1 2 - 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