CFRP板單向加固RC雙向板試驗方案探析

江 雪， 李 浩， 王 蕾

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

基于碳纖維板的高強、剛度大、彈性模量高、延性好等特點，對碳纖維板施加預拉應力單向加固混凝土雙向板與非預應力碳纖維板單向加固混凝土雙向板、普通未加固板在使用荷載情況下的受力特點進行分析，探討粘貼預應力碳纖維板加固雙向板在使用荷載下的受彎性能，歸納預應力碳纖維板單向加固雙向板的受力特性和破壞機理。但目前國內外對預應力碳纖維板加固的研究仍主要集中在梁、柱及單向板等構件上，其計算理論、施工技術比較成熟［1，2］，而用于加固混凝土雙向板的研究所見文獻很少，這在相當程度上局限了預應力碳纖維的應用發展。本試驗在總結國內外關于預應力碳纖維板加固梁、單向板的理論基礎之后，提出了方案一、方案二兩套新的雙向板試驗加固方案。

1 試驗設計

1.1 試件尺寸及配筋

本試驗共制作了6塊鋼筋混凝土雙向板，兩套方案的試件相同，設計板截面尺寸均為1800 mm×1500 mm×60 mm，設計采用的混凝土強度等級為C25，雙向對稱配置φ8@200的受力鋼筋，如圖1所示。

1.2 試件特性

圖1 試驗尺寸及配筋

根據試驗要求，共制作了6塊雙向板。根據用途，各試件的編號及其相關的參數如表1所示:

表1 試件參數設計表

1.3 試驗裝置及加載方案

為了模擬實際使用荷載情況下雙向板的受力性能，方案一加載采取板面中心區域均布加載的方法，方案二采用板面中心集中加載法。兩方案中的混凝土雙向板都簡支于四邊磚墻支墩上，四邊簡支雙向板尺寸為1800 mm×1500 mm×40 mm，不同之處在于方案一是在板面中心的荷載千斤頂下布置一塊500 m×400 mm×30 mm厚的鋼板以模擬面積為300 mm×200 mm的局部均勻荷載，而方案二是由千斤頂直接將荷載傳遞到板面中心。加載采用最大壓力為320 kN的機械式千斤頂，壓力測量采用量程為200 kN的弦振式壓力傳感器及相應的數據采集系統。本試驗采用正向加載。

1.3.1 加載方案概述

試驗加載過程分為預加載和正式加載兩部分，而正式加載部分又分開裂荷載、屈服荷載、極限荷載三部分?；炷岭p向板各試驗板在加載整個過程中結構從穩定到失穩破壞過程對應的三個階段的荷載情況見表2。

表2 各試驗板特征荷載理論計算值 kN

1.3.2 破壞時的板底裂縫形態分析

由文獻［3］和［4］的理論分析知板底裂縫形態大致如圖2所示，各板隨著荷載的增加，在板底長跨方向首先出現一條正彎曲的裂縫，粘貼上碳纖維板后，各板的裂縫開展緩慢，隨著荷載繼續增加，板底裂縫條數和裂縫寬度相應增加，達到一定荷載時裂縫條數趨于穩定。由文獻［3］的結論知，方案一中原型板PB和各加固板的破壞形態大體相似，板底在矩形局部加載區域面下形成較寬的矩形裂縫，矩形的形狀大致與加載面重合。方案二中板底跨中的裂縫數量和寬度較方案一少一些。

圖2 板底裂縫

圖3 碳纖維板粘貼方式和應變片布置

2 應變片的布置與粘貼

為了準確測定能施加到試驗板上的有效預應力、碳纖維強度的利用程度以及纖維板與混凝土之間的粘結是否可靠。方案一、二中應變片的布置均分為板內鋼筋上的應變片和碳纖維板上的應變片。板內鋼筋應變，由澆筑混凝土試件時事先在鋼筋表面上粘貼保護的鋼筋應變片測取;碳纖維板應變，由在碳纖維板表面上粘貼的應變片測取。

3 試件張拉施工工藝、張拉制度以及端部錨固措施

根據試驗目的，為了盡量減少預應力與混凝土的損失、避免碳纖維板與混凝土的粘結滑移以及在加載過程中錨固區域發生的應力集中破壞(剝離破壞)，采用合適的施加預應力裝置和端部錨固措施對試驗的成功尤為關鍵。在總結目前的預應力碳纖維板的施工工藝基礎上，方案一擬采取的是柳州歐維姆有限責任公司施加預應力的裝置及端部錨固方案，即先拉后貼。方案二利用“反拱預應力技術”將碳纖維板粘貼在雙向板上(具體的施工工藝過程見文獻［5］和［6］)。通過對比分析發現，由于粘貼過程中的預應力損失以及粘結滑移等不利因素造成方案一中端部錨固區域的剪切應力較方案二小，錨固區域不會發生應力集中破壞，而方案二中由于板的截面較梁大很多，實際的施工工藝很難做到利用”預應力反拱技術“將碳纖維板貼到板上，即使做到，板底相向的剪力可能會使錨固端發生應力集中破壞，不易操作。

4 量測方法

4.1 應變片設置

應變片分別設置在非預應力碳纖維板、預應力碳纖維板、板內受拉鋼筋處。其中預應力上的應變片設置依據張拉力的不同也有所不同，根據不同加固方式的受力特點，預應力纖維板試驗板、非預應力纖維板試驗板、未加固板上的應變片依次減少。

4.2 撓度測量

撓度測量采用百分表，共五個測點，分別對稱分布在四個磚墻支座中心點處、板中心加載點對應的板底位置。

4.3 裂縫觀測

裂縫觀測采用讀數顯微鏡。本次試驗確定的達到極限條件為按照《混凝土設計規范》中規定的正常使用極限和承載力極限狀態下的相關要求。

5 PB板、非預應力板、預應力試驗板的開裂、屈服、極限荷載計算

5.1 PB板的開裂荷載

由力的平衡和力矩平衡條件得出:單筋矩形截面的最大受彎承載力為:Mu，max=(1-0.5εb)，as，max=(1-0.5εb)，查表知:a1=1.0，as，max=0.426，x、y 向對應長、短跨方向。在短跨y 方向:Mu，max=，計算得出qy=40.872 kN/m，由 qx/qy=(ly/lx)4=0.4256，qx=17.395 kN/m，由此得出加載點施加的力P=25.046 kN。由普通RC構件的開裂彎矩的計算公式:Mcr=γxftkw0計算知，加載點施加的力P=13.355 kN，兩種情況下推出方案一、方案二的開裂荷載取值分別為 19.2 kN，29.57 kN 。

5.2 PB板的展服荷載

由于理論上沒有成熟的模型，在加載過程中只有分析千斤頂表盤讀數和壓力傳感器以及鋼筋應變片上的數據才能推導出。參照文獻［3］和［7］的數據推導出兩種方案下屈服荷載分別為P=29.48 kN，44.94 kN。

5.3 PB板的板限荷載

由圖3應變片的布置圖和碳纖維板的加固方式，由于碳纖維的延性很差，先假定在均布加載區域不發生碳纖維脆性破壞，在板的對角線方向先出現塑性鉸，進而參照文獻［8］用塑性分析法中的線性絞線屈服模式中的結論，Pu=2(WiA+WiB)計算出Pu分別為35.96 kN和53.93 kN。

非預應力板的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載的計算參照文獻［4］;預應力板的開裂、屈服、極限荷載參照文獻［7］。

6 結語

從表2試驗板荷載理論計算值可知，與原型對比板相比，各加固板的開裂荷載、屈服荷載以及破壞極限荷載都有了顯著的提高，其中預應力加固板相應的荷載提高程度最大。通過方案的比較分析得出，方案一雖然承載力提高程度較小，但采取先拉后貼方式可以保證端部錨固區域不發生剝離破壞，實際施工也容易操作。方案二采取的集中加載方式承載力提高的程度效果明顯，但是預應力的張拉方式在實際操作中不易控制。試驗主要是從預應力碳纖維板加固試驗板進行展開，從粘貼量、間距、以及施加的預應力這三個變量出發，著重研究加固板的破壞機理、破壞形態、力學性能變化、碳纖維的利用強度等特征，為預應力碳纖維板加固雙向板在工程中的應用提供理論依據。

［1］沈蒲生，梁興文.混凝土結構設計(第二版)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］梅 力，張俊平.預應力碳纖維板加固混凝土梁的粘結錨固性能試驗研究［J］.工業建筑，2006，36(4):15-18.

［3］金勇俊.預應力碳纖維板加固混凝土受彎構件的試驗研究［D］.長沙:湖南大學，2007.

［4］曹雙寅，李延和，胡 成，等.鋼筋混凝土雙向板單向加固技術的試驗研究［D］.上海:中國科學院上海冶金研究所，2000.

［5］趙啟林，王景全，金廣謙，等.碳纖維加固的“反拱預應力技術”及其提高鋼結構承載能力的分析［J］.鋼結構，2002，3(17):51-54.

［6］高強碳纖維板預應力加固體系OVMCFP.50-1.2型文稿［Z］.柳州歐維姆機械股份有限公司內部資料.

［7］徐福泉，李東彬，趙基達，等.預應力碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究［J］.建筑結構，2010，40(S2):372-375.

［8］王 勇.用全塑性分析法求雙向板的極限荷載［J］.石油大學學報(自然科學版)，1992，16(6):131-133.