粘貼竹板加固預應力混凝土空心板的試驗研究

許清風 李向民 陳建飛 貢春成

(1 上海市工程結構新技術重點實驗室，上海200032)

(2 上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海200032)

(3 貝爾法斯特女王大學建筑土木工程學院，英國貝爾法斯特BT7 1NN)

預應力混凝土空心板(簡稱預制空心板)在我國應用廣泛.結構累積損傷和使用荷載的增加，可能導致預制空心板承載力不足，需進行加固.國內外學者已對粘貼CFRP 布、內嵌CFRP 板、粘貼型鋼、內嵌鋼筋、板底植筋并噴射混凝土等方法加固預制空心板進行了試驗研究［1－6］.

竹材是一種低碳可再生的可持續材料，具有抗拉強度高、材質均勻、高強重比、穩定性好、耐磨等突出優點，在建筑領域一直有所應用.許清風等［7］和朱雷等［8］進行了粘貼竹片加固木梁和混凝土梁的試驗研究，結果表明，粘貼竹片加固木梁和RC梁均為低碳高效的加固技術.

本文在已有研究的基礎上，進行了粘貼竹板加固預制空心板力學性能的試驗研究，為預制空心板樓面的維修加固提供技術依據.

1 試驗

1.1 試件設計

本文進行了9 塊粘貼竹板加固預制空心板的對比試驗.其中，未加固對比試件3 個，編號為S1～S3.粘貼竹板加固預制空心板試件6 個，分別為:①試件S4，板底跨內粘貼1 層5 mm 厚的橫壓竹板;②試件S5，板底跨內粘貼1 層5 mm 厚的側壓竹板;③試件S6，板底跨內粘貼1 層20 mm 厚的側壓竹板，且竹板兩端設置200 mm 寬的CFRP箍，其厚度為0.167 mm，搭接長度為100 mm;④試件S7，板底跨內粘貼1 層5 mm 厚的側壓竹板和1 層5 mm 厚的橫壓竹板，且竹板兩端設置200 mm 寬的CFRP 箍，其厚度為0.167 mm，搭接長度為100 mm;⑤試件S8，板底跨內沿板軸粘貼1 層300 mm 寬、5 mm 厚的側壓竹板;⑥試件S9，板底跨內粘貼2 條150 mm 寬、5 mm 厚的側壓竹板，其間距為60 mm.

試件的詳細尺寸及特征如圖1所示.

圖1 試件尺寸及特征(單位:mm)

1.2 試驗材料

本試驗選用上海市建筑標準設計圖集《120 預應力混凝土空心板(冷拔低碳鋼絲φb4、φb5)》［9］中的YKB-5-39-3 型預制空心板.預制空心板名義高度為120 mm，實測厚度為110 mm.混凝土強度設計等級為C30;實測立方體抗壓強度為52.4 MPa;冷拔低碳鋼絲的實測極限抗拉強度為773 MPa.

試驗用竹板由機器加工而成.竹板拉伸試驗圖見圖2.3 根5 mm 厚的橫壓竹板的抗拉強度平均值為101 MPa，彈性模量為9 236 MPa;3 根5 mm厚的側壓竹板的抗拉強度平均值為100 MPa，彈性模量為9 530 MPa.選用吳江八都得力建筑結構膠廠生產的DL－JGN 型建筑結構黏結膠，其鋼-鋼抗拉強度大于33 MPa，鋼-鋼抗剪強度大于18 MPa.

圖2 竹板材性試驗圖

1.3 位移計和應變片布置

為了解受力過程中預制空心板的變形情況，在試件跨中和支座布置位移計;為了解混凝土和竹板的變形情況，在相應位置布置應變片.位移計和應變片讀數采用DH3817 動態應變測量系統進行數據采集.試件位移計布置位置見圖3.

1.4 加載制度

圖3 位移計布置圖(單位:mm)

本試驗所有試件均采用三分點加載，支座間距為3.6 m，加載點之間間距為1.2 m.荷載由液壓千斤頂施加并通過分配梁傳遞，在預制空心板加載位置墊砂以使受力均勻.正式加載前進行預加載消除系統誤差.正式加載采用單調分級加載，每塊預制空心板的試驗時間為20～30 min.

2 試驗現象

2.1 未加固對比試件

對于對比試件S1～S3，在荷載增加至極限荷載的56%～67%時，于純彎區段靠近跨中出現第1條豎向裂縫;隨著荷載的增加，純彎區彎曲裂縫逐漸增多;加載至極限荷載時，伴隨巨大聲響，預制空心板在跨中區域或加載點處突然斷裂破壞，所有縱筋均拉斷.S1～S3的開裂荷載分別為15.3，12.7，15.0 kN，其平均值為14.3 kN;極限荷載分別為22.8，22.7，22.8 kN，其平均值為22.8 kN.對比試件S1～S3的破壞形態見圖4.

圖4 對比試件的破壞形態

2.2 加固試件

對于加固試件S4～S9，在荷載增加至15.0～28.0 kN 時，于純彎區跨中附近出現第1 條彎曲裂縫;隨著荷載的繼續增加，純彎區出現多條彎曲裂縫，并向上開展.其中，試件S6的裂縫數量明顯少于試件S4～S5以及對比試件S1～S3;試件S7的裂縫數量明顯少于試件S4～S5，但多于試件S6.

當荷載增加至極限荷載時，除試件S7外，其余試件均發出巨大聲響.試件S4于彎剪區竹板端部發生剝離，進而在一側加載點外側發生剪切破壞.試件S5于一側彎剪區竹板端部發生剪切破壞，竹板外側預制空心板縱筋從混凝土中剝離.試件S6在竹板一側發生剪切破壞.試件S7伴隨撕裂聲，在一側竹板邊緣發生剪切破壞，竹板和CFRP 箍未見明顯破壞.試件S8在竹板一側端部發生剪切破壞，混凝土壓碎、鋼筋彎起.試件S9在跨中位置彎曲破壞，板底竹板全部拉斷，鋼筋多數拉斷，預制空心板板面出現貫穿裂縫.

加固試件S4～S9的破壞形態見圖5.

圖5 加固試件的破壞形態

3 試驗結果

3.1 試件承載力

各試件的主要試驗結果見表1.表中，Pcr為開裂荷載;P［ω］為達到允許撓度l0/200 時的荷載，其中l0為預制空心板跨度;Pu為極限荷載;δP［ω］，δPu分別為P［ω］和Pu的提高幅度;Δu為試件達到Pu時的位移.

表1 各試件荷載及位移試驗結果

3.2 荷載-跨中撓度曲線

試件荷載-跨中撓度曲線如圖6所示.試件開裂荷載和極限荷載對比結果如圖7所示.

圖6 荷載-跨中撓度曲線

圖7 開裂荷載和極限荷載對比圖

由表1、圖6和圖7可知，粘貼竹板加固后，預制空心板的開裂荷載較未加固對比試件有所提高，提高幅度為5%～96%，平均提高41%;極限荷載顯著提高83%～184%，平均提高123%.僅粘貼1層5 mm 厚竹板加固時，加固試件破壞時的限位移增加20%～103%;粘貼2 層5 mm 厚竹板或1 層20 mm 竹板加固時，極限位移減少11%～17%.

3.3 彎曲剛度

取各試件在荷載分別為0，0.4Pu時的割線剛度為試件初始彎曲剛度;取各加固試件開裂后荷載-位移曲線的平均斜率為試件開裂后彎曲剛度.各加固試件初始彎曲剛度和開裂后彎曲剛度的對比結果見圖8.

由圖8可知，隨竹板寬度和厚度的增加，加固試件的初始彎曲剛度略有增加，開裂后彎曲剛度明顯提高.

圖8 試件彎曲剛度對比圖

3.4 允許撓度下的荷載

根據文獻［9］的規定，正常使用極限狀態下預制空心板的允許撓度為l0/200.本文選用預制空心板跨度l0=3 600 mm，因而跨中允許撓度［ω］=18 mm.對比試件和加固試件在跨中撓度達到允許撓度時的荷載P［ω］對比見表1.

由表1可知，粘貼竹板加固后，加固試件跨中撓度達到允許撓度時的荷載P［ω］增加8%～76%，增加幅度隨著加固竹板厚度和寬度的增加而增大，平均增加35%.因此，粘貼竹板加固預制空心板對提高正常使用極限狀態下的承載能力有明顯作用.

3.5 應變

典型試件的跨中截面沿截面高度的應變變化見圖9.由圖可知，對比試件和加固試件的跨中截面應變隨荷載增加仍基本符合平截面假定.

圖9 試件跨中截面沿截面高度應變變化圖

對比試件和粘貼竹板加固試件的跨中受拉邊緣和受壓邊緣的應變對比見圖10.所有試件的1#應變片均位于跨中板頂混凝土受壓邊緣中心.對比試件S1，S3和加固試件S9的12#應變片位于跨中板底混凝土受拉邊緣中心，其余加固試件的12#應變片位于板底跨中竹板受拉邊緣中心;試件S8，S9的13#應變片位于板底跨中未貼竹板處空隙混凝土的中心;試件S9的11#應變片位于板底跨中一片竹板的中心.由圖10可知，隨著竹板寬度和厚度的增加，相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板的拉應變和受壓區混凝土的壓應變均明顯降低.隨竹板厚度和寬度的增加，粘貼竹板加固試件的開裂后彎曲剛度明顯增大.加固試件S4～S7受拉邊緣中心竹板處的拉應變最大僅為4 × 10－3～7 ×10－3，這與試件發生剪切破壞相符.當竹板寬度減少至300 mm，臨近破壞時受拉邊緣中心竹板的最大拉應變達到1.4 ×10－2～1.5 ×10－2，試件S9已發生彎曲破壞.試件S8，S9的板底跨中未粘貼竹板處混凝土的拉應變與對比試件相近.

圖10 試件跨中邊緣應變對比圖

對比試件和加固試件的板頂和板底沿跨中寬度方向的應變對比見圖11.其中，1#～4#應變片位于板頂跨中截面，分別距邊緣220，110，10，60 mm;10#～13#應變片位于板底跨中截面，分別距邊緣10，125，235，65 mm.由圖11可知，對于對比試件和板底滿貼竹板的加固試件，其跨中截面板頂和板底在加載過程中沿寬度方向均勻受力.而對于板底粘貼條帶竹板的加固試件S8，S9，其跨中截面板頂在加載過程中沿寬度方向基本均勻受力，板底竹板沿寬度方向均勻受力，但條帶竹板和混凝土受力存在較大差異.

對比試件和加固試件的板頂和板底沿板軸方向應變對比見圖12.由圖可知，在加載過程中，所有試件的跨中純彎區段沿板軸向的板頂壓應變和板底拉應變均較為均勻，彎剪區顯著減小.對于板底局部粘貼竹板的加固試件S8，S9，其竹板的拉應變顯著大于受拉邊緣的混凝土拉應變.

圖11 試件跨中沿寬度方向應變對比圖

圖12 試件沿板軸方向應變對比圖

4 結論

1)破壞形態和試驗結果均表明，粘貼竹板加固預制空心板可顯著提高其承載力.未加固試件和粘貼適量竹板加固預制空心板均發生彎曲破壞，當竹板寬度和厚度較大時則會發生剪切破壞.

2)粘貼竹板加固預制空心板的開裂荷載平均提高41%，極限荷載平均提高123%.加固試件的開裂荷載和極限荷載均隨竹板厚度和寬度的增加而增大.

3)粘貼竹板加固預制空心板的跨中撓度達到允許撓度時，荷載平均增加35%，增加幅度隨竹板厚度和寬度的增加而增大.粘貼竹板對提高正常使用極限狀態下的承載能力亦有明顯作用.

4)隨著竹板寬度和厚度的增加，加固試件的初始彎曲剛度略有增加，開裂后彎曲剛度明顯提高.

5)隨著荷載的增加，對比試件和加固試件的跨中截面應變仍基本符合平截面假定.隨著竹板寬度和厚度的增加，相同荷載作用下加固試件受拉邊緣中心竹板拉應變和受壓邊緣中心混凝土壓應變均有所降低.在加載過程中，跨中截面板頂沿寬度方向均勻受力.

6)竹材是一種可再生低碳生物質材料，具有抗拉強度高、材料性能穩定、易本地化、價格低廉等突出優點.采用竹板代替其他加固材料，符合產業發展方向.下一步工作應深入研究粘貼竹板加固預制空心板的作用機理、耐久性能、防火性能，并在此基礎上提出粘貼竹板加固預制空心板的設計方法和施工工藝.

References)

［1］賈廷躍.碳纖維加固空心板試驗研究與承載規律分析［J］.公路工程，2009，34(1):30－34.

Jia Tingyue.Experimental research and flexural analysis on hollow slab strengthened with carbon fiber reinforced polymer［J］.Highway Engineering，2009，34(1):30－34.(in Chinese)

［2］Elgabbas F，El－Ghandour A，Abdelrahman A，et al.Different CFRP strengthening techniques for prestressed hollow core concrete slabs:experimental study and analytical investigation［J］.Composite Structures，2010，92(2):401－411.

［3］丁亞紅，曾憲桃，李志鵬.外貼碳纖維布加固預應力空心板設計［J］.建筑技術，2007，38(6):437－439.

Ding Yahong，Zeng Xiantao，Li Zhipeng.Analysis and design of pre－stressed hollow concrete slab strengthened with CFRP［J］.Architecture Technology，2007，38(6):437－439.(in Chinese)

［4］葛培中，李長友，施功，等.板底噴射混凝土加固技術［J］.建筑技術，2004，35(6):452－453.

Ge Peizhong，Li Chongyou，Shi Gong，et al.Jetted concrete slab bottom strengthening technology［J］.Architecture Technology，2004，35(6):452－453.(in Chinese)

［5］李曰辰，李秀君.粘型鋼法加固預應力空心板［J］.科學技術與工程，2010，10(25):6327－6329.Li Yuechen，Li Xiujun.Strengthen prestressed hollow by section－steel bonded［J］.Science Technology and Engineering，2010，10(25):6327－6329.(in Chinese)

［6］Hassan T，Rizkalla S.Flexural strengthening of prestressed bridge slabs with FRP systems［J］.PCI Journal，2002，47(1):76－93.

［7］許清風，陳建飛，李向民.粘貼竹片加固木梁的研究［J］.四川大學學報:工程科學版，2012，44(1):36－42.

Xu Qingfeng，Chen Jianfei，Li Xiangmin.Study on timber beams strengthened with bamboo strips［J］.Journal of Sichuan University:Engineering Science Edition，2012，44(1):36－42.(in Chinese)

［8］朱雷，許清風，陳建飛.粘貼竹片加固混凝土梁的試驗研究［J］.結構工程師，2012，28(3):144－149.

Zhu Lei，Xu Qingfeng，Chen Jianfei.Strengthening RC beams with externally bonded bamboo strips［J］.Structural Engineers，2012，28(3):144－149.(in Chinese)

［9］上海市建工設計研究院.97 滬G306 120 預應力混凝土空心板(冷拔低碳鋼絲φb4、φb5)［S］.上海:上海市建工設計研究院，1997.