水工混凝土受彎構件試驗破壞分析

劉春偉（臨沂市水利局，山東臨沂276400）

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水工混凝土受彎構件試驗破壞分析

劉春偉
（臨沂市水利局，山東臨沂276400）

【摘要】本次試驗選擇5根混凝土梁，根據設計的加固方案，對各梁進行加固。通過觀察各梁在加載過程中的變化，根據試驗觀測數據分析得出梁的受力性能。從試驗結果看，復合加固后梁的極限承載力有了顯著提高，裂縫開展較慢。

【關鍵詞】預應力；CFRP；鋼板；鋼筋混凝土；受彎構件

1　試驗方案設計

1.1構件設計

試驗選擇5根試件，所有試件混凝土采用C20，配筋率為0.7%，箍筋采用Φ8@100鋼筋，配箍率0.67%，架立筋2Φ8，縱筋采用2Φ12鋼筋，截面采用250 mm×150 mm矩形截面，梁長2 500 mm，經截面驗算不會先發生斜截面剪切破壞，加固方案詳見表1。

表1　加固方案

1.2測點布置

本試驗是受彎構件的加固實驗，擬在荷載分配梁二分點所對應的混凝土梁截面及跨中截面側面貼應變片，側面擬貼五個測點，①號測點在梁底，②號測點位于截面1/4高處，③號測點位于截面1/2高處，④號測點在截面3/4高處，⑤號測點在梁頂，如粘貼有鋼板的梁，則粘帖在鋼板上。梁頂面邊緣布置⑥號測點，以量測頂面混凝土在施加預應力時的應變情況。在相應截面底面縱筋貼應變片，測量縱筋應變。并在底面距跨中540mm的兩側位置的CFRP布置⑦、⑧號測點，在跨中布置⑨號測點，以量測CFRP應變，并可測量施加預應力的大小。

2　加載過程

對試件預加載，檢查各儀器的工作性能，然后以極限荷載10%為級度逐級加載，各級載間停5 min，加載速率約為1 kN/min。

3　試驗結果及分析

3.1梁破壞過程

未加固梁B1的破壞過程是：承載力加載至15.8 kN，在純彎段出現明顯的豎向裂縫。然后，隨著荷載的增加，裂縫寬度明顯變大，裂縫條數增多。最后，跨中百分表指針劇烈擺動，撓度增大，根本無法讀數。依照混凝土構件破壞標志，應該認定混凝土梁已破壞。

梁B2的破壞過程：加載至20 kN，在距離梁中心15 cm處出現微小裂縫，寬0.1 mm，長4 cm。隨著荷載的不斷增加，此裂縫寬度明顯變大。當荷載加至61.6 kN時，聽見梁底出現咔咔的響聲，碳纖維布與梁底粘結面逐漸分離。百分表指針劇烈轉動，撓度增大。隨后碳纖維布發出砰的一聲斷裂，距離中心30 cm處有混凝土碎屑掉落，出現剝離破壞。

梁B3的破壞過程：承載力加載至24 kN，在距離梁中心11.5 cm處出現微小裂縫，長3 cm。當荷載加至68 kN時，聽見梁底左端發出咔咔的響聲，第四條裂縫寬0.41 mm。加載至72 kN時，梁底右端發出咔咔的響聲。加載至74.4 kN時，百分表指針劇烈轉動，撓度急劇增大，右端部拉錨一體化機具附近碳纖維布發出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現剝離破壞。主要裂縫基本均勻分布。

梁B4的破壞過程：承載力加載至22 kN，在距離中心15 cm處出現，微小裂縫，寬0.2 mm，長1 cm。隨著荷載的不斷增加，此裂縫寬度明顯變大，裂縫條數增多，鋼筋與碳纖維布應變不斷增大，加載至66 kN，百分表讀數變化也越來越快。當荷載加至67.8 kN時，聽見梁底發出咔咔的響聲。加載至71.2 kN時，梁底發出更厲害的咔咔響聲。加載至74.6 kN時，百分表指針劇烈轉動，撓度急劇增大，碳纖維布發出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現剝離破壞，端部U型箍也出現破壞。主要裂縫基本均勻分布。

梁B5的破壞過程：開裂時首先出現毛細裂縫，長1.5 cm。加載至58 kN，梁底碳纖維布發出咝咝的響聲。當荷載加至70 kN時，梁右端出現剝離，碳纖維布發出咔咔的響聲。加載至74.6 kN時，梁左端碳纖維布發出砰的一聲斷裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出現剝離破壞，鋼板與混凝土面剝離，受壓區混凝土壓碎，左端機具錨栓剪斷。主要裂縫基本均勻分布。左端出現剝離，鋼板出現剝離，受壓區混凝土破壞，布未拉斷，左端錨固裝置銷釘一根彎曲，一根斷裂，滾軸出現滑移，受壓區混凝土破壞可能與此有關。

3.2梁破壞現象分析

未加固梁開裂較早，梁B1在荷載達到15.8 kN開裂，裂縫發展較快，破壞時梁撓度急劇增加。與為加固梁相比，預應力加固梁開裂較晚，梁B3、B5分別在荷載達到24 kN、22 kN開裂，梁開裂后裂縫開展較慢，隨著荷載的增加，梁不斷出現微小裂縫，裂縫間距較未加固梁均勻。

除未加固梁B1，其他梁破壞時均有混凝土碎屑掉落，粘結層有不同程度的脫離加固面，梁B3碳纖維布在拉錨一體化機具附近斷裂，梁B4錨固箍發生斷裂，由于U型箍的作用，明顯抑制了碳纖維布的剝離，梁B5由于機具內錨栓突然斷裂，混凝土應力急劇增加，受壓區混凝土發生破壞，有大量混凝土碎屑掉落，跨中位置鋼板與加固面發生剝離。由此可見，梁發生破壞時，碳纖維布充分參與了工作，但梁B2、B5粘結面處理不是非常好，破壞時粘結面局部發生剝離。

在同等荷載下加固梁縱筋應變均比未加固梁縱筋應變大，荷載應變曲線斜率較大，說明碳纖維布參與了工作，使加固梁縱筋應變變小，受拉區荷載由碳纖維布和鋼筋共同承擔。特別是預應力梁B3、B5縱筋應變比其他加固梁縱筋應變小，說明預應力對鋼筋施加了預壓作用。

4　結語

1）碳纖維布加固鋼筋混凝土梁后，梁的承載力提高，提高程度與碳纖維布用量密切相關，但提高程度與用量不成正比。碳纖維布在加固構件時不宜過多，用量過大會造成構件超筋破壞，使碳纖維布不能充分發揮其高強性能。本次試驗均粘貼三層碳纖維布加固混凝土梁，主要研究預應力碳纖維布加固混凝土梁的力學性能。

2）粘貼碳纖維布的混凝土梁開裂荷載、屈服荷載、極限荷載都有很大提高。例如B2開裂荷載提高26.58%，屈服荷載提高52.03%，極限荷載提高54%；B3開裂荷載提高51.9%，屈服荷載提高65.54%，極限荷載提高86%；B4開裂荷載提高39.24%，屈服荷載提高59.46%，極限荷載提高86.5%；B5開裂荷載提高39.24%，屈服荷載提高68.24%，極限荷載提高86.5%。

3）粘貼鋼板會顯著提高混凝土的屈服承載力，如B3開裂荷載提高51.9%，屈服荷載提高65.54%，極限荷載提高86%。由于B5梁拉錨一體化機具錨栓突然斷裂，導致碳纖維布承載力急劇卸除，梁發生破壞，所以加強錨栓強度后，其極限承載力還有提高空間。但從試驗數據看，粘貼鋼板面積過小，與不加鋼板的梁比較，承載力提高效果不明顯。如果增大鋼板面積，承載力會有較大提高，以后研究中可嘗試加大鋼板截面積。

（責任編輯遲明春）

【中圖分類號】TV3

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-03-0007-02

收稿日期：2015-05-11

作者簡介：劉春偉（1982—），男，工程師