非粘貼四點錨固碳纖維板對混凝土梁的加固效果

汪 偉,陳秀玲,晏春雨

(重慶科技學院 建筑工程學院,重慶 401331)

0 前 言

隨著橋梁使用年限的增加以及受自然環境腐蝕等多方面因素影響，導致既有橋梁喪失一定結構功能,需采取措施對其進行加固。目前國內外常用的加固方法有6種：增大截面；灌漿、噴射混凝土加固；外包鋼加固；粘鋼加固；纖維復合材料加固；預應力加固。但上述方法存在一定問題,即當采用上面的加固方法后結構會存在一定的應變滯后,只有當被加固構件在受力時,新加固的材料才會參與共同受力,并且加固材料在受力過程中還會承受各個因素的影響,很難評價效果。對此,本文研制出一種碳纖維板預應力加固技術。這種方法無需粘貼,省去了打磨、清潔、涂刷界面膠和打底膠等前期步驟,加快了施工進度；與此同時，對碳纖維板施加的預應力分擔到每個錨固點上,大大減小了對錨固區的要求,容易實現錨固區的設計和施工。

1 實驗基本情況

1.1 加固前的試驗梁

加固前的試驗梁是兩根完全相同的T形截面梁。它們的強度等級相同,采用C30,受拉鋼筋選擇HRB400,其他鋼筋選擇R245，如圖1。

圖1 T梁截面及配筋布置

1.2 試驗梁加固方案

由實驗要求制作了兩根梁HL1和HL2,用于試驗。HL1進行CFRP普通粘貼進行加固(見圖2),作為對比試驗梁。HL2為本次試驗中的主要考察對象,采用四點錨固預應力碳纖維板加固技術(見圖3)。本次試驗以兩根完全相同的T梁為加固對象,為了突出CFRP的加固效果,對試驗梁的縱向受拉鋼筋筋配筋率為0.85%,T梁的箍筋配置較密,避免梁體剪切破壞。

圖2 HL1 CFRP 加固布置

圖3 HL2預應力CFRP加固布置

試驗加載是將T梁放于反力架上,通過液壓千斤頂施加荷載。本次加載為兩點加載,兩點間距為1 500 mm。在加載過程為緩慢分級加載,控制好加載速度。材料性能見表1～2。

表1 鋼筋材料性能

表2 構件材料性能

2 試驗現象及結果分析

2.1 試驗現象的對比

在加載過程中HL1與T梁有粘接,處于變形協調狀態。在加載過程中撓度較小,T梁裂縫較為稀疏,裂縫之間的寬度大于200 mm。梁體產生破壞的狀態是T梁跨中處CFRP瞬間發生剝離,剝離時縱向CFRP的最大應變為4 912με,遠小于規范要求的10 000με,強度發揮不到設計強度的50%,此時T梁上緣未出現壓碎現象。

在對HL2施加荷載前,要通過碳纖維板對T梁施加預應力,從而使得混凝土梁上部受拉、下部受壓,通過這樣的步驟就可以抵消前期施加的荷載。當最終破壞時碳板被拉斷,此時的臨界狀態應變為11 002 με,大于所規定的值10 000 με,使得碳板的性能發揮完全，此時T梁上部沒有被壓壞。

2.2 試驗數據分析

HL1和HL2兩梁的條件是一樣的,但是因為采用了不同的加固方式,導致加固后T梁的受力性能和承載能力方面的差異很大。而對于橋梁結構來說,能有效改善其受力性能，若有一種加固方式,能大大提高承載能力,那這種加固方法就是好方法。為了探究兩加固方式的加固效果,需對試驗結果進行對比分析研究。試驗結果對比主要通過加載過程的各級特征荷載,還有各階段碳板應變值的變化說明。

1)兩梁對比特征荷載見表3。

表3 兩梁各級特征荷載對比 單位：kN

從表3可知,HL2采用預應力碳纖維板加固技術,使得T梁的開裂荷載比普通粘貼碳纖維布提高了5%,屈服荷載提高了9%,而極限荷載更是提高了33%。這是因為，預應力碳纖維板技術通過體外四點錨固,碳纖維板與梁體之間沒有任何粘結作用,不會存在碳纖維板因發生剝離而提前破壞；另外,通過給碳纖維板施加預應力,四點錨固將CFRP與T梁形成一個整體,從而在加載前期CFRP就能與梁體共同受力,更好的發揮其高強性能。以上原因使得CFRP的高強性能得到充分發揮,大幅度提高T梁的抗彎承載能力。

2)CFRP片材最大應變點應變歷程隨荷載變化曲線對比見圖4。

(a)不考慮CFRP預應變

(b)考慮CFRP預應變

本次試驗的加固材料為碳纖維,因不同的加固方式導致發揮其材料本身性能也不一樣,所以要對不同方法的碳纖維的應變值變化進行對比分析。HL1和HL2的數據都是對應的跨中截面。

通過圖4中數據的對比分析可得,HL2梁在不考慮預應變時,加載過程中與梁HL1的應變變化歷程具有相似性,但是由于HL2梁通過四點錨固預應力碳纖維板技術,延緩了梁體裂縫的發展速度,大幅度提高T梁的剛度及各個性能。而且在情況差不多的時候HL2梁跨中截面與HL1梁粘貼的CFRP片材受力相當接近(變形有同步性),表明錨固碳板和粘貼碳布的受力在一定程度上市有共通性的。

從圖4(b)可以看出,由于對HL2梁施加了預應力,從而導致兩根梁從加載開始時就有不同的應變水平,在加載之前通過對HL2梁進行四點錨固碳纖維板,并施加預應力,使得碳板能在加載的早期參與梁體的受力,可以充分發揮碳板的性能。另外,在破壞的臨界狀態HL2的應力為2 597 MPa,遠遠超過了規范規定的設計強度2 300 MPa,而對于HL1來說,破壞前碳布所承受的應力為1 189 MPa,只達到了設計值的一半。所以可以清楚看到,HL2通過四點錨固預應力碳纖維板技術,使得CFRP的高強性能得到了充分發揮；而HL1梁發生剝離的時候,還沒有充分發揮碳纖維材料的高強性能,材料利用率相對較低。

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