增大截面法加固損傷混凝土板試驗(yàn)研究
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作者：褚云朋，賈 彬，姚 勇，楊小攀（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽621010）
[摘要]通過采用粘貼碳纖維布與增大截面法對(duì)損傷鋼筋混凝土板進(jìn)行加固試驗(yàn)，分析了不同配筋率對(duì)板的承載力、剛度的提高效果，結(jié)果表明：①相同荷載作用下，增大截面加固法對(duì)提高板的抗彎剛度效果更好；②兩種加固方法都能較大程度提高板的承載力及剛度，但增大截面法對(duì)提高板的開裂荷載效果更明顯，且隨配筋率增大承載力及剛度提高越多；③采用增大截面法加固時(shí)，Φ8的強(qiáng)度利用最充分，這與加固規(guī)范中規(guī)定的板的受力鋼筋直徑不應(yīng)小于8mm相一致；④結(jié)合規(guī)范計(jì)算公式，得到計(jì)算值與試驗(yàn)值二者相差較小。
[關(guān)鍵詞]鋼筋混凝土板；增大截面法加固；碳纖維布加固；試驗(yàn)研究
[中圖分類號(hào)] TU746.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
Experimental Study of the Damaged RC Slab Reinforced by Increasing Section Method
Chu Yunpeng, Jia Bin, Yao Yong, Yan.g Xiaopeng(CollegeoCivil En,gin,eerin,g, Southwest Un,iversity of Techn,ology,
Mian,yan,g 621010,China)
Abstract: Through the test of applying CFRP and increasing section method to reinforce the damaged concreteslab, the improving effect of different reinforcement ratio on board capacity and the stiffness are analyzed. Theresults show:①under the same load, increasing the cross-sectional reinforcement method has a better effect onimproving the bending stiffness of the board;②two methods of reinforcement can improve the capacity and stiffnessof the board greatly, the effect of increasing section method is obvious, and the carrying capacityand stiffness
increase with the greater the reinforcement ratio;③when using the increasing section method to reinforce, thestrength of the fullest use of 8,and this is consistent with the reinforcement of the specification that diameter of thereinforced is not less than 8mm;④combined with standardized formula, the difference between the calculated andexperimental values is small.
Keywords: reinforced concrete slab; reinforced by increasing section method; reinforced by CFRP; experimental
study
O 引言
碳纖維布( CFRP)加固鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)具有高效高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性好、技術(shù)成熟等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外工程加固中已得到廣泛應(yīng)用。但也存在二次受力，界面有機(jī)粘接材料（環(huán)氧樹脂膠）耐久性差，受使用環(huán)境溫度限制，碳纖維布易發(fā)生剝離及斷裂的脆性破壞，不能有效提高構(gòu)件剛度等問題‘糾。增大截面加固法是可有效提高構(gòu)件承載力和剛度，或改變其自振頻率的一種直接加固法，其具有工藝簡單、使用經(jīng)驗(yàn)豐富、受力可靠、加固費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)，很容易為人們所接受；在不考慮濕作業(yè)工作量大、養(yǎng)護(hù)期長、占用建筑空間較多等條件時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)較為明顯。
本文通過對(duì)RC板進(jìn)行加固試驗(yàn)，研究了采用CFRP布加固與采用增大截面法加固對(duì)損傷板的承載性能提高程度；且采用增大截面法加固板時(shí)，分析了不同加固鋼筋配筋率對(duì)板的承載力及剛度影響，為RC板的加固設(shè)計(jì)提供參考。
1 試驗(yàn)概況
1.1試件設(shè)計(jì)
試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5塊RC板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，試件截面尺寸：1200mm×3600mm×lOOmm，板配筋率均為0. 42%，為Φ8@ 150。對(duì)板施加荷載，使其發(fā)生破壞，以板底裂縫寬度達(dá)到Imm作為控制指標(biāo)。加載設(shè)備采用反力架與液壓千斤頂系統(tǒng)，支座采用鋼梁，一端采用鉸支，另一端采用簡支，如圖1所示。
加固后板編號(hào)及組成見表1，其中B-O為對(duì)比板，加載至極限承載力狀態(tài)，確定板的開裂荷載、極限荷載和跨中最大撓度。對(duì)Bl、B2、B3試件卸載后采用增大截面法加固，依次分別增加6根Φ6、Φ8、Φ10受拉縱筋后采用C40細(xì)石混凝土澆筑，厚度40mm；對(duì)板B4卸載后采用環(huán)氧樹脂膠封閉裂縫并采用CFRP布加固。
1.2 加載方案
試驗(yàn)采用單調(diào)分級(jí)加載，觀察應(yīng)變、裂縫和撓度等情況，由文獻(xiàn)，加載制度如下：①預(yù)載，預(yù)載值一般不宜超過標(biāo)準(zhǔn)荷載值的40%且應(yīng)小于計(jì)算的開裂荷載值；②標(biāo)準(zhǔn)荷載之前，每級(jí)加載值宜為標(biāo)準(zhǔn)荷載的20%，標(biāo)準(zhǔn)荷載以后，每級(jí)不宜大于標(biāo)準(zhǔn)荷載的10 010，當(dāng)荷載加至計(jì)算破壞荷載的90 010以后，為了確定準(zhǔn)確極限荷載值，每級(jí)應(yīng)取不大于標(biāo)準(zhǔn)荷載的5 010。
1.3 測(cè)試設(shè)備與內(nèi)容
試驗(yàn)采用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)量內(nèi)容有：板跨中、1/4處及支座撓度，百分表測(cè)點(diǎn)布置見圖2。
跨中截面及距支座1/4處2根縱向鋼筋的應(yīng)變；板底跨中及1/4處各2個(gè)混凝土的應(yīng)變，B-4板底跨中及1/4處各2個(gè)混凝土的應(yīng)變，加固后板底混凝土應(yīng)變片布置見圖3。
1.4 施工工藝
1.4.1 增大截面法
①板底基層處理，包括修補(bǔ)、打鑿等（圖4a）；②定位放線，在板上開孔，并進(jìn)行清孔處理（圖4b）；③將增加鋼筋錨固在孔內(nèi)后用植筋膠進(jìn)行粘接，網(wǎng)片交叉點(diǎn)處用鍍鋅鋼絲進(jìn)行綁扎（圖4c）；④在網(wǎng)片交叉點(diǎn)處采用梅花形狀增設(shè)剪力釘（圖4d）；⑤清理加固面浮塵，涂底漿（界面劑），并在側(cè)面裂縫處灌入結(jié)構(gòu)膠，板底壓抹細(xì)石混凝土后養(yǎng)護(hù)（圖4e）。
1.4.2 采用CFRP布加固
參照文獻(xiàn)[5]施工工藝，采用CFRP布對(duì)單向板進(jìn)行加固，粘貼方式見圖5。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1試驗(yàn)現(xiàn)象及分析
2.1.1 增大截面法
1)開始加載時(shí)，所有試件均呈線彈性變形，隨荷載增大，板底跨中附近首先出現(xiàn)橫向裂縫。
2)當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)，在純彎段內(nèi)相繼出現(xiàn)多條裂縫，同時(shí)形成一條主裂縫，且沿垂直板厚方向裂縫向受壓區(qū)開展，跨中新老混凝土界面處出現(xiàn)微裂縫，隨著荷載增加新老混凝土結(jié)合面處的裂縫沿結(jié)合面延伸，同時(shí)出現(xiàn)正截面垂直裂縫。
3)最后正截面垂直裂縫貫通，試件產(chǎn)生過大撓度后喪失承載力，試驗(yàn)結(jié)束，裂縫分布及變形見圖6。
2.1.2 CFRP布加固
1)在加載初期，板變形很小，隨著荷載增加裂縫出現(xiàn)在原裂縫的修補(bǔ)處，未見新裂縫產(chǎn)生。
2)加固后板的強(qiáng)度明顯提高，加載過程中有細(xì)微劈裂聲發(fā)出。
3)當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，板撓度增幅加快。最后跨中處CFRP布斷裂，板產(chǎn)生較大變形，板變形及裂縫見圖7。
2.2主要試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)測(cè)得荷載和變形如表2和圖8所示，可以看出：①在相同荷載下，增大截面法加固板的撓度小于CFRP布，增大截面加固法對(duì)提高板抗彎剛度效果明顯；②B-l~B-4試件在加固前后極限承載力分別提高了1. 83倍、2.52倍、3.38倍和1.53倍；兩種方法都能較大提高板的極限承載力，在采用增大截面法加固時(shí)隨配筋率增大承載力提高越多，受壓區(qū)混凝土未被壓碎，最后以受拉區(qū)混凝土裂縫寬度過寬而失效；③加固后板均進(jìn)入非線性階段，但B-4屈服平臺(tái)較其他三塊加固板短，主要原因是極限荷載階段，碳纖維布突然斷裂使得梁迅速破壞。
試驗(yàn)所得B-l~B-3荷載一應(yīng)變關(guān)系見圖9，可以看出：①加載初期混凝土和鋼筋應(yīng)變?cè)黾泳徛�，兩者共同受力，隨荷載增加，受拉區(qū)混凝土開裂，鋼筋開始分擔(dān)更多荷載，板進(jìn)入非線性階段，鋼筋應(yīng)變曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，受拉區(qū)混凝土所承擔(dān)的內(nèi)力由受拉區(qū)鋼筋承擔(dān)；②荷載繼續(xù)增加時(shí)，跨中板底裂縫寬度增大，附近出現(xiàn)更多裂縫，鋼筋應(yīng)力繼續(xù)增加，原板內(nèi)鋼筋開始發(fā)揮作用，該階段持續(xù)時(shí)間較長；③荷載小幅增加，但鋼筋應(yīng)變卻增加迅速，鋼筋進(jìn)入屈服階段，受拉區(qū)混凝土由于主裂縫寬度達(dá)到4mm而停止加載；④極限狀態(tài)時(shí)板B-l、B-2和B-3跨中鋼筋應(yīng)變分別為：1605 uε、2030uε、1761uε，對(duì)應(yīng)應(yīng)力均達(dá)到或超過了屈服強(qiáng)度，其中B-2受拉縱筋強(qiáng)度利用最充分，這與規(guī)范中規(guī)定“加固用鋼筋，板受力鋼筋直徑不應(yīng)小于8mm”結(jié)論一致，因此采用Φ8進(jìn)行加固即可很好地滿足工程要求。
3 正截面承載力計(jì)算
3.1基本假定
采用增大截面法加固板應(yīng)滿足RC受彎構(gòu)件正截面承載力基本假定。由文獻(xiàn)[6]，對(duì)于混凝土一般受力構(gòu)件，可參考普通混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有足夠安全保證。因此在采用CFRP布加固板假定中可參照文獻(xiàn)[5]中假定：①截面應(yīng)變符合平截面假定，受拉區(qū)邊緣纖維應(yīng)變等于混凝土受彎極限拉應(yīng)變；②受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即óc=Ec×εc；③受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力圖形假定為矩形，其強(qiáng)度等于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度，④即將開裂時(shí)，混凝土受拉變形模量Ec=0. SEo。
3.2 開裂彎矩
3.2.1 增大截面法加固
由文獻(xiàn)[7]，RC受彎構(gòu)件開裂彎矩的計(jì)算式
為：
式中：ym為截面抵抗矩塑性影響系數(shù)，對(duì)于矩形截面取ym=1.55；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Io為換算截面慣性矩；Yo為截面形心軸至受拉邊緣距
離；aE為鋼筋彈性模量和混凝土彈性模量之比，aE=
；Ec為混凝土彈性模量，對(duì)C30混凝土可取Ec=3×l04 N／Ⅱlm2；p為縱向加固鋼筋與原有受拉鋼筋總配筋率，對(duì)于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，取p=
。
3.2.2 碳纖維布加固
由文獻(xiàn)[6]，開裂彎矩表達(dá)式為：
兩種加固方法中板開裂荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值見表3。通過試驗(yàn)值對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，增大截面法可有效抑制板的開裂，主要原因是板計(jì)算高度增加；而在加載初期，CFRP布存在二次受力，混凝土未開裂情形下，如不對(duì)布施加預(yù)拉力，其對(duì)抑制裂縫的發(fā)生作用不明顯。
3.3極限彎矩
3.3.1 采用增大截面法加固單向板
由文獻(xiàn)[3]，當(dāng)在受拉區(qū)加固矩形截面受彎構(gòu)件時(shí)，其正截面受彎承載力應(yīng)按下列公式確定：
在鋼筋網(wǎng)片中呈梅花狀增設(shè)剪力釘，且表面鑿毛，較大幅度提高了新老混凝土間協(xié)同工作能力，因此在規(guī)范規(guī)定基礎(chǔ)上，正截面受彎承載力應(yīng)乘以增
大系數(shù)，即：
式中：p為正截面受彎承載力增大系數(shù)，取p=2.0；M為構(gòu)件加固后彎矩設(shè)計(jì)值；as為新增鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)，取as=0.9f為新增鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A。為新增受拉鋼筋截面面積；hn、ho1為構(gòu)件加固前后截面有效高度；x為等效矩形應(yīng)力圖形混凝土受壓區(qū)高度，簡稱混凝土受壓區(qū)高度；f0fyo。為原鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aso、Aso為原受拉鋼筋和原受壓鋼筋截面面積；a為縱向受壓鋼筋合力點(diǎn)至混凝土受壓區(qū)邊緣距離；a1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值比值，因混凝土板強(qiáng)度大多低于C50，取a．=1.0；fc為原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為矩形截面寬度；ξb為構(gòu)件增大截面加固后的相對(duì)界限受壓區(qū)高度，按文獻(xiàn)[3]第5.2.4條的規(guī)定計(jì)算。
3.3.2 CFRP布加固單向板
由文獻(xiàn)[3]，CFRP布加固單向板可按照9.2.3條進(jìn)行計(jì)算，具體表達(dá)式為：
式中：fy0fyo為原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aso、Aso為原截面受拉和受壓鋼筋面積；ff為纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Afe為纖維復(fù)合材料的有效截面面積；ψf為考慮纖維復(fù)合材料達(dá)不到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值而引入的強(qiáng)度利用系數(shù)；εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，取εcu=0. 0033；εfo為纖維復(fù)合材料拉應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值；εfo為考慮二次受力時(shí)，纖維復(fù)合材料的滯后應(yīng)變。采用增大截面及CFRP布加固板極限荷載計(jì)算值與試驗(yàn)值見表4。①增大截面法進(jìn)行加固的極限承載力高于采用粘貼碳纖維布的，且發(fā)生延性破壞；②試驗(yàn)值均略高于計(jì)算值，對(duì)加固設(shè)計(jì)有一定安全儲(chǔ)備。建議在工期不緊且建筑高度不受影響的情形下采用增大截面法進(jìn)行加固。
4 結(jié)論
通過對(duì)比試驗(yàn)，采用增大截面法及粘貼CFRP布加固RC板，通過對(duì)撓度、極限承載及破壞模式等進(jìn)行研究，可得以下結(jié)論：
1)利用CFRP布粘貼及增大截面法加固都能較大地提高RC板的承載力，但增大截面法對(duì)抑制板的開裂效果更為明顯，主要是碳纖維布存在二次受力，混凝土未開裂情形下，如不對(duì)布施加預(yù)拉力，對(duì)提高開裂荷載作用不明顯。
2)增大截面加固法對(duì)提高板的抗彎剛度效果更好；采用增大截面法加固時(shí)，隨配筋率增大承載力及剛度均有提高，其中Φ8強(qiáng)度利用最充分，這與規(guī)范中規(guī)定的“加固用鋼筋，板受力鋼筋直徑不應(yīng)小于8mm”相一致。
3)結(jié)合規(guī)范計(jì)算公式，將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，二者相差較小，且極限狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)值均略高于計(jì)算值，對(duì)加固設(shè)計(jì)有一定安全儲(chǔ)備。增大截面法進(jìn)行加固的極限承載力高于采用粘貼碳纖維布的，且發(fā)生延性破壞，建議在工期不緊且建筑高度不受影響的情形下采用增大截面法進(jìn)行加固。
