一種CFRP布加固損傷混凝土空心板抗彎試驗(yàn)研究
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作者；張毅
地震后，磚混結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力混凝土空心板受損較多，部分出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)破壞板間裂縫，還有一部分預(yù)應(yīng)力空心板的破壞是以板跨出現(xiàn)橫向裂縫為主，如圖l(a)所示，樓梯梯板震損破壞也較為常見，如圖l(b)所示。對(duì)此類震后出現(xiàn)的大量結(jié)構(gòu)性破壞，必須采用安全、快速和經(jīng)濟(jì)的加固方式。粘貼CFRP布加固受彎構(gòu)件是常用的加固方法，該方法施工簡易、快速，技術(shù)也較為成熟。
國內(nèi)外學(xué)者對(duì)未受損傷的CFRP布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板進(jìn)行了大量研究：莫測先等通過試驗(yàn)，研究了CFRP板加固后預(yù)應(yīng)力空心板變形和承載力的變化規(guī)律，采用CFRP板后不能有效改變脆性破壞的性質(zhì)，但可提高構(gòu)件的延性性能；閆長旺等通過試驗(yàn)研究了均布荷載作用下相同CFRP布用量、不同粘貼方式對(duì)CFRP布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的受力性能和加固效果的影響，得到單層四幅粘貼方式下承載力最大，單層雙幅承載力次之，雙層雙幅承載力最小。
目前對(duì)CFRP布加固受損的預(yù)應(yīng)力空心板抗彎性能研究資料較少，因此本文探討不同CFRP布粘貼方式、粘貼量和板不同損傷程度下，加固后板的承載性能及破壞模式，為工程應(yīng)用提供參考。
1試驗(yàn)概況
1.1 試件制作
試驗(yàn)選用經(jīng)過汶川地震震損房屋拆下來的預(yù)應(yīng)力混凝土板，包括9塊1990年前房屋bKB3906-4.5型預(yù)應(yīng)力混凝土空心舊板，2000年后的9塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心新板，板上未見明顯裂縫。對(duì)1990年前的3塊板經(jīng)回彈儀實(shí)測強(qiáng)度值均為29. 64MPa，對(duì)2000年后3塊板經(jīng)回彈儀實(shí)測強(qiáng)度值均約為29. 89MPa。詳細(xì)參數(shù)見表1，布筋圖如圖2所示，尺寸為600mm X120mm×3900mm，凈跨3700mm，抽孔直徑83mm。預(yù)應(yīng)力筋采用CRB650（12咖5）級(jí)冷軋帶肋鋼筋，縱向主筋配筋率為0.13%。
將18塊空心板進(jìn)行第一次加載，按照加載后板底裂縫出現(xiàn)多少分為3組，破壞照片如圖3所示。A組（輕微破壞）試件，板底裂縫細(xì)且數(shù)量少，編號(hào)：KAl~KA3和JKAl~JKA3；B組試件加載到最大裂縫寬度為0.1mm即中度破壞程度，編號(hào)：KBl~KB3和JKBl~JKB3；C組荷載加至試件最大裂縫寬度達(dá)到0. 3mm即嚴(yán)重破壞程度，編號(hào)：KCl~KC3和JKC1～JKC3。
試件JB為第一次加載前的未損傷的對(duì)比試件，為與后面加固板極限狀態(tài)形成對(duì)比，該板選自第一次加載嚴(yán)重破壞板中的一個(gè)，當(dāng)荷載達(dá)到12kN時(shí)，預(yù)應(yīng)力空心板板底出現(xiàn)少許細(xì)微裂縫，且隨荷載增加，加載點(diǎn)附近出現(xiàn)新裂縫，跨中裂縫開展迅速并伴有大量新裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度不斷加大，最后在純彎段跨中預(yù)應(yīng)力鋼筋被拉斷，試件破壞。
對(duì)達(dá)到中度和嚴(yán)重破壞的板，停止加載，并維持原加載值不變，沿縫長度方向用膩?zhàn)酉染植棵芊�，后向�?nèi)部注入灌縫膠，采用CFRP布進(jìn)行加固，養(yǎng)護(hù)后繼續(xù)加載直至最后破壞，在板跨中纖維布上粘貼應(yīng)變片，位移計(jì)整體布置如圖4所示。
1.2試驗(yàn)加載及量測
試驗(yàn)采用電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行近似三分點(diǎn)逐級(jí)加載，每級(jí)遞增3kN，在接近開裂和極限荷載時(shí)，降低增量，以準(zhǔn)確確定板的極限承載性能。加載制度見表2，加載簡圖如圖5所示。
1.3 加固方案
CFRP布性能指標(biāo)見表3。為防止加固后布剝離破壞，在試件兩端各粘貼75mm寬CFRP布?jí)簵l，粘貼方式如圖6所示，各試件CFRP布粘貼量見表4。
2 主要試驗(yàn)結(jié)果
2.1試驗(yàn)現(xiàn)象及分析
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，所有板件在加載時(shí)均出現(xiàn)了明顯的受彎裂縫。各組試件雖破壞程度不同，加固時(shí)采用的CFRP布粘貼量也不同，但是裂縫分布較為接近。CFRP布能有效抑制裂縫開展，從鋼筋屈服到板破壞，裂縫寬度增加不到0.15 mm，裂縫沿板高度發(fā)展也較小，受壓區(qū)高度仍較大。在極限狀態(tài)時(shí)，裂縫細(xì)密但數(shù)量較多。
損傷程度相同的板件裂縫寬度隨著粘貼幅數(shù)的增加而減小。①采用單層雙幅粘貼方式的板裂縫寬度最大，單層四幅粘貼方式最小，單層三幅粘貼方式的板裂縫寬度介于二者之間。②采取相同粘貼方式、相同粘貼量的不同損傷程度的板件隨著破壞程度的加大，加載后新裂縫出現(xiàn)也較多，但未見從灌縫膠處有新裂縫產(chǎn)生。
2.2破壞模式及分析
粘貼CFRP布加固后板的破壞形態(tài)有支座處混凝土剪碎、布拉斷和布剝離破壞3種，所有板在加載至極限狀態(tài)時(shí)都發(fā)生了較大的撓曲變形，如圖7(a)所示，在分載點(diǎn)支座加載處及純彎段的板側(cè)沿高度方向均有較多裂縫產(chǎn)生，如圖7(b)所示。
板KB1、KC1、KC2、JKB1、JKC1、JKC2加載到極限破壞狀態(tài)時(shí)，板底發(fā)出清脆響聲，跨中CFRP布斷裂剝離，預(yù)應(yīng)力筋和混凝土板均未破壞，屬于脆性破壞，在工程應(yīng)用中應(yīng)避免；板KA2、KA3、KB3、JKA2、JKA3、JKB3加載過程中在跨中純彎段原有裂縫附近出現(xiàn)幾條細(xì)小裂縫，隨荷載增加，裂縫寬度不斷加大，最后支座處混凝土剪碎，板底出現(xiàn)幾條主裂縫，如圖7 (c)所示；板KA1、KB2、KC3、JKA1、JKB2、JKC3隨荷載增加，板底裂縫開展迅速，裂縫寬度不斷加大，板跨中撓度增長加快，CFRP布應(yīng)變數(shù)值繼續(xù)增大，最后在純彎段跨中發(fā)生CFRP布拉斷，如圖7(d)所示。
外貼CFRP布進(jìn)行加固的板件，在加載初期，荷載主要由鋼筋混凝土承擔(dān)，CFRP布作用不明顯，因此CFRP布加固的板開裂荷載提高不顯著，而開裂后，CFRP布抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮，可明顯提高試件極限承載力及抑制板裂縫開展。
2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析
由圖8可知，加固后板與對(duì)比板JB極限承載力相比，A組試件KA1～KA3和JKA1～JKA3極限承載力分別平均提高48. 68%和42. 16%；B組試件KBl~KB3和JKBl~JKB3極限承載力分別平均提高34. 8%和29. 16%；C組試件KCl~KC3和JKC1~ JKC3極限承載力分別平均提高23. 5%和19. 05 010。以上數(shù)據(jù)表明：①加固前損傷小的板件，采用相同的加固方式，其極限承載力提高最大。②采用CFRP布加固后，板的極限承載力比未加固的空心板極限承載力均有所提高，達(dá)到《碳纖維布片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS164：2003)規(guī)定的恢復(fù)到原承載能力狀態(tài)的要求。
由圖8及表5可以看出，與不粘貼CFRP布的JB試件相比：①粘貼CFRP布的3組試件開裂荷載均有提高，但提高幅度不大。②開裂后隨著布粘貼量的增大，同一荷載數(shù)值下，跨中撓度減�。粚�(duì)于相同粘貼量，不同的粘貼方式對(duì)試件的剛度變化影響不顯著。③布用量的增多會(huì)改變板件的破壞形態(tài)，如對(duì)于輕微破壞的板件來說，粘貼單層雙幅的板在純彎段跨中發(fā)生CFRP布拉斷破壞，粘貼單層四幅的板在支座處混凝土剪切破壞。受彎承載力的增長并非與CFRP布幅數(shù)的增加呈正比關(guān)系，與板的損傷程度也有一定關(guān)系。④當(dāng)CFRP布粘貼層數(shù)較少時(shí)，輕微破壞的板的極限承載力增長幅度大；隨著CFRP布幅數(shù)的增多，輕微及嚴(yán)重?fù)p傷的板極限承載力均有所增加。⑤CFRP布應(yīng)變?cè)诩雍沙跗诤苄�，試件開裂后，布的應(yīng)變開始急劇增加，隨著荷載不斷增加，CFRP布應(yīng)變?cè)鲩L速度加快。
2.4 荷載一位移曲線
CFRP布加固后的空心板在外荷載作用下荷載-位移曲線共分3個(gè)階段，如圖9所示。
第一階段：受拉區(qū)混凝土開裂之前，荷載-位移曲線近似直線，板處于彈性工作狀態(tài)，雖然CFRP布對(duì)空心板受拉區(qū)混凝土有一定約束作用，但由于空心板開裂前變形很小，故板底面CFRP布應(yīng)變很小，因此對(duì)板的受力性能影響很小。
第二階段：受拉區(qū)混凝土開裂。受拉區(qū)原有裂縫附近混凝土開裂后，荷載-位移曲線上出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，曲線斜率逐漸增大，加固空心板裂縫截面的應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力鋼筋和CFRP布共同承擔(dān)，CFRP布雖不能阻止混凝土開裂，但可抑制裂縫擴(kuò)展，因此粘貼CFRP布加固后板的裂縫發(fā)展較為緩慢，灌漿的裂縫未見發(fā)展。
第三階段：預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服后至CFRP布失效。
在預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服以后，荷載．位移曲線上再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，剛度進(jìn)一步降低。板無法再繼續(xù)承受外荷載而發(fā)生破壞，裂縫發(fā)展很快，剛度迅速降低，荷載-位移曲線荷載增長較小而位移發(fā)展較快，碳纖維布發(fā)揮作用明顯，剛度有反彈提高趨勢。而加固空心板中CFRP布參與承受外荷載作用增大，并且對(duì)裂縫約束作用更大，裂縫寬度增加很少，布與混凝土間剪力增大，CFRP布更容易發(fā)生剝離破壞。
圖10為相同損傷板經(jīng)過不同加固方式后的荷載一位移曲線。①隨著CFRP布幅數(shù)增加，曲線斜率比其他工況增大顯著，即剛度提高更為明顯，粘貼CFRP布可以有效抑制板裂縫寬度發(fā)展，不形成主裂縫。②CFRP布發(fā)揮作用主要在預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服后，此時(shí)加固后板的極限承載力提高最為明顯。③試驗(yàn)中，CFRP布的粘貼布置方式分為單層雙幅、單層三幅、單層四幅3種。3組板件極限承載力隨著布置方式、粘貼量的不同而有不同程度的提高，達(dá)到11.1%~84. 2%，CFRP布粘貼方式為單層四幅的空心板極限承載力增長最為顯著，單層雙幅粘貼方式最小。
3 結(jié)論
本文通過對(duì)粘貼CFRP布加固的損傷預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的近似三分點(diǎn)加載試驗(yàn)研究，探討了不同粘貼方式、不同粘貼量及不同損傷程度的空心板抗彎性能。在持荷條件下對(duì)損傷板進(jìn)行加固，避免了纖維布的二次受力，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，并綜合考慮破壞特征、極限承載力及荷載一位移曲線等因素，提出了粘貼CFRP布加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板實(shí)用加固方案。
1)采用CFRP布加固后，不同破壞程度的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板極限承載力隨著粘貼布置方式、粘貼量的不同而有不同程度的提高，單層四幅加固方式的極限承載力增長最為有效，單層雙幅粘貼方式提高較少，單層三幅粘貼方式介于單層雙幅與單層四幅之間。
2)對(duì)于加固輕微破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為lOOmm單層雙幅的CFRP布粘貼；對(duì)于加固中度破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為75mm單層三幅的CFRP布粘貼；對(duì)于加固嚴(yán)重破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為75mm單層四幅的CFRP布方式粘貼，效果最佳。
3)采用CFRP布加固后，板的極限承載力比未損傷的空心板極限承載力有所提高，能達(dá)到震損加固對(duì)恢復(fù)到原承載能力狀態(tài)的要求。
4[摘要]汶川地震中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板破壞較多，震后對(duì)部分受損板需采用粘貼CFRP布方式進(jìn)行加固。為研究加固可靠性，對(duì)包括18塊CFRP布加固的受損板和1塊未受損板共19個(gè)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)研究，探討不同粘貼方式、粘貼量及板不同損傷程度下，板的抗彎承載性能及破壞模式。結(jié)果表明：①CFRP布采用單層四幅的粘貼方式加固構(gòu)件時(shí)，抗彎極限承載力增長最為顯著；②對(duì)于加固輕微破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為lOOmm單層雙幅的CFRP布粘貼；對(duì)于加固中度破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為75mm單層三幅的CFRP布粘貼；③對(duì)于加固嚴(yán)重破壞的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，采用幅寬為75mm單層四幅的CFRP布方式粘貼。
