钢筋混凝土梁CFRP板嵌入修复加固技术研究_刘茜.pdf

钢筋混凝土梁C F R P板嵌入修复加固技术研究刘 茜 1,刘 涛2,田 英2(1安徽职业技术学院,合肥 2 3 0 0 0 0;2青建集团股份公司,山东 青岛 2 6 6 0 0 0)摘 要:针对钢筋混凝土梁C F R P板嵌入修复加固技术,本文系统开展了C F R P板侧面嵌贴和底板嵌贴两种加固模式的对比分析,提出了两种加固模式下的钢筋混凝土修复梁承载能力计算方法,并进行多组钢筋混凝土梁受弯承载对比分析,综合理论分析和模型试验结果,多角度验证侧面嵌贴方式和底板嵌贴方式及设计方法的有效性。研究结果表明,底板嵌贴C F R P板加固模式较侧面嵌贴方式具有更好的截面受弯承载力,提高程度一般在5%以上;提出的计算方法具有较好的适用性,能够满足常规条件下两种模式的钢筋混凝土加固梁的抗弯承载能力极限状态分析。关键词:C F R P板;钢筋混凝土梁;侧面嵌贴;底板嵌贴;抗弯承载力中图分类号:TU3 7 5.1 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 9 6 9 9(2 0 2 2)0 6 0 0 6 6 0 30 引 言国内关于C F R P板修复加固混凝土技术方面的研究偏重于工程应用1,通过数值仿真和模型加载试分析C F R P板嵌固位置、预应力、加固层数等对结构承载性能的影响规律2。理论分析方面,部分研究人员重点考虑C F R P板同混凝土界面间的黏结滑移效应,提出黏结界面滑移模型,建立相应的本构关系,从承载机理层面上揭示了C F R P 混凝土界面黏结破坏机理3。目前针对钢筋混凝土梁C F R P板嵌入修复加固技术的研究主要针对嵌固修复加固机理方面4,关于钢筋混凝土结构梁C F R P板嵌入加固设计方法、嵌固位置的量化影响规律等方面并未过多涉及。1 C F R P板嵌入梁正截面设计方法1.1 基本假定C F R P板嵌入加固后钢筋混凝土梁正截面应力应变满足平截面假定;C F R P板在混凝土梁结构整个承载过程中满足线弹性应力应变关系;既有钢筋混凝土梁结构满足弹塑性本构关系;C F R P板嵌入后同混凝土牢固黏结,不存在界面间的滑移或剥离破坏;C F R P板嵌固后的混凝土结构表现为C F R P板拉坏或者受压区混凝土压坏。1.2 C F R P板嵌入梁正截面设计(a)C F R P板侧面嵌入(b)C F R P板底面嵌入图1 侧面和底面嵌入加固时的截面应力应变图根据C F R P板嵌入修复加固后的混凝土梁正截面设计基本原理,混凝土受压区破坏同受拉区C F R P板拉断破坏同时发生时,结构材料的承载性能才能达到最大化5。因此,关于C F R P板嵌入修复加固后的混凝土梁正截面设计时,假定C F R P板第3 7卷 第6期2 0 2 2年1 2月 景德镇学院学报J o u r n a l o f J i n g D e Z h e nU n i v e r s i t y V o l.3 7N o.6D c e.2 0 2 2收稿日期:2 0 2 2 0 6 2 0基金项目:安徽省自然科学研究重点项目(K J 2 0 2 1 A 1 4 4 9)刘 茜(1 9 8 2),女,安徽合肥人。副教授,硕士,从事土木工程研究。达到最大拉力的同时,受压区混凝土也处于极限受压破坏状态。其中,C F R P板侧面嵌入以及底面嵌入修复加固后的混凝土截面应力,如图1所示。图1中,C F R P板拉断和受压区混凝土受压破坏同时发生时,混凝土梁处于受弯承载临界状态6,此时,钢筋混凝土梁受压区混凝土达到极限压应变c u,梁体侧面和梁体底面嵌入的C F R P板则同时达到极限拉应变c f u,两种情形下的混凝土界限受压高度比临界值c f b均为式形式。c f b=xhc f=0.8c uc u+c f u+i 式中,i为钢筋混凝土结构梁开始承载墙的梁底混凝土初始拉应变,无经验可取为0。根据前述假定,C F R P板加固的钢筋混凝土梁在纯弯模式下存在两种破坏模式,其中,C F R P板拉断情形是较为常见的一种破坏模式。根据截面水平受力平衡方程以及平截面假定下的应力应变几何关系,分别得到力平衡关系式和力矩平衡式,两式联立,可得到两种C F R P板嵌入形式下的截面极限弯矩承载力。11fcb x0=fyAs+Ec fc f uAc fMu=fyAs(h0-0.51x0)+Ec fc f uAc f(hc f-0.51x0)式中,为考虑C F R P板同混凝土界面间由于黏结作用而引起的C F R P板截面及折减,一般按照0.8hc fh进行控制取值。根据 混凝土结构设计规范,一般条件下系数1取1.0,1取0.87。C F R P板嵌入修复加固后的混凝土梁第二种破坏模式为受压区混凝土压坏,同样根据界面力平衡条件和弯矩平衡条件,得到式截面极限抗弯承载力设计值。Mu=fyAs(h0-hc f)+1fcb x(hc f-0.5x)x=0.8c uhc fc u+c f2 C F R P板嵌入修复加固试验对比2.1 C F R P板嵌入修复加固试验方案为进一步分析验证上述设计方法关于C F R P板侧面加固和底面加固两种方案的钢筋混凝土梁极限抗弯承载能力,模型试验中共设置五种类型的钢筋混凝土矩形梁。模型试验中,钢筋混凝土梁基本尺寸和配筋保持一致,底面均配置2根1 8钢筋,顶层配置2根1 4钢筋,纯弯段不设置箍筋,其余部位设置构造箍筋,采用C 3 5混凝土浇筑,标准养护工况养护不少于2 8天。另外,断面尺寸为宽高=2 0 04 0 0 mm,跨度3 0 0 0 mm,纯弯段长度1 0 0 0 mm,C F R P板单幅宽度1 0 0 mm,长度2 6 0 0 mm。选取其中一组为对照组,另一组将C F R P板设置于钢筋混凝土梁底面;其他三组将C F R P板设置于钢筋混凝土梁 侧 面,C F R B板 中 心 距 梁 底 分 别 为5 0 mm,1 0 0 mm和1 5 0 mm。C F R P板加载过程中,采用对称滚轴点荷载加载方式,两加载点间距1 0 0 0mm,混凝土梁中心区域为纯弯段。加载过程中,采用逐级加载方式,按照钢筋混凝土对照组极限承载的5%荷载等级逐级加载,记录每一级荷载下的钢筋混凝土梁构件跨中挠度、变形、荷载增量以及梁身裂缝发展变化情况。2.2 C F R P板嵌入修复加固试验结果对比分析根据模型试验的整个过程和初始结果,五组混凝试验方案均成功获得试验成果,其中,对照组表现为过大的构件挠曲变形塑性破坏,C F R P板底面嵌固方案表现为混凝土压碎破坏,C F R P板侧面加固方案中距板底5 0 mm方案表现为混凝土压碎破坏,其余两组表现为C F R P板拉裂破坏。根据前述五组混凝土试件梁的模型试验,得到五组混凝土试件承载能力数据见表1。表1 C F R P板嵌入修复加固方案结果序号试件类型设计荷载/k N开裂荷载/k N极限荷载/k N破坏特点描述1对照组6 5.23 0.26 6.3混凝土挠曲变形塑性破坏2梁底8 3.43 0.08 5.6混凝土压碎3侧壁5 0 mm8 2.23 1.38 4.2混凝土压碎4侧壁1 0 0 mm7 8.42 9.68 0.0C F R P板拉裂5侧壁1 5 0 mm7 0.22 8.57 1.8C F R P板拉裂根据表1,五组试验结果均得到钢筋混凝土梁的极限荷载和开裂荷载数值,具有很好的试验规律性。其中,开裂荷载约为3 0.1 k N,意味着C F R P板无论位于侧壁还是底板,其对混凝土底部受拉区的混凝土开裂影响是有限的,C F R P板的变形能力远高于混凝土板。另外,利用前述关于C F R P板置于梁底以及梁侧设计承载力的分析结果,基于理论分析结果的梁跨中设计值同模型试验结果十分接近,说明应用前述设计方法对C F R P板嵌入修复加固混凝土梁结构进行工程设计是可行的,能够满足工762 0 2 2年第6期 刘 茜,刘 涛,等:钢筋混凝土梁C F R P板嵌入修复加固技术研究 程加固实际需求。另外,对C F R P板加固位置的影响分析结果表明,C F R P板位于梁底,其对钢筋混凝土梁的整体承载能力提高最为明显,较C F R P板位于侧壁的嵌入加固方案提高5%以上,较纯钢筋混凝土梁对照组提高3 0%以上。因此,C F R P板位于板底的嵌固加固方案对结果整体承载最为有利。另外,受限于现场后加固作业空间和现场实施条件,当梁底不具备后加固操作空间时,应在梁侧靠近底板位置进行C F R P板加固,C F R P板距板底受拉区越远,其对钢筋混凝土梁的抗弯强度提升效应相对越弱。3 结论本文针对钢筋混凝土梁的C F R P板后加固分析计算以及加固方案合理性的分析验证问题,重点研究C F R P板梁底嵌入以及梁侧嵌入两种模式下的加固梁结构设计分析方法,提出可行的结构承载理论分析方法,并结合模型试验开展五组钢筋混凝土梁极限承载能力的对比分析,完成C F R P板加固位置为混凝土结构整体承载能力的分析验证。主要研究成果及结论列述如下:相较于侧面嵌贴模式,底板嵌贴C F R P板加固模式具有更好的截面受弯承载力,提高程度在5%以上;提出的钢筋混凝土修复梁承载能力计算方法具有较好的适用性,能够满足常规条件下的侧面嵌贴和底板嵌贴两种模式下的钢筋混凝土加固梁的抗弯承载能力极限状态分析。C F R P板主要提高钢筋混凝土结构的整体承载能力,对混凝土结构受拉区混凝土的开裂控制较为有限。参考文献:1 邓朗妮,陈华,张鹏.预应力C F R P板加固混凝土梁正截面受弯承载力的计算方法研究J.建筑科学,2 0 0 9,2 5(3):7 4 7 7.2 梁玉国,宋丽娟,任水娜.内嵌C F R P板加固钢筋混凝土梁试验研究J.华北地震科学,2 0 1 3,3 1(S):7 9 8 2.3 邓朗妮,陈华,燕柳斌,等.侧贴预应力C F R P板加固混凝土梁抗弯性能的试验研究J.中国铁道科学,2 0 1 0,3 1(5):2 8 3 4.4 张鹏,叶黎明,邓朗妮,等.C F R P板加固受弯钢梁的承载力及挠度分析J.桂林理工大学学报,2 0 1 1,3 1(4):5 4 5 5 4 9.5 赵少伟,张晓彬,郭娇,等.预应力C F R P板加固混凝土梁疲劳试验研究J.建筑科学,2 0 1 7,3 3(7):5 7 6 1.6 赵莹莹,姜福香,王玉田,等.C F R P 混凝土界面黏结疲劳性能试验研究J.青岛理工大学学报,2 0 1 6,3 7(5):3 7 4 4.7 吴以莉,姚谏,朱晓旭.内嵌C F R P加固混凝土梁黏结性能试验分析J.建筑技术,2 0 1 0,4 1(5):4 5 4 4 5 6.R e s e a r c ho nR e p a i ra n dR e i n f o r c e m e n tT e c h n o l o g yo fC F R PS l a b sE m b e d d e di nR e i n f o r c e dC o n c r e t eB e a mL I UQ i a n1,L I UT a o2,T I A NY i n g2(1A n h u iV o c a t i o n a lA n dT e c h n i c a lC o l l e g e,H e f e i 2 3 0 0 0 0,A n h u iP r o v i n c e,C h i n a;2Q i n g d a oC o n s t r u c t i o nG r o u pS t o c kC o.,Q i n g d a o2 6 6 0 0 0,S h a n d o n gP r o v i n c e,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ee m b e d d e dr e p a i ra n dr e i n f o r c e m e n t t e c h n o l o g yo fr e i n f o r c e dc o n