碳纤维加固钢筋混凝土板的试验研究

2010-07-27周庆华吴建平

铁道建筑 2010年8期

关键词：碳纤维线性承载力

周庆华，吴建平

(中交四航工程研究院有限公司，广州 510230)

钢筋混凝土板是典型的受弯构件。钢筋混凝土板在荷载作用下，位于受拉区的混凝土容易出现裂缝，从而导致钢筋腐蚀，承载力和耐久性降低，结构功能退化甚至成为结构安全的隐患，因此，研究钢筋混凝土板的碳纤维补强加固具有较显著实际意义。

1 试件制备

1.1 试件方案设计

本项研究共制作了4块板，编号分别为 B1、B2、B3、B4。板的规格相同，均为340 cm×100 cm。板的设计如图1所示。其中 B1为基准板，B2、B3、B4为加固板。三块加固板的碳纤维粘贴网格及碳纤维用量各不相同，其加固方案列于表1中，碳纤维加固设计如图2～图4所示。

表1 板的编号及粘贴碳纤维方式

本试验所用的加固材料是重亿型碳纤维布，粘结剂为Araldite牌胶。试件混凝土水灰比采用0.5，强度等级C40，钢筋采用普通HPB235级钢筋制作，钢筋混凝土板的材料及加固材料的性能如表2所示。

图1 钢筋混凝土板设计(单位:mm)

图2 板B2碳纤维加固方式(网格1，单位:cm)

图3 板B3碳纤维加固方式(网格2，单位:cm)

图4 板B4碳纤维加固方式(网格3，单位:cm)

表2 材料力学性能

1.2 试件制作

混凝土浇筑后自然养护至28 d粘贴碳纤维布。粘贴前打磨构件表面，打磨后清除混凝土表面浮灰，均匀饱满地涂一层底胶，等底胶干后，涂一层均匀的粘结剂，将已裁剪好的碳纤维布粘贴上去，同时用刷子沿碳纤维受力方向刷动，以利于碳纤维布和底胶的充分结合，并将布内气泡中的空气赶压出去。随后，在碳纤维表面再刷一层粘结剂，待7 d后粘结剂完全固化，即进行加载试验。

2 加载试验

2.1 测试内容及测点布置

本试验的测试内容包括:板的底面与顶面混凝土纵向应变、板的竖向位移(挠度)和板的裂缝。应变测量使用大标距(10 cm)电阻式应变片、位移测量使用百分表、裂缝测量使用刻度放大镜和塞尺。应变测点总数为24个:其中板底面布置15个，板顶面布置9个。板底面的应变测点布置在碳纤维布表面，而板顶面的应变测点布置在混凝土表面。

位移测点总数为6个，分别沿板的两侧对称布置，每侧3个百分表。

2.2 加载试验

本项试验的板均为单向板，两短边简支，两长边自由。板的净跨为lo=3 000 mm。采用加载方式进行加载。加载程序为:0级→1级(17 kN)→2级(34 kN)→3级(51 kN)→4级…，4级以后的荷载因板而异。施加给板的试验荷载通过分配板及两条木方转换成两平行线性荷载，两荷载间距为80 cm。每级荷载施加完毕后测读一次全部试验数据，待该级荷载作用下，板的变形稳定后再测读一次全部试验数据，然后才施加下一级荷载，直至板破坏。在加载过程中，记录开始出现裂缝时的荷载，以及裂缝的开展宽度与对应的试验荷载。

3 试验结果与分析

3.1 板的竖向位移试验结果及分析

板的位移测点共有6个，编号分别为百分表1～百分表6。其荷载—位移曲线如图5～图8所示。

从图5可以看出，基准板 B1在加载达到34 kN时，位移的变化呈明显的线性特征。可以判断在这一阶段，板底部混凝土尚未开裂，中性轴穿过截面的几何中心，拉应力由钢筋与混凝土共同承担。

图5 板B1荷载—位移曲线

当加载达到51 kN时，板底部位移开始出现非线性增大的趋势，从裂缝测量结果来看，这时的板底部出现肉眼可观察到的裂缝，宽度很小，只有0.05 mm。裂缝出现后，截面中性轴上移，拉应力仅由钢筋承担，到加载达到61 kN时，位移增长很快，非线性特征已经非常明显。可以判断，加载在51～61 kN之间时，钢筋达到了屈服点。

继续加载到66 kN时，板底位移的增长继续加快，加载到71 kN时，跨中位移超过百分表量程，同时板底裂缝宽度达到7.50 mm，板达到其承载力极限，已经破坏。

根据板B1的荷载—位移关系曲线可以判定，板B1的极限承载力为65 kN，正常使用荷载可以取为53 kN，对应的弯矩为34.78 kN·m。从图6可以看出，板 B2的位移在加载达到51.0 kN时，仍然保持非常明显的线性特征。加载达到63.8 kN时，开始出现板底裂缝，宽度为0.05 mm，位移开始出现加快增长的现象，但在这之后，一直到加载达到91.8 kN，位移的增长又呈线性，从图6上看就是曲线以另一个较大的斜率延伸。加载到98.8 kN后，可听到碳纤维稍许剥离声响，位移曲线的斜率又有增加，最后加载到101.8 kN，又出现少许碳纤维剥离声，板底裂缝达到0.55 mm，停止加载。

根据板B2的荷载—位称变化规律可以判定，正常使用荷载可以取为85 kN。板的极限荷载为98 kN。

图6 板B2荷载—位移曲线

比较板B1和板B2的位移，最大的不同之处在于板B2的位移曲线有两个线性段。第一个线性段与板B1的线性段相同，是从开始到板出现可测量裂缝之前。第二个线性段从板出现可测量裂缝一直到板达到承载力极限前出现碳纤维剥离声响。剥离声出现后，再加载，位移加速增加，直至达到承载力极限。

板B3的位移规律同板B2相同(见图7)，也有两个明显的线性段，不同之处在于板B3的承载力稍低，比板B2低5%，位移和板底裂缝较大，加载达到96.8 kN时，碳纤维剥离声较大，而且连续出现，最后的裂缝宽度达1.50 mm。

图7 板B3荷载—位移曲线

板B3与板B2的碳纤维粘贴方式稍有不同，从承载力提高幅度上看，板B3的提高幅度明显劣于板B2。

根据板B3的荷载—位移变化规律可以判定，正常使用荷载可以取为82 kN。极限荷载为93 kN。板B4的位移规律同板 B3、板 B2相同(见图8)，同样有两个明显的线性段。不同之处在于，板B4的承载力比板B2提高了10.8%，比B3提高了16.5%。同时板底位移、裂缝宽度较板B2、B3也有所减小。

图8 板B4荷载—位移曲线

根据板B4的荷载—位移变化规律可以判定，正常使用荷载可以取为98 kN。板的极限荷载可以取为101 kN。

从加固效果来看，考虑到板B4比板B2、B3多使用5.5%的碳纤维，粘贴方式网格式3仍然明显优于网格式1和网格式2。分析其原因，可能是较均匀的碳纤维分布有利于充分发挥碳纤维的受力性能。

以上试验结果表明:①碳纤维加固可以明显增强钢筋混凝土板的正截面刚度，减小位移量，在本试验研究中，接近极限荷载时，加固板的位移大大小于基准板位移，位移的减小量达50%左右;②碳纤维加固后的钢筋混凝土板，其荷载—位移规律在达到极限荷载前，有明显的两个线性段，两个线性段的斜率不同，第二个线性段斜率明显大于第一个线性段，两个线性段的交点在板出现可测量裂缝时对应的荷载附近;③碳纤维的粘贴方式对板的承载力提高幅度有影响，用较窄的碳纤维布条与用较宽的碳纤维布条相比，在碳纤维总用量相同的情况下，前者更能减小板的位移，对承载力提高更有利。

3.2 板的应变测试结果及分析

板的纵向应变测点共有24个，其中板底面15个测点，布置在碳纤维布表面，板顶面9个测点，布置在混凝土表面。应变与荷载的关系曲线如图9～图16所示。

对于基准板 B1而言，板顶和板底跨中的应变随荷载的变化关系比较简单。板底的跨中应变在溢出前，随荷载的变化呈明显的线性关系。而对于板顶跨中应变，在加载小于34 kN时，呈明显线性关系，在超过34 kN后，则呈非线性关系(见图9和图10)。

加固板B2的荷载—应变关系曲线与基准板明显不同。板底面的测试结果其实是碳纤维的应变，其变化规律与竖向位移的结果非常类似，荷载—应变曲线也有两个线性段。第一个线性段线性程度非常高，而第二个线性段线性程度是近似的。同时，两个线性段的交点也在初始可测量裂缝出现时的荷载附近。板顶面的测试结果是混凝土的应变，其荷载—应变曲线在荷载<51kN时呈很好的线性关系，当荷载超过51 kN且小于98 kN时，曲线也近似呈线性，但是离散性较大(见图11、图12)。

图9 板B1跨中底面荷载—应变关系曲线

图10 板B1跨中顶面荷载—应变关系曲线

图11 板B2跨中底面荷载—应变关系曲线

图12 板B2跨中顶面荷载—应变关系曲线

加固板B3与加固板B2的荷载—应变关系曲线比较接近，跨中底面碳纤维的应变与荷载的关系曲线也有两个线性段。同时，两个线性段的交点也在初始可测量裂缝出现时的荷载附近。板顶面混凝土的荷载—应变关系曲线在荷载<51 kN时呈很好的线性关系，当荷载超过51 kN，但小于93 kN时，曲线近似呈线性，但是离散性较大(见图13、图14)。

图13 板B3跨中底面荷载—应变关系曲线

图14 板B3跨中顶面荷载—应变关系曲线

对于加固板B4，其荷载—应变关系曲线同板B2、B3比较接近。板底跨中碳纤维的荷载—应变曲线也有两个线性段，第二个线性段线性程度是近似的，其斜率较板B2、B3小，而第一个线性段线性程度较高。同时，两个线性段的交点也在初始可测量裂缝出现时的荷载附近。板顶的应变是混凝土应变，当荷载<51 kN时呈明显的线性关系，当荷载超过51 kN但小于101 kN时，曲线呈近似线性关系。不同测点的离散性较小(见图15、图16)。

图15 板B4跨中底面荷载—应变关系曲线

图16 板B4跨中顶面荷载—应变关系曲线

以上试验结果表明:①碳纤维加固后的钢筋混凝土板，其荷载—应变规律同荷载—位移规律非常类似，在达到极限荷载之前，有明显的两个线性段，两个线性段的斜率不同，第二个线性段斜率明显大于第一个线性段，两个线性段的交点在板出现可测量裂缝时对应的荷载附近;②碳纤维的粘贴方式对板的承载力提高有影响，用较窄的碳纤维布条与用较宽的碳纤维布条相比，在碳纤维总用量相同且均匀分布的情况下，前者的提高幅度更大。

3.3 板的裂缝测试结果与分析

混凝土构件的裂缝使用刻度放大镜和塞尺进行测量。在测量裂缝宽度的同时，要记录作用于板的荷载大小。在每块板的加载过程中要完整记录裂缝的发生、发展全过程。图17为各板的裂缝宽度与荷载的关系曲线。

图17 板B1～B4荷载—裂缝宽度曲线

从图17可以看出，碳纤维加固可以明显使得初始裂缝出现的对应荷载增大，而且可以延缓裂缝随荷载的发展。基准板B1出现可测量裂缝的对应荷载为51.0 kN，而加固板 B2和板 B3出现可测量裂缝时的荷载为63.8 kN，板 B4出现可测量裂缝时的荷载为70.8 kN。经碳纤维加固后的板，其初始可测量裂缝出现时对应的荷载增大均在25%以上。

经过碳纤维加固的板，其裂缝随荷载发展的速度较基准板有明显的延缓。当出现初始裂缝后，裂缝宽度随荷载的增长有一个明显的缓慢增长段，直到荷载增加到84.8 kN时，各加固板的裂缝宽度都在0.20 mm以内。当荷载超过84.8 kN时，裂缝宽度增长速度加速，达到极限状态。

以上试验结果表明:①碳纤维加固能够明显增加板的抗裂能力，提高板出现初始裂缝的对应荷载;②经过碳纤维加固后，板的裂缝宽度随荷载的增长较缓慢，有一个明显的缓慢增长段，直到达到极限荷载，裂缝才加速发展。