CFRP板单向加固RC双向板试验方案探析

江 雪， 李 浩， 王 蕾

(桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

基于碳纤维板的高强、刚度大、弹性模量高、延性好等特点，对碳纤维板施加预拉应力单向加固混凝土双向板与非预应力碳纤维板单向加固混凝土双向板、普通未加固板在使用荷载情况下的受力特点进行分析，探讨粘贴预应力碳纤维板加固双向板在使用荷载下的受弯性能，归纳预应力碳纤维板单向加固双向板的受力特性和破坏机理。但目前国内外对预应力碳纤维板加固的研究仍主要集中在梁、柱及单向板等构件上，其计算理论、施工技术比较成熟［1，2］，而用于加固混凝土双向板的研究所见文献很少，这在相当程度上局限了预应力碳纤维的应用发展。本试验在总结国内外关于预应力碳纤维板加固梁、单向板的理论基础之后，提出了方案一、方案二两套新的双向板试验加固方案。

1 试验设计

1.1 试件尺寸及配筋

本试验共制作了6块钢筋混凝土双向板，两套方案的试件相同，设计板截面尺寸均为1800 mm×1500 mm×60 mm，设计采用的混凝土强度等级为C25，双向对称配置φ8@200的受力钢筋，如图1所示。

1.2 试件特性

图1 试验尺寸及配筋

根据试验要求，共制作了6块双向板。根据用途，各试件的编号及其相关的参数如表1所示:

表1 试件参数设计表

1.3 试验装置及加载方案

为了模拟实际使用荷载情况下双向板的受力性能，方案一加载采取板面中心区域均布加载的方法，方案二采用板面中心集中加载法。两方案中的混凝土双向板都简支于四边砖墙支墩上，四边简支双向板尺寸为1800 mm×1500 mm×40 mm，不同之处在于方案一是在板面中心的荷载千斤顶下布置一块500 m×400 mm×30 mm厚的钢板以模拟面积为300 mm×200 mm的局部均匀荷载，而方案二是由千斤顶直接将荷载传递到板面中心。加载采用最大压力为320 kN的机械式千斤顶，压力测量采用量程为200 kN的弦振式压力传感器及相应的数据采集系统。本试验采用正向加载。

1.3.1 加载方案概述

试验加载过程分为预加载和正式加载两部分，而正式加载部分又分开裂荷载、屈服荷载、极限荷载三部分。混凝土双向板各试验板在加载整个过程中结构从稳定到失稳破坏过程对应的三个阶段的荷载情况见表2。

表2 各试验板特征荷载理论计算值 kN

1.3.2 破坏时的板底裂缝形态分析

由文献［3］和［4］的理论分析知板底裂缝形态大致如图2所示，各板随着荷载的增加，在板底长跨方向首先出现一条正弯曲的裂缝，粘贴上碳纤维板后，各板的裂缝开展缓慢，随着荷载继续增加，板底裂缝条数和裂缝宽度相应增加，达到一定荷载时裂缝条数趋于稳定。由文献［3］的结论知，方案一中原型板PB和各加固板的破坏形态大体相似，板底在矩形局部加载区域面下形成较宽的矩形裂缝，矩形的形状大致与加载面重合。方案二中板底跨中的裂缝数量和宽度较方案一少一些。

图2 板底裂缝

图3 碳纤维板粘贴方式和应变片布置

2 应变片的布置与粘贴

为了准确测定能施加到试验板上的有效预应力、碳纤维强度的利用程度以及纤维板与混凝土之间的粘结是否可靠。方案一、二中应变片的布置均分为板内钢筋上的应变片和碳纤维板上的应变片。板内钢筋应变，由浇筑混凝土试件时事先在钢筋表面上粘贴保护的钢筋应变片测取;碳纤维板应变，由在碳纤维板表面上粘贴的应变片测取。

3 试件张拉施工工艺、张拉制度以及端部锚固措施

根据试验目的，为了尽量减少预应力与混凝土的损失、避免碳纤维板与混凝土的粘结滑移以及在加载过程中锚固区域发生的应力集中破坏(剥离破坏)，采用合适的施加预应力装置和端部锚固措施对试验的成功尤为关键。在总结目前的预应力碳纤维板的施工工艺基础上，方案一拟采取的是柳州欧维姆有限责任公司施加预应力的装置及端部锚固方案，即先拉后贴。方案二利用“反拱预应力技术”将碳纤维板粘贴在双向板上(具体的施工工艺过程见文献［5］和［6］)。通过对比分析发现，由于粘贴过程中的预应力损失以及粘结滑移等不利因素造成方案一中端部锚固区域的剪切应力较方案二小，锚固区域不会发生应力集中破坏，而方案二中由于板的截面较梁大很多，实际的施工工艺很难做到利用”预应力反拱技术“将碳纤维板贴到板上，即使做到，板底相向的剪力可能会使锚固端发生应力集中破坏，不易操作。

4 量测方法

4.1 应变片设置

应变片分别设置在非预应力碳纤维板、预应力碳纤维板、板内受拉钢筋处。其中预应力上的应变片设置依据张拉力的不同也有所不同，根据不同加固方式的受力特点，预应力纤维板试验板、非预应力纤维板试验板、未加固板上的应变片依次减少。

4.2 挠度测量

挠度测量采用百分表，共五个测点，分别对称分布在四个砖墙支座中心点处、板中心加载点对应的板底位置。

4.3 裂缝观测

裂缝观测采用读数显微镜。本次试验确定的达到极限条件为按照《混凝土设计规范》中规定的正常使用极限和承载力极限状态下的相关要求。

5 PB板、非预应力板、预应力试验板的开裂、屈服、极限荷载计算

5.1 PB板的开裂荷载

由力的平衡和力矩平衡条件得出:单筋矩形截面的最大受弯承载力为:Mu，max=(1-0.5εb)，as，max=(1-0.5εb)，查表知:a1=1.0，as，max=0.426，x、y 向对应长、短跨方向。在短跨y 方向:Mu，max=，计算得出qy=40.872 kN/m，由 qx/qy=(ly/lx)4=0.4256，qx=17.395 kN/m，由此得出加载点施加的力P=25.046 kN。由普通RC构件的开裂弯矩的计算公式:Mcr=γxftkw0计算知，加载点施加的力P=13.355 kN，两种情况下推出方案一、方案二的开裂荷载取值分别为 19.2 kN，29.57 kN 。

5.2 PB板的展服荷载

由于理论上没有成熟的模型，在加载过程中只有分析千斤顶表盘读数和压力传感器以及钢筋应变片上的数据才能推导出。参照文献［3］和［7］的数据推导出两种方案下屈服荷载分别为P=29.48 kN，44.94 kN。

5.3 PB板的板限荷载

由图3应变片的布置图和碳纤维板的加固方式，由于碳纤维的延性很差，先假定在均布加载区域不发生碳纤维脆性破坏，在板的对角线方向先出现塑性铰，进而参照文献［8］用塑性分析法中的线性绞线屈服模式中的结论，Pu=2(WiA+WiB)计算出Pu分别为35.96 kN和53.93 kN。

非预应力板的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的计算参照文献［4］;预应力板的开裂、屈服、极限荷载参照文献［7］。

6 结语

从表2试验板荷载理论计算值可知，与原型对比板相比，各加固板的开裂荷载、屈服荷载以及破坏极限荷载都有了显著的提高，其中预应力加固板相应的荷载提高程度最大。通过方案的比较分析得出，方案一虽然承载力提高程度较小，但采取先拉后贴方式可以保证端部锚固区域不发生剥离破坏，实际施工也容易操作。方案二采取的集中加载方式承载力提高的程度效果明显，但是预应力的张拉方式在实际操作中不易控制。试验主要是从预应力碳纤维板加固试验板进行展开，从粘贴量、间距、以及施加的预应力这三个变量出发，着重研究加固板的破坏机理、破坏形态、力学性能变化、碳纤维的利用强度等特征，为预应力碳纤维板加固双向板在工程中的应用提供理论依据。

［1］沈蒲生，梁兴文.混凝土结构设计(第二版)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］梅 力，张俊平.预应力碳纤维板加固混凝土梁的粘结锚固性能试验研究［J］.工业建筑，2006，36(4):15-18.

［3］金勇俊.预应力碳纤维板加固混凝土受弯构件的试验研究［D］.长沙:湖南大学，2007.

［4］曹双寅，李延和，胡 成，等.钢筋混凝土双向板单向加固技术的试验研究［D］.上海:中国科学院上海冶金研究所，2000.

［5］赵启林，王景全，金广谦，等.碳纤维加固的“反拱预应力技术”及其提高钢结构承载能力的分析［J］.钢结构，2002，3(17):51-54.

［6］高强碳纤维板预应力加固体系OVMCFP.50-1.2型文稿［Z］.柳州欧维姆机械股份有限公司内部资料.

［7］徐福泉，李东彬，赵基达，等.预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁的试验研究［J］.建筑结构，2010，40(S2):372-375.

［8］王 勇.用全塑性分析法求双向板的极限荷载［J］.石油大学学报(自然科学版)，1992，16(6):131-133.