预应力碳纤维布加固效果试验研究

预应力碳纤维布加固效果试验研究

李永东1，2

(1.山西省公路局， 太原030006；2.桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室， 太原030006)

摘要：通过预应力碳纤维布加固试验梁试验，模拟预应力混凝土旧桥加固方法，试验过程采用分级加载方式，对试验梁加固前后各级荷载作用下控制截面的应变、位移和裂缝宽度进行详细加载测试。试验结果表明，预应力碳纤维布加固方法兼具体外预应力和普通碳纤维布两种主、被动加固方法的优点，能够有效降低开裂结构控制截面的应变、挠度和裂缝宽度，提高结构刚度和耐久性，延长桥梁使用寿命。

关键词：预应力碳纤维布；体外预应力；碳纤维布；抗弯刚度

文章编号：1673-1549(2015)04-0062-04

DOI:10.11863/j.suse.2015.04.13

收稿日期:2015-05-24

基金项目:山西省交通厅项目( 2013-1-06)

作者简介:李永东(1968-)，女，山西静乐人，高级工程师，主要从事公路、桥梁设计方面的研究，(E-mail) gljjsc@126．com

中图分类号：TB115

文献标志码：A

引言

预应力碳纤维布是在碳纤维布上预先施加预应力，然后将其用结构胶与主梁下缘受拉区粘贴在一起，这是一种主、被动结合的加固方法，既能够给损伤构件主动施加预应力，改善结构的受力状态和病害程度，同时还具有被动加固中粘贴片材与主梁紧密粘贴、实现变形协调、抑制裂缝开展的优点，是最近几年才开始应用的一种新的加固方法。为了深入研究预应力碳纤维布材料的加固效果，本次试验制作多片无粘结预应力混凝土试验梁，试验梁长、宽、高分别为8000 mm、300 mm、500 mm，采用C50混凝土浇筑，预应力钢绞线采用￠j15.24高强度低松弛钢绞线；预应力碳纤维布共为8层，每层规格为：长×宽×厚为7000 mm×200 mm×1.4 mm，粘贴位置沿梁底轴线对称布置(图1)。试验梁主要测试预应力碳纤维布加固前后试验梁控制截面应变、位移和裂缝宽度变化规律[1-3]。

图1　试验梁制作

1试验方案及测点布置

1.1　试验方案

1.2　测点布置

跨中截面上下缘埋置钢弦式应变计；并在L/4、L/2、3L/4等位置处安装位移计，其中预埋钢筋应力测试仪通过长沙金码记忆温度型钢筋应变计采集，位移通过TDS530数据采集仪自动记录。加载方式：试验过程中通过千斤顶逐级加载，千斤顶与反力架之间放置测力环控制试验弯矩大小及加载级数。

2预应力碳纤维布加固前后主梁应变静载试验结果

由预应力碳纤维布加固前后各级试验荷载作用下跨中截面的应力测试结果(表1、图2)可知：

表1　预应力碳纤维布加固前后2 #梁跨中截面应变测试结果

备注：1.2#梁加固前钢绞线张拉控制应力等级为0.55fyk，消压弯矩为140.7 kN·m。
2.“+”表示拉应力(变)，“-”表示压应力(变)。
3.限于篇幅，本表对与试验规律关系不大的数据进行删节。

图2　预应力碳布加固前后弯矩L/2上、下缘钢筋应力(变)增量曲线

(1)预应力碳纤维布加固后跨中截面上缘混凝土应变比加固前平均降低约8.5%，下缘钢筋应力比加固前平均降低约32.3%，下缘钢筋应力降低幅度比上缘混凝土更为明显。

(2)从各测点加固前后应变(应力)降低幅度变化规律知，除部分测点外，上缘混凝土应力降低幅度在截面消压前变化不大，在截面消压后开始逐渐变小；下缘钢筋应力降低幅度在截面消压前总体上呈略微下降趋势，在截面达到消压状态以后，下缘受拉区钢筋应力降低幅度开始逐渐明显增大。表明采用在受拉区粘贴预应力碳纤维布加固方法，当截面消压后，被动粘贴碳纤维布的约束作用对改善受拉区钢筋应力状态的效果明显高于受压区混凝土。

3预应力碳纤维布加固前后主梁挠度静载试验结果

由预应力碳纤维布加固前后各级试验荷载作用下试验梁位移测试结果(表2、图3)可知：预应力碳纤维布加固后各测点位移比加固前有明显降低，控制截面挠度比加固前平均降低16.6%～31.9%，表明采用该方法加固后结构的整体刚度有明显提高。

4 预应力碳纤维布加固前后主梁裂缝宽度试验结果

由预应力碳纤维布加固前后试验梁跨中截面下缘裂缝宽度测试结果(表3、图4)可知：预应力碳纤维布加固后跨中截面下缘裂缝宽度比加固前降低约28.2%，表明主、被动兼顾的预应力碳纤维布加固方法在约束开裂截面裂缝开展方面效果较为明显。

备注：1.2#梁加固前钢绞线张拉控制应力等级为0.55fyk，消压弯矩为140.7 kN·m。
2.“-”表示下挠，“+”表示上挠。
3.限于篇幅，本表对与试验规律关系不大的数据进行删节。

图3　预应力碳布加固前后弯矩与主梁断面挠度增量曲线

图4　预应力碳布加固前后弯矩与主梁跨中度截面裂缝宽降低幅度曲线

5结束语

预应力碳纤维布加固法是一种主、被动结合的加固方法，既能够给损伤构件主动施加预应力，改善结构的受力状态和病害程度，同时还具有被动加固中粘贴片材与主梁紧密粘贴、实现变形协调、抑制裂缝开展的优点，能够显著提高主梁刚度，降低主梁控制截面应力、挠度和裂缝宽度，而且被动粘贴碳纤维布的约束作用对改善受拉区钢筋应力状态的效果明显高于受压区混凝土。

表3　预应力碳纤维布加固前后主梁L/2下缘裂缝宽度测试结果

备注：1.2#梁加固前钢绞线张拉控制应力等级为0.55fyk，消压弯矩为140.7 kN·m。
2.“-”表示裂缝宽度变大值，“+”表示裂缝宽度变小值。
3.限于篇幅，本表对与试验规律关系不大的数据进行删节。

参 考 文 献：

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The Experimental Study of Prestressed Carbon Fiber Cloth Strengthening Effect

LIYongdong1，2

(1.Shanxi Provincial Highway Bureau, Taiyuan 030006, China; 2.Key Laboratory of

Bridge Engineering Disaster Prevention and Mitigation in Shanxi, Taiyuan 030006, China)

Abstract:Through the prestressed carbon fiber cloth strengthening test beam experiment, the strengthening methods of prestressed concrete old bridge are simulated. During the experiment, the hierarchical loading method is used, which carried out a detailed load test of strain, displacement and crack width of the control section under various loads before and after the test beam reinforcement. The test results show that the prestressed carbon fiber cloth strengthening methods have both the advantages of active and passive reinforcement methods of external prestressed and common carbon fiber cloth. The method can effectively reduce the strain, deflection and crack width of the cracking structure control section, and improve the structural rigidity and durability, prolong the service life of the bridge.

Key words: prestressed carbon fiber cloth; external prestressed; flexural rigidity