粘貼加固鋼筋混凝土梁力學性能試驗研究

張 峰

0 引言

由于加固材料的介入,粘貼加固鋼筋混凝土梁的彎曲破壞形態較普通鋼筋混凝土梁的破壞形態復雜的多。其中加固材料對鋼筋混凝土梁的抗拉強度、剛度、應力—應變關系等有重要影響。大量的試驗資料表明,在鋼筋混凝土受彎構件的受拉區粘貼碳纖維、鋼板、玻璃纖維等加固材料,同時保證加固材料與混凝土之間的粘結良好,加固梁的彎曲破壞形態將隨著加固材料用量的增加而相繼出現了類似普通鋼筋混凝土梁的少筋、適筋、超筋破壞形態。因此,在鋼筋混凝土梁的受拉區粘貼加固材料,其本質與在鋼筋混凝土梁設計中增加鋼筋用量的設計原理具有一致性。

1 粘貼加固的基本理論

粘貼加固設計的原理可闡述為:原鋼筋混凝土梁因不滿足使用彎矩而需進行加固處理,在截面大小不改變的情況下,通過在梁的受拉區粘貼加固材料,即以犧牲加固材料的高強性能來達到增大混凝土的受壓區高度,進而提高鋼筋混凝土梁的極限抗彎承載力這一目的;由于受彎構件受壓區的破壞往往是以混凝土壓碎(即極限壓應變達到0.003 3)為破壞的判斷準則,所以在受壓區粘貼加固材料,加固材料的高應變的特性無法充分發揮,同時其高強性能也無法被充分地利用。加之加固材料的價格都比較貴(尤其是碳纖維材料),在實際工程中不可能運用很多,所以粘貼加固材料運用于受壓區,其對受彎構件的正截面承載力的提高效果不很明顯。因此,本文認為粘貼加固,尤其是纖維材料不宜運用于受彎構件的受壓區。

2 鋼筋混凝土試驗梁加固設計和制作

2.1 加固鋼筋混凝土梁的設計方案

根據加固鋼筋混凝土梁正截面極限抗彎承載力的計算公 式[1],并結合工程實際情況和GB 50367-2006混凝土結構加固設計規范,重點從增強鋼筋混凝土梁抗彎抗疲勞性能方面考慮,針對受損試驗梁,重點采用以下加固方法:粘貼碳纖維布加固[2],具體加固方案以及加固試驗的梁截面尺寸、配筋等如圖1,圖2所示。

2.2 粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁

碳纖維布加固試驗采用德國產HAUFLER牌UD-200型碳纖維布,抗拉強度為3 749 MPa,彈性模量為 2.5×105;結構膠采用武漢大筑建筑結構膠,拉伸強度為42.0 MPa。碳纖維膠采用武漢大筑建筑科技有限公司生產的建筑結構膠,具體施工工藝流程如下:1)表面處理:清除粘貼部位混凝土表面浮漿,打磨平整,除去雜質,并用丙酮擦凈,保證表面干燥。2)涂刷底膠:按生產廠提供的工藝規定配制;將配制好的底膠均勻涂在混凝土表面。3)修補找平:按生產廠提供的工藝規定配制修平膠;經上述工序后,混凝土表面若有凹凸,用修補膠涂抹找平。4)粘浸膠配制:按廠家提供的工藝規定配制粘浸膠,調制前對甲、乙兩組分別攪拌,混合后再充分攪拌。5)粘貼碳纖維:按設計要求的尺寸裁剪碳纖維,將配制后的粘浸膠均勻涂抹在粘貼部位的混凝土面上;將裁剪好的碳纖維敷設在涂好的粘浸膠的基層上,并用滾筒沿碳纖維方向多次滾壓,使粘結膠充分浸透在纖維中。6)表面防護:在最后粘貼的一層碳纖維外,再均勻涂抹一道粘浸膠,進行表面防護。

3 加固鋼筋混凝土梁力學性能試驗設計方案

3.1 試驗方案

本設計方案完好加固的試驗梁,部分用于對比試驗[3],具體方案共計4根梁,試驗設計如表1所示。

考慮到鋼筋混凝土梁在混凝土強度以及截面尺寸和跨度不同情況下研究鋼筋混凝土梁在靜載環境下的力學性能指標[4,5],同時研究不同加固方式對試驗梁的力學性能[6]的影響。

靜載試驗在PWS-500型電液伺服動靜萬能試驗機上進行,為了能夠獲得完整的荷載—撓度曲線,采用荷載控制和位移控制兩種方式。在試驗加載前,先進行兩次預加載,荷載控制值10 kN,以提高試驗測試數值的穩定性。

表1 加固構件靜載試驗設計表

3.2 試驗結果

表2列出了不同粘貼加固鋼筋混凝土梁承載力試驗的主要結果。

表2 加固未腐蝕梁承載力試驗結果

不同加固方法處理的鋼筋混凝土梁在荷載作用下受彎承載力未加固的鋼筋混凝土梁相比的結果如圖3,圖4所示。

3.3 試驗結果分析

從表2和圖3,圖4中可以看出,與粘貼了一層碳纖維布的加固梁相比,粘貼了兩層碳纖維布的加固梁其屈服荷載和極限荷載均出現了明顯的增長:粘貼了一層碳纖維布的BG1-1梁和BG1-2梁,它們的極限荷載分別為84 kN和90 kN,與 BK-1梁極限承載力(79 kN)相比,分別提高了6.3%和13.9%;粘貼了兩層碳纖維布的BG2-1梁和BG2-2梁,它們的極限荷載分別為98 kN和91 kN,與BK-1梁極限承載力(79 kN)相比,分別提高了 24.1%和15.2%。這說明相同的加固方法,加固量的不同對加固效果的影響是很明顯的,但對結構承載力的提高是有限的。

4 結語

粘貼加固試驗梁的加固效果隨加固量的增加有明顯提高,但是隨著加固量的增加其結構承載力的提高是有限的。粘貼碳纖維布量與對試驗梁承載力提高幅度不成線性比例關系,并且隨著粘貼量的增加,加固材料(碳纖維布)不能充分發揮出其應有的強度。

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[2]李富江.鋼筋混凝土構件碳纖維材料加固技術[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2007,36(4):92-95.

[3]李 妮.粘鋼加固混凝土梁的靜力試驗研究[D].北京:中國農業大學碩士學位論文,2005.

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[5]楊 玫,王蘇巖.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎剛度計算[J].建筑科學,2005,21(4):56-59.

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