CFRP 和混凝土疊合層加固預(yù)應(yīng)力空心樓板的參數(shù)分析研究*

胡克旭 方李靖 劉宜良

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

1 引言

從20世紀(jì)60年代開始，我國建筑行業(yè)廣泛使用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板(簡稱預(yù)應(yīng)力混凝土空心板)作為建筑樓板。迄今為止，大量使用中的預(yù)制混凝土空心板由于老化損傷導(dǎo)致的承載力下降或因樓面使用荷載增加而有待提高承載力，這些都需要對其進(jìn)行加固處理。為研究預(yù)制混凝土空心板的加固方法及針對不同方法的加固效果評價(jià)，本文在課題組前期進(jìn)行的CFRP與混凝土疊合層加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的受力性能試驗(yàn)研究和計(jì)算方法研究［1－3］的基礎(chǔ)上，針對影響預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固性能的幾個(gè)主要因素，如疊合層厚度、原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度、疊合層混凝土強(qiáng)度、CFRP加固量和覆蓋率等，進(jìn)行了一系列分析研究，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際加固工程。

2 加固預(yù)制空心板極限承載力的計(jì)算方法

本課題組前期已經(jīng)進(jìn)行了CFRP與混凝土疊合層加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板的受力性能試驗(yàn)研究［2］，采用從某舊建筑中拆下的樓板共5塊，長3 900 mm，寬500 mm，厚120 mm，板內(nèi)配11根直徑為4 mm的冷拔鋼絲。進(jìn)行加固試驗(yàn)時(shí)，B0作為對比試件不進(jìn)行加固;BD1采用疊合法加固，即在板頂澆筑40 mm的C40混凝土疊合層;BT1與BT2采用CFRP加固，均在板底粘貼兩條幅寬為100 mm的CFRP，其中BT1粘貼一層，BT2粘貼兩層;BTD采用混合法加固，即同時(shí)在板頂澆筑40 mm的C40混凝土疊合層和板底粘貼兩層兩條幅寬為100 mm的CFRP。粘貼了CFRP的三塊板均在CFRP兩端頭設(shè)置一層橫向壓條。

根據(jù)文獻(xiàn)［4－6］以及國內(nèi)外已有的 CFRP和疊合層加固混凝土構(gòu)件的研究成果［7－10］，文獻(xiàn)［3］針對上述試驗(yàn)中采用的三種加固方法，依據(jù)平截面假定、不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度等基本假定，通過等效工字形截面的換算，提出了加固后的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板承載力計(jì)算方法(限于篇幅，在此不詳細(xì)介紹)。針對上述試驗(yàn)的5塊板計(jì)算結(jié)果見表1。由此可見，文獻(xiàn)［3］提出的理論計(jì)算方法基本可以滿足實(shí)際加固工程的精度要求。本文正是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固效果的參數(shù)化分析的。

表1 構(gòu)件開裂荷載、極限荷載的試驗(yàn)值與計(jì)算值對比Table 1 Contrast of measured values and calculations about members'cracking load and ultimate load

3 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板加固效果的參數(shù)分析

3．1 疊合層厚度對加固效果的影響

結(jié)合試件BD1和BTD研究疊合層厚度對試件加固效果的影響，將疊合層厚度進(jìn)行變化，其余參數(shù)如混凝土強(qiáng)度取試驗(yàn)數(shù)值C40、試件底部粘貼2幅100 mm寬CFRP布2層，計(jì)算結(jié)果見表2及圖1、圖 2，其中，Pcr為開裂荷載，Pu為極限荷載。

表2 疊合層厚度對試件承載能力的影響Table 2 Impact of layer thickness on members'bearing capacity

圖1 疊合層厚度對疊合法加固試件承載能力的影響Fig．1 Impact of layer thickness on members’capacity strengthened with laminate layer

圖2 疊合層厚度對混合法加固試件承載能力的影響Fig．2 Impact of layer thickness on members’capacity strengthened with laminate layer and CFPR

兩種方法加固的試件中，疊合層厚度的增加都會增大試件的開裂荷載和極限荷載，且兩者的增加隨疊合層厚度的增加大致呈線性關(guān)系。從圖1可以看出，未進(jìn)行底部粘貼CFRP的試件，其開裂荷載與極限承載力較為接近，試件基本呈現(xiàn)開裂后很快就破壞的情況;而圖2說明，底部粘貼CFRP的試件，開裂荷載與極限荷載相差較遠(yuǎn)。從提高構(gòu)件延性，增加安全余量的角度來說，同時(shí)粘貼CFRP和澆筑疊合層的混合法加固的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板有更好的受力性能。

3．2 混凝土強(qiáng)度對加固效果的影響

3．2．1 原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度對CFRP加固效果的影響

結(jié)合CFRP加固的試件BT2，其余參數(shù)取試驗(yàn)時(shí)底部粘貼2幅100 mm寬CFRP布2層，將混凝土強(qiáng)度等級設(shè)置為C30、C40、C50、C60共四種，獲得試件的開裂荷載與極限荷載見表3及圖3。

表3 原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度對CFRP加固試件承載能力的影響Table 3 Impact of original concrete strength on members’capacity strengthened with CFRP

圖3 原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度對CFRP加固試件承載能力的影響Fig．3 Impact of original concrete strength on members strengthened with CFRP

隨著原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級的提高，極限荷載與開裂荷載均有一定幅度的提高。這一結(jié)果與未加固的空心板試件在不同混凝土強(qiáng)度下極限承載力增長較小有所不同。這主要是因?yàn)椋l(fā)生剝離破壞的CFRP加固試件的承載力，取決于CFRP與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，而這與混凝土的強(qiáng)度密切相關(guān)。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，兩者之間的粘結(jié)力也得到提高。而當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，破壞形式由CFRP的剝離破壞轉(zhuǎn)為CFRP拉斷破壞，如表3中C60的工況。

3．2．2 疊合層混凝土強(qiáng)度對疊合法加固效果的影響

結(jié)合疊合法加固的試件BD1，原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度取實(shí)際強(qiáng)度等級C40，將加固用的疊合層混凝土強(qiáng)度等級設(shè)置為C30、C40、C50、C60共四種，獲得試件的開裂荷載與極限荷載見表4與圖4。

表4 疊合層混凝土強(qiáng)度對疊合法加固試件承載能力的影響Table 4 Impact of concrete layer strength onmembers’capacity strengthened with laminate layer

圖4 疊合層混凝土強(qiáng)度對疊合法加固試件承載能力的影響Fig．4 Impact of concrete layer strength on members’capacity strengthened with laminate layer

由表4和圖4可見，混凝土疊合層加固的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，其極限荷載隨著疊合層混凝土強(qiáng)度等級的提高略有提高，提升的幅度很小，而開裂荷載基本保持不變。主要原因在于，在本文設(shè)計(jì)的工況下，疊合層加固板的承載能力均由鋼筋的拉斷來控制，而疊合層混凝土未能完全發(fā)揮作用。實(shí)際上，普通未加固的空心板基本都是鋼筋的拉斷破壞，混凝土疊合層進(jìn)行加固后，鋼筋的配筋率相對減少，比未加固板更容易發(fā)生類似的鋼筋拉斷破壞。

3．2．3 混凝土強(qiáng)度對CFRP和疊合層混合加固效果的影響

在混合法加固的試件BTD中，仍保持底部粘貼2幅100 mm寬CFRP布2層，進(jìn)行如下參數(shù)調(diào)整:①疊合層混凝土強(qiáng)度取C40，而原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度取C30－C60，結(jié)果見表5及圖5;②原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度取C40，而疊合層混凝土強(qiáng)度取C30－C60，結(jié)果見表6及圖6。

表5 原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度對混合法加固試件承載能力的影響Table 5 Impact of original concrete strength on members strengthened with laminate layer and CFRP

圖5 原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度對混合法加固試件承載能力的影響Fig．5 Impact of original concrete strength on members’capacity strengthened with laminate layer and CFRP

表6 疊合層混凝土強(qiáng)度對混合法加固試件承載能力的影響Table 6 Impact of layer concrete strength on members strengthened with laminate layer and CFRP

與上述 3．2．1 節(jié)和 3．2．2 節(jié)的情況相似，采用混合法加固的構(gòu)件，在相同的原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度條件下，試件承載力基本不隨疊合層混凝土強(qiáng)度等級的提高而明顯提高;而在相同疊合層混凝土強(qiáng)度條件下，隨著原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級的提高，加固后的承載力呈現(xiàn)一定程度的提高。

圖6 疊合層混凝土強(qiáng)度對混合法加固試件承載能力的影響Fig．6 Impact of concrete layer strength on members’capacity strengthened with laminate layer and CFRP

3．3 CFRP粘貼參數(shù)對加固效果的影響

根據(jù)前期研究給出的計(jì)算方法［2］，當(dāng)加固構(gòu)件達(dá)到抗彎承載力極限狀態(tài)時(shí)，CFRP片材的拉應(yīng)力可以按照如下公式進(jìn)行計(jì)算取值σf，md=min{ffd，Efεfe，m1，Efεfe，m2}，即拉應(yīng)力值取 CFRP 片材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffd、受壓邊緣混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)纖維片材的有效拉應(yīng)變εfe，m1與彈性模量乘積、纖維剝離時(shí)的有效拉應(yīng)變εfe，m2與彈性模量的乘積三者中的最小值。受壓邊緣混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)片材有效拉應(yīng)變εfe，m1的影響因素主要為加固量(CFRP面積/鋼筋面積)，截面幾何形狀、混凝土抗壓強(qiáng)度等;纖維剝離時(shí)的有效拉應(yīng)變εfe，m2影響因素主要有覆蓋率(板底粘貼CFRP面積/板底面積)、CFRP片材厚度、混凝土抗拉強(qiáng)度、錨固延伸長度等。

本文選擇了兩個(gè)主要影響因素即CFRP的覆蓋率和加固量，結(jié)合 CFRP加固試件 BT2，對CFRP的加固效果進(jìn)行參數(shù)分析。

取試驗(yàn)時(shí)原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級C40，在加固量為定值的前提下，變化CFRP覆蓋率，計(jì)算結(jié)果見表7及圖7;在覆蓋率為定值的前提下，變化CFRP加固量，計(jì)算結(jié)果見表8及圖8。

由表7及圖7可以看出，在加固量一定的前提下，隨著覆蓋率的提高，試件的極限荷載有較大幅度的提高，且CFRP的破壞模式從纖維的剝離逐漸趨向纖維的拉斷;表8及圖8表明，在覆蓋率一定的條件下，隨著加固量的提高，極限荷載也呈現(xiàn)提高的趨勢，CFRP的破壞從拉斷向剝離過渡，最終由于加固量過大，試件因抗彎承載力大于抗剪承載力而出現(xiàn)了剪切破壞。

表7 覆蓋率對CFRP加固試件承載能力的影響Table 7 Impact of coverage ratio on members’capacity strengthened with CFRP

表8 加固量對CFRP加固試件承載能力的影響Table 8 Impact of amount ratio on members’capacity strengthened with CFRP

圖7 覆蓋率對CFRP加固試件承載能力的影響Fig．7 Impact of coverage ratio on members’capacity strengthened with CFRP

圖8 加固量對CFRP加固試件承載能力的影響Fig．8 Impact of amount ratio on members’capacity strengthened with CFRP

4 結(jié)論

本文在課題組前期試驗(yàn)研究和計(jì)算方法研究的基礎(chǔ)上，對加固后的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板受力性能進(jìn)行了一系列參數(shù)分析，得到如下一些結(jié)論:

(1)混凝土疊合層厚度、混凝土強(qiáng)度、CFRP的加固量及覆蓋率對加固構(gòu)件的受力性能均有不同程度的影響;

(2)疊合層加固板的極限承載力基本隨疊合層厚度的增大而線性增大，故可通過增大疊合層厚度的方法達(dá)到較好的加固效果;

(3)CFRP與疊合層的混合法加固預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，可以同時(shí)提高開裂荷載和極限荷載，而且構(gòu)件的延性更好，具有更好的受力性能;

(4)疊合層混凝土強(qiáng)度對加固板的極限承載力影響較小，故通過提高疊合層混凝土強(qiáng)度的方法進(jìn)行加固，其效果并不理想;

(5)原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度越大，加固板的極限承載力也越大;

(6)在相同加固量的條件下，CFRP覆蓋率增大，加固板的極限承載力也增大;

(7)粘貼CFRP加固的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，CFRP加固量和覆蓋率的不同，會引起加固板破壞形態(tài)的改變，在工程中應(yīng)予以重視，這方面還有待進(jìn)一步研究。

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