（農(nóng)業(yè)工程專業(yè)論文）碳纖維布加固鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的研究.pdf

摘要 鋼筋混凝土橋梁在使用過(guò)程中由于自然環(huán)境、使用功能改變、損傷累積等因素的影響，將直 接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料劣化及承載潛力下降。同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，大量的鋼筋混凝土橋梁將步入老 化期，這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大的影響。面對(duì)日益艱巨的公路鋼筋 混凝土危舊橋梁改造任務(wù)，急需找到一種快速、有效、可靠的加固維修方法。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)新型、筒捷、快速的混凝士結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，深受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的重視 并已得到了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。本文結(jié)合山東省交通廳科研項(xiàng)目碳纖維復(fù)合材料( c f r p ) 在橋梁加固中的應(yīng)用研究，對(duì)粘貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)用于公路橋梁加固領(lǐng)域的關(guān)鍵 技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，主要的研究?jī)?nèi)容包括：模擬實(shí)際橋梁的損傷狀態(tài)，系統(tǒng)研究了鋼筋混凝 土梁的抗彎加固、抗剪加固受力性能，在此基礎(chǔ)上提出了碳纖維布加固梁受彎承載力、受剪承載 力計(jì)算公式的建議。經(jīng)與試驗(yàn)值對(duì)比，所建議公式具有較高的可靠性，可用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗彎加 固設(shè)計(jì)。同時(shí)，為研究粘貼碳纖維布對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的加固效果，選取具有代表性且受力明確的公路 鋼筋混凝土橋粱( 簡(jiǎn)支粱橋與整體現(xiàn)澆板橋) ，分別進(jìn)行了加固前后的對(duì)比性荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié) 果表明粘貼碳纖維布可有效減小裂縫寬度、降低混凝土應(yīng)變水平、提高上部結(jié)構(gòu)整體受力的能力。 關(guān)鍵詞：碳纖維布；加固；鋼筋混凝土；橋梁 i i a b s t r a c t r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sb e c o m es t r u c t u r a l l yd e f i c i e n tf o rs e v e r a lr e a s o n s ，i n c l u d i n gc o r r o s i o n o f s t e e l ，i n c r e a s e si na l l o w a b l et r u c kw e i g h t s ，d e t e r i o r a t i o nd u et oa g ea n de x p o s u r et od e i c i n gs a l t s a l l t h e s er e s u l ti na l lu r g e n tn e e dt os t r e n g t h e nm a n yo f t h e s eb r i d g e sw i t i lm e f f e c t i v ea n dr e l i a b l em e t h o d f o rn u m e r o u sd e t e r i o r a t e d ，u n d e r r a t e d ，a n do v e r l o a d e da g i n gb r i d g a si no u rc o u n t r y , e x t e r n a l l yb o n d e d c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) s h e e ti sa l le f f i c i e n tt e c h n i q u et or e t r o f i to rs t r e n g t h e ne x i s t i n g b r i d g e sd u et ot h e i rh i g ht e n s i l es t r e n g t h ，l i g h tw e i g h t ，r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n ，h i g hd u r a b i l i t y , a n de a s e o fi n s t a l l a t i o n c o m b i n i n gw i t i lt h er e s e a r c hp r o g r a m a p p l i c a t i o no fc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) f o rs t r e n g t h e n i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s o fs h a n g d o n gp r o v i n c e ，t h ek e yt e c h n i q u e so f a p p l i c a t i o no fc f r pc o m p o s i t et os t r e n g t h e nr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sa r es t u d i e d n em a j o r c o n t e n t sa r em a i n l ys u m m a r i z e d f o l l o w ：a ne x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e do nt h e p e r f o r m a n c eo fr e i n f o r c e d c o n c r e f t eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r ea n di ns h e a r t h ev a r i a b l e s i n v e s t i g a t e di nt h i sp r o g r a mi n c l u d ep r e - c r a c k i n gl o a d ，i n s t a l l a t i o nl o a dl e v e la n dt e n s i o nr e i n f o r c e m e n t r a t i o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t h e n i n gp r e - c r a c k e db e a mw i t hc f r pc a nn o to n l y e n h a n c ei t ss 廿f h l a s s b u ta l s od e c r e a s ec r a c kw i d t ho nt h es u r f a c eo fb e r i l l sa n dr e d u c et e n s i l es t r a i no f s t e e l d e s i g na l g o r i t h m si ns p e c i f i c a t i o n sf o rh i g h w a yb r i d g e sa n dc u l v e r t s ( j 1 0 2 1 _ 8 5 ) f o r m a ta s w e l la sc o d ef o rd e s i g no f c o n c r e t es t r u c t u r e s ( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 )f o r m a ta r ep r o p o s e dt op r e d i c tt h e c a p a c i t yo fa v a i l 曲l eb e a m ss t r e n g t h e n e di nf l e x u r ea n di ns h e a rw i t hc f p p r e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dd e s i g na p p r o a c hi sc o n s e r v a t i v ea n da c c e p t a b l e f r ps y s t e m sh a v ea l r e a d yu s e dt o s t r e n g t h e nc o n c r e t eb r i d g e s ，a n dt h e r ei sa nu r g e n tn e e df o ri n f o r m a t i o nr e l a t i n gt ot h eb e h a v i o ra n d p e r f o r m a n c eo f t h e s es y s t e m sw h e nt h e ya r ea p p l i e dt or cb r i d g e s l o a dt e s t sw e r ec o n d u c t e d b e f o r e a n d a f t e r n s t a l l a t i o no ft h e1 a m i n a t es y s t e m t h em a i no b j e c t i v e sw e r et oe v a l u a t e t h r o u g ht h e b e f o r e a n d a f t e r i n s t a l l a t i o nl o a dt e s t i n g ，e f f e c t i v e n e s so f t h es t r e n g t h e n i n gs y s t e ma n di n v e s t i g a t ei t s e f f e c to ns t r u c t u r a lb e h a v i o rt e s t sr e s u l t si n d i c a t et h a ts t r e n g t h e n i n gr ci n t e g r a lb r i d g e sa n d s i m p l y - s u p p o r t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e sw i t he x t e r n a l l yb o n d e dc f r pr e i n f o r c e m e n tc a l ln o to n l y r e d u c et h ew i d t ho fc r a c k sa n ds t r a i n si nc o n c r e t e ，b u ta l s oi m p r o v et h et r a n s v e r s el o a dd i s t r i b u t i o ni n s u p e r s t r u c t u r e k e yw o r d s ：c f r ps h e e t s ；s t r e n g t h e n e d ；r e i n f o r c e dc o n c r e t e ；b r i d g e s i i l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū) 而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示了謝意。 研究生簽名 時(shí)間：哆舌年多月，尹日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù) 制手段保存、匯編學(xué)位論文。同意中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、 傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議) 研究生簽名： 導(dǎo)師簽名： 撕 訓(xùn)譏嗡 j 、 時(shí)間 糾年；月，夕曰 時(shí)間； 咖年3 月f 7 日 土雷鑾鏨鑾堂巫圭謄垡鯊鑾薹= 耋：i 直 第一章引言 1 1 研究背景 橋梁是公路的主要組成部分，維護(hù)橋梁的使用狀態(tài)是確保公路暢通、行車(chē)安全的關(guān)鍵。隨著 科技的進(jìn)步，社會(huì)工業(yè)化水平不斷提高，車(chē)輛載重、車(chē)輛速度、車(chē)輛流量都較以前發(fā)生了很大的 變化，人們對(duì)公路的服務(wù)水平也提出了較高的要求，從而增加了公路管理部門(mén)的工作難度。然而， 由于受到車(chē)輛以及各種環(huán)境因素的作用和影響，公路橋梁在使用期內(nèi)將產(chǎn)生一系列病害，如混凝 土材料的劣化、鋼筋銹蝕等病害，同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，大量的公路混凝土橋梁將步入老化期， 這些因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性及耐久性產(chǎn)生了較大的影響，不同程度地造成橋梁承載 潛力降低，甚至危及橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。這一矛盾在世界各國(guó)的公路橋梁上普遍存在，如美國(guó)有5 0 的公路橋梁是1 9 4 0 年以前修建的，截至2 0 0 0 年8 月，全國(guó)共有橋梁5 8 7 7 5 5 座，其中1 6 7 9 9 3 存在不同程度的結(jié)構(gòu)性缺陷( 如承載潛力不足、使用功能喪失等) 1 “。在我國(guó)，國(guó)內(nèi)各省市均面 臨著艱巨的危舊橋梁改造任務(wù)，特別是修建丁- 5 0 、6 0 甚至7 0 年代的鋼筋混凝土橋梁，經(jīng)過(guò)3 0 - - 5 0 年的運(yùn)營(yíng)，由于混凝土老化及重車(chē)等因素的作用，破損較為嚴(yán)重，全國(guó)大中橋荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽 一1 0 級(jí)以下的約占8 6 ，有1 1 7 延米”1 。截至2 0 0 2 年，j “東省的干線公路網(wǎng)上仍有2 0 8 0 座荷 載標(biāo)準(zhǔn)低丁汽一l o 級(jí)的低等級(jí)公路舊橋，占到了該省公路橋梁總數(shù)的2 0 “。到2 0 0 0 年底，江 西省橋梁總數(shù)合計(jì)達(dá)8 5 2 2 座，其中危橋3 6 7 座，近4 0 分布于國(guó)道、省道等干線公路上”1 。山 東省在役橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)狀況同樣不容樂(lè)觀。在上述公路舊橋中，多數(shù)是按照早期的設(shè)計(jì) 規(guī)范( 如7 0 年代以前主要仿照前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)圖) 設(shè)計(jì)施工的，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很低，一般的設(shè)計(jì)荷載為 汽車(chē)一1 3 級(jí)，驗(yàn)算荷載為拖車(chē)- - 6 0 ，甚至更低。這一類(lèi)舊橋數(shù)量較大，己遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)在常見(jiàn) 交通荷載的需要，必需采取一定的措施予以維修加固。特別是近年來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)發(fā)生了數(shù)起公路橋 梁因耐久性不足或設(shè)計(jì)施工缺陷等因素導(dǎo)致橋梁承載能力喪失的垮塌事故，對(duì)人民群眾的生命安 全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，引起了國(guó)家交通主管部門(mén)對(duì)危舊橋梁的高度重視，要求對(duì)全國(guó)的危舊橋梁進(jìn)行 徹底的檢查，并進(jìn)行必要的加閻維修以確保行車(chē)的安全。交通部在管理科學(xué)養(yǎng)護(hù)與規(guī)范化管理 綱要中( 1 9 9 1 至2 0 0 0 ) 提出；“到本世紀(jì)末，基本消滅國(guó)省干線上的危橋，并初步達(dá)到通行國(guó) 際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)”。目前來(lái)看，盡管歷史已經(jīng)進(jìn)入2 1 世紀(jì)，但要到達(dá)綱要上制訂的這個(gè) 目標(biāo)，還有相當(dāng)大的距離?；谶@一嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，橋梁加固己成為近年來(lái)橋梁工程界較為關(guān)注的研 究課題，我國(guó)學(xué)者已展開(kāi)了相關(guān)的研究工作”。1 。 面對(duì)日益艱巨的公路鋼筋混凝士危舊橋梁改造任務(wù)，急需找到一種快速、有效、可靠的加固 維修方法，以便盡快實(shí)現(xiàn)綱要目標(biāo)，這大大增加了公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)在危舊橋梁加固改造方面的 工作難度。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)新型、簡(jiǎn)捷、高效的混凝土結(jié)構(gòu)加固 技術(shù)，深受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的重視并已得到了較為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。該技術(shù)充分應(yīng)用了碳纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，簡(jiǎn)稱c f r p ) 所特有的高比強(qiáng)度、高比模量、耐 腐蝕、抗疲勞、抗蠕變及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，為混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)注入了新的活力“。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 1 2 1 粘貼碳纖維片在抗彎加固領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 粘貼碳纖維片加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能研究是近十年來(lái)最為普遍的，國(guó)外在該領(lǐng)域的研 究起步較早，相應(yīng)的研究成果較多。其中早期的研究成果主要以完整梁的抗彎加固受力性能為主 ?！?。研究手段大都采用加固鋼筋混凝土小粱室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)與參考梁的對(duì)比，分析粘貼碳纖維 布對(duì)加固鋼筋混凝土試驗(yàn)梁抗彎強(qiáng)度、跨中撓度、受拉鋼筋應(yīng)變、裂縫寬度與形態(tài)以及破壞模式 的影響，從而對(duì)粘貼加固效果做出合理的評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究成果大都采用了上述研究方法”。 在已有的研究方法中，碳纖維布主要粘貼于加固粱的受拉面，也有少數(shù)學(xué)者針對(duì)我國(guó)相關(guān)技術(shù)規(guī) 程對(duì)側(cè)面粘貼的抗彎加固效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)已有研究的加載方案，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)一次受 力問(wèn)題研究的較多，對(duì)二次受力問(wèn)題( 持載加固問(wèn)題) 研究較少”“。通過(guò)對(duì)基于完整粱以及二次 受力( 保持荷載情況) 抗彎加固受力性能的試驗(yàn)研究，目前己就下述結(jié)論達(dá)成了共識(shí)： ( 1 ) 隨著碳纖維布粘貼層數(shù)的增加，加固梁的破壞形式由碳纖維布的拉斷轉(zhuǎn)化為受壓區(qū)混凝 土的壓潰或界面剝離破壞； ( 2 ) 在梁的受拉區(qū)粘貼碳纖維布可顯著提高粱的承載能力在不達(dá)到超筋限制并確保粘 結(jié)錨固可靠的前提下，提高幅度與粘貼層數(shù)及配筋率有關(guān)； ( 3 ) 粘貼碳纖維布可提高加固梁在加載后期的抗彎剛度，但對(duì)彈性受力階段的剛度改善效果 不明顯，抗彎剛度的提高幅度與碳纖維布的粘貼層數(shù)有關(guān)； ( 4 ) 粘貼碳纖維布可有效抑制加載后期的裂縫，但對(duì)提高開(kāi)裂彎矩以及改善早期開(kāi)裂的效果 并不顯著； ( 5 ) 當(dāng)加載小于6 0 - 7 0 極限荷載的情況下加固梁的復(fù)合截面仍能很好地滿足平截面假定。 開(kāi)裂后，碳纖維布與混凝土復(fù)合截面般不再滿足嚴(yán)格意義上的平截面假定； ( 6 ) 達(dá)極限狀態(tài)時(shí)，即使發(fā)生碳纖維布的拉斷破壞，碳纖維布的實(shí)測(cè)拉應(yīng)變?nèi)赃h(yuǎn)小于碳纖維 片材的極限拉應(yīng)變，即粘貼于加固粱上的碳纖維布( 板) 存在一個(gè)綜合強(qiáng)度的問(wèn)題； ( 7 ) 在沒(méi)有可靠錨固措旌的情況下，多數(shù)加固梁發(fā)生了碳纖維布的剝離。加固梁的破壞模式 具有明顯的脆性特征，發(fā)生剝離破壞加固梁的極限承載能力甚至低于未加固的參考梁； ( 8 ) 附加的端部錨固及局部加強(qiáng)措施( 如碳纖維布u 型箍條或壓條) 可有效防止碳纖維布的 剝離，明顯提高破壞時(shí)的跨中撓度和截面曲率，確保加固梁發(fā)生延性破壞； ( 9 ) 粘貼等量碳纖維布加固梁的極限承載能力幾乎不受粘貼加固過(guò)程中持載程度的影響，但 持載加固對(duì)抑制加固粱裂縫擴(kuò)展及提高剛度是不利的。 以上研究成果解決了粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的基本受力性能，為這一技術(shù)的深入研 究及推廣應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。然而，由于只是針對(duì)完箍梁或少數(shù)持載加固粱所進(jìn)行的研究， 無(wú)法解釋某些公路橋梁粘貼碳纖維布加固前后受力性能的變化規(guī)律”3 ，這就需要針對(duì)實(shí)際公路橋 梁的破損特點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究，因此，關(guān)于加固破損梁受力性能的研究顯得尤為重要。 在現(xiàn)有危舊橋梁中，抗彎不足的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件占了主要部分，是危舊橋梁加固改造面 臨的主要矛盾，是各省公路管理部門(mén)近期解決的重點(diǎn)加固對(duì)象。對(duì)在役鋼筋混凝士橋梁而言，加 2 土冒奎娑盔蘭鎏土蘭篷鯊吝蓮= 耋豇i 固主要解決兩類(lèi)問(wèn)題，一是因橋梁使用功能改變?nèi)缣岣吆奢d等級(jí)而導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)承載能力不足，二 是因橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或超載車(chē)輛過(guò)多以及受力構(gòu)件鋼筋銹蝕、混凝土劣化等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破 損。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，這兩類(lèi)橋一般都是帶縫工作的前者由于只是經(jīng)受正常荷載作用或超載并 不嚴(yán)重，車(chē)輛荷載通過(guò)后，裂縫幾乎可以閉合，而后者的承載潛力相對(duì)降低，在經(jīng)常的超載作用 下，裂縫區(qū)的鋼筋因長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生徐變。即使橋上沒(méi)有車(chē)輛荷載通過(guò)，裂縫也不會(huì) 全部閉合，即存在一定寬度的殘余裂縫，屬破損的鋼筋混凝土梁。根據(jù)已有的文獻(xiàn)。加固預(yù)裂梁 與加固完整梁的受力性能是不同的，因此，必須針對(duì)公路橋梁的破損特點(diǎn)研究加固預(yù)裂梁的受力 性能，以便為粘貼碳纖維布加固技術(shù)用于橋梁加固領(lǐng)域提供可靠的依據(jù)。 現(xiàn)有的粘貼碳纖維布加固公路橋梁荷載試驗(yàn)表明4 “4 ，粘貼碳纖維片可明顯增加破損主梁 的抗彎剛度，改善梁底混凝土以及受拉鋼筋的應(yīng)變水平，有效抑制混凝土開(kāi)裂。根據(jù)實(shí)際公路橋 梁的荷載試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)有的基于完整加固梁的有關(guān)結(jié)論，加固完整梁與加固預(yù)裂梁在正常使用 荷載情況下的受力性能有著較大的差異，這主要表現(xiàn)在加固梁受拉區(qū)鋼筋、混凝土的應(yīng)變降低幅 度以及剛度提高程度等方面。而國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)裂梁的研究成果比較少，且沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)梁在加固前后 基于正常使用狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行有效的對(duì)比性研究，因此難以解釋實(shí)際橋梁的加固效果。盡 管存在以上不足，少量的基于預(yù)裂粱的研究成果仍為該技術(shù)在橋梁加固領(lǐng)域的應(yīng)用具有積極的指 導(dǎo)意義。 1 2 。2 粘貼碳纖維片在抗剪加固領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 粘貼碳纖維片抗剪加固鋼筋混凝土梁受力性能方面的研究成果較少，試驗(yàn)成果耍遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于抗 彎加固方面的研究成果，這主要是由于抗剪加固問(wèn)題比較復(fù)雜造成的?，F(xiàn)有的研究成果主要為粘 貼方式對(duì)抗剪加固性能影響方面的試驗(yàn)研究，且以國(guó)外學(xué)者的研究成果為主。我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域 研究不多，研究?jī)?nèi)容比較分散，未能形成系統(tǒng)化的可供工程應(yīng)用的抗剪加固研究成果。 對(duì)于抗剪加固的研究，部分研究者把抗彎、抗剪加固結(jié)合起來(lái)，研究綜合加圃的效果。t o m n o r r i s 等人( 1 9 9 7 年) 對(duì)小尺寸梁的全包加固的抗剪、抗彎效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，纖維片分為 單向纖維布垂直梁軸線粘貼和兩層纖維片與梁軸線成4 5 0 方式粘貼。由于梁尺寸較小( 僅 1 2 2 m ) ，所得出的結(jié)論具有一定的局限性”。k a c m a k e vn 對(duì)大尺寸梁進(jìn)行7 相應(yīng)的研究，出于 試驗(yàn)研究是針對(duì)擬加固橋梁而進(jìn)行的模型試驗(yàn)，綜合考慮了試驗(yàn)梁的抗彎、抗剪加固效果，而對(duì) 抗剪研究的目的不明確，所得結(jié)論沒(méi)有通用性“。其它類(lèi)似研究成果也因研究目的單一或不明確 以及試件尺寸偏小而未能得到有益的結(jié)論。之后，東南大學(xué)的吳剛在對(duì)2 0 根截面為1 5 c m x3 0 c m 、 長(zhǎng)為2 m 鋼筋混凝土抗剪加固試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了粘貼碳纖維布抗剪加固梁的破壞模式、受力 性能等內(nèi)容，并提出了加固梁受剪承載能力計(jì)算公式。試驗(yàn)梁的加固方案主要以垂直梁軸線的u 型粘貼為主，側(cè)面粘貼及全包加固型式各一根作為對(duì)比。夏春紅等通過(guò)試驗(yàn)考察了不弼粘貼方式 對(duì)抗剪加固效果的影響，其中涉及到了側(cè)面斜向4 5 0 粘貼方式的加固效果，試驗(yàn)結(jié)果表明斜向粘 貼對(duì)裂縫具有很好的抑制作用這一結(jié)論已在相關(guān)研究成果中得到了驗(yàn)證，同時(shí)也證實(shí)了斜向粘 貼或垂直梁軸線粘貼碳纖維布幾乎不影響加固梁的受剪承載能力。 在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，針對(duì)大尺寸抗剪試件的研究成果非常少。鑒于這一事實(shí)，d a v i da l a ns c b n e r c h ( 2 0 0 1 年) 研究了粘貼碳纖維布( 也涉及到玻璃纖維) 抗剪加固大尺寸梁的受力性能，試驗(yàn)梁包 3 主雷盔鏨盔謄堡圭嚳售鯊鑾 - - 互= 耋丑亙- 括兩組，第一組由實(shí)際橋梁上的t 型主梁分割而成，第二組為現(xiàn)澆t 型梁。試驗(yàn)結(jié)果表明，達(dá)到 抗剪極限狀態(tài)時(shí)，大尺寸梁上碳纖維布的實(shí)測(cè)應(yīng)變要大于現(xiàn)有文獻(xiàn)基于小尺寸梁的碳纖維布應(yīng)變 值，且加固后試驗(yàn)梁的斜裂縫寬度小且數(shù)量增加。2 0 0 2 年，0 m a rc h a a l a l 等人也對(duì)大尺寸t 型 截面梁的抗剪加固問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，試驗(yàn)共計(jì)制作了1 4 根長(zhǎng)為6 ，l m 的t 型截面梁，重點(diǎn) 研究了腹板全包加固方式的最優(yōu)加固量、有效應(yīng)變、剛度變化等內(nèi)容，得到了較好的研究成果。 粘貼碳纖維布抗剪加固的最終目的在于建立完善的抗剪加固粱受剪承載能力計(jì)算方法。在現(xiàn) 有文獻(xiàn)中，多數(shù)研究者提出了粘貼碳纖維布抗剪加固計(jì)算方法，其中以基于a c i 規(guī)范形式的計(jì)算 公式研究最為廣泛。我國(guó)研究者根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加i 瑚技術(shù)規(guī)范提出了相應(yīng)的計(jì)算方法，但由 于采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，難以用于工程實(shí)際。在現(xiàn)有抗剪加固計(jì)算方法中，合理確定抗剪加固梁 碳纖維布有效平均應(yīng)變是正確計(jì)算加固粱受剪承載能力的關(guān)鍵，因此，關(guān)于有效平均應(yīng)變的研究 一直是抗剪加固研究的熱點(diǎn)。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，國(guó)外學(xué)者在該領(lǐng)域做了卓有成效的研究工作， 提出了多種粘貼碳纖維片有效平均應(yīng)變計(jì)算公式。 t r i a n t a f i l l o ut c ( 1 9 9 8 年) 在綜合已有抗剪加固數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)歐洲模式規(guī)范( e c 2 1 9 9 2 ) 公式形式，通過(guò)反算、回歸分析等手段，首次建立了抗剪加固梁纖維布有效平均應(yīng)變計(jì)算 公式，并于2 0 0 0 年提出了基于不同破壞模式的有效應(yīng)變計(jì)算方法。根據(jù)t r i a n t a f i l l o ut c 有效平均應(yīng)變計(jì)算理論，a h m e dk h a l i r a 等人( 1 9 9 8 年) 在引用更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì) t r i a n t a f i l l o ut c 有效應(yīng)變模型進(jìn)行了修正，新的有效應(yīng)變模型消除了不同纖維材料極限應(yīng) 變的影響，在計(jì)算具有不同極限應(yīng)變纖維的有效應(yīng)變時(shí)更加方便。之后，a h m e d k h a l i f a 等人( 2 0 0 0 年) 研究了粘貼碳纖維片加固t 型梁的抗剪性能，共制作了6 根長(zhǎng)3 0 5 m ，高0 4 0 5 m 的t 型截面 梁，并對(duì)其中5 根采用5 種不同的粘貼加固方式，分別為不帶端錨固的u 型全包、2 層纖維0 0 9 0 0 側(cè)貼、u 型條帶、側(cè)貼條帶無(wú)上下錨固以及帶端錨固的u 型全包。研究結(jié)果表明，對(duì)于以剝離為 破壞形態(tài)的抗剪加固存在一個(gè)有效加固量的問(wèn)題，當(dāng)加固量大于有效加固量時(shí)，將不會(huì)增加加固 粱的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)，可靠的端錨同措旆可有效提高加固梁的抗剪能力。2 0 0 2 年，研究者又對(duì)簡(jiǎn) 支矩形截面粱抗剪加固后的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，試驗(yàn)包括1 2 根3 0 5 m 的混凝土矩形截 面梁，研究了配筋率、剪跨比、c f r p 加固量以及粘貼方式等因素對(duì)抗剪性能的影響。結(jié)合抗剪加 固梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，a h m e dk h a l i r a 等人對(duì)基于a c i 規(guī)范格式的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，從而 進(jìn)一步驗(yàn)證了所提有效平均應(yīng)變計(jì)算公式的可靠性。 綜觀國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料在混凝士加固維修領(lǐng)域的研究成果，主要是針對(duì)工業(yè)民用建筑的 加固維修進(jìn)行的，而結(jié)合混凝土橋梁構(gòu)件加固維修的研究很少，成功的橋梁工程加固事例就更少 了，因此有必要對(duì)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)的加固維修進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)，結(jié)合實(shí)際橋梁的破損特 點(diǎn)制定合理的室內(nèi)試驗(yàn)計(jì)劃，以彌補(bǔ)單純模型試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的影響，為該技術(shù)在工程加固設(shè)計(jì)、 施工提供可靠的依據(jù)。 1 3 本論文的研究?jī)?nèi)容與思路 本課題擬在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地選取典型公路橋梁進(jìn)行必要的野外試驗(yàn)研究，通 過(guò)比較室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與野外檢測(cè)結(jié)果，可以更好地解釋實(shí)際橋梁粘貼碳纖維片加固前后受力性能 的變化規(guī)律，而野外檢測(cè)數(shù)據(jù)又可檢驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的合理性，以盡量避免尺寸效應(yīng)的影響，可 4 圭雷奎些盔主鎏土蘭售鯊吝 羞二耋z ii 一定程度上彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域研究中存在的不足，本文主要的研究?jī)?nèi)容包括： ( 1 ) 結(jié)合實(shí)際公路橋梁的破損特點(diǎn)，對(duì)粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土預(yù)裂梁的抗彎性能進(jìn)行 了室內(nèi)試驗(yàn)研究，共制作9 根2 7 m 的鋼筋混凝土小梁，包括三種配筋率，分別對(duì)應(yīng)著適筋梁中 的高、中、低配筋等三種情況。試驗(yàn)內(nèi)容包括預(yù)裂程度、加固時(shí)的持載水平以及配筋率等因素對(duì) 加固鋼筋混凝土梁剛度、裂縫、受拉鋼筋應(yīng)變以及抗彎承載能力等方面的影響程度。通過(guò)比較同 一根破損梁在加固前后的撓度、受拉鋼筋應(yīng)變的降低程度，避免了不同試驗(yàn)梁因幾何尺寸、鋼筋 位置以及材料力學(xué)性能等方面的差異而導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)過(guò)程最大程度地模擬了實(shí)際橋梁加 固前后的受力狀態(tài)，從而增加了室內(nèi)數(shù)據(jù)與野外檢測(cè)結(jié)果的可比性，使室內(nèi)研究成果更具實(shí)用性。 ( 2 ) 合理界定加固后截面承載能力極限狀態(tài)、界限破壞狀態(tài)、界限加周量以及混凝士受壓區(qū) 界限高度系數(shù)是正確計(jì)算加固后截面受彎承載能力的關(guān)鍵，而國(guó)內(nèi)在該方面的定義比較模糊，給 設(shè)計(jì)人員合理應(yīng)用公式造成了一定的困難，因此，本課題根據(jù)室內(nèi)抗彎加固試驗(yàn)數(shù)據(jù)及國(guó)內(nèi)外已 有的研究成果、規(guī)范，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了合理的界定，在此基礎(chǔ)上，提出并建立基于現(xiàn)行公橋 規(guī)的碳纖維片加固抗彎構(gòu)件正截面強(qiáng)度計(jì)算公式，同時(shí)，為使計(jì)算公式的應(yīng)用具有一定的連續(xù) 性，兼顧了原公橋規(guī)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，最后，按照三種不同規(guī)范對(duì) 受彎承載能力計(jì)算公式的要求，計(jì)算了3 4 根抗彎加固試驗(yàn)梁的抗彎強(qiáng)度，在與相應(yīng)試驗(yàn)值進(jìn)行 對(duì)比的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)了基于不同設(shè)計(jì)規(guī)范抗彎加固梁受彎承載力計(jì)算公式的可靠性。 ( 3 ) 比較粘貼加固前后主梁( 板) 剛度、裂縫寬度、鋼筋( 混凝土) 應(yīng)變，可以評(píng)價(jià)粘貼碳 纖維布的加固效果，這是最直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而確保評(píng)價(jià)結(jié)果可信、可靠的關(guān)鍵是保證加固前后 加載位置、荷載大小的一致性。本課題選取具有代表性且受力明確的公路鋼筋混凝土損傷橋梁( 簡(jiǎn) 支粱橋與整體現(xiàn)澆板橋) ，應(yīng)用所建立的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行粘貼碳纖維布加固設(shè)計(jì)，并予以加固。為 檢驗(yàn)加固效果，在橋梁加固前后分別進(jìn)行了相應(yīng)的荷載試驗(yàn)。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，最大限 度地保證試驗(yàn)橋( 孔) 加固前后荷載試驗(yàn)用加載車(chē)輛型號(hào)、軸載大小、加載位置的一致性。同時(shí)， 對(duì)用于加固前后對(duì)比的撓度測(cè)點(diǎn)位置、混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置均進(jìn)行了相應(yīng)的保護(hù)或預(yù)留。通過(guò)比 較橋梁加固前后的荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了粘貼碳纖維布對(duì)主梁剛度、裂縫寬度、受拉區(qū)混凝土應(yīng) 變水平以及結(jié)構(gòu)整體受力能力的影響程度，驗(yàn)證了室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的合理性以及粘貼碳纖維布對(duì)實(shí) 際鋼筋混凝土橋梁的加固效果。 ( 4 ) 界面粘貼失效或基面混凝土剝離是加固混凝土梁的主要早期破壞形態(tài)，目前對(duì)于端部剝 離機(jī)理的研究成果已經(jīng)較多，本課題針對(duì)實(shí)際加固工程中常見(jiàn)的軸心受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件，定性 地分析了不同受力狀態(tài)下剝離對(duì)加固構(gòu)件受力性能的影響程度。最后，根據(jù)研究成果并結(jié)合實(shí)際 混凝土梁的損傷特點(diǎn)，提出加固設(shè)計(jì)施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)和應(yīng)采取的技術(shù)措施。 ( 5 ) 粘貼碳纖維布的抗剪加固問(wèn)題是至今研究較少的內(nèi)容，本課題將結(jié)合實(shí)際鋼筋混凝土橋 梁的損傷特點(diǎn)，對(duì)1 9 根3 1 m 鋼筋混凝土矩形截面梁進(jìn)行抗剪加固試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同預(yù)裂程度 以及碳纖維布粘貼型式對(duì)抗剪加固梁抗剪承載能力、碳纖維布應(yīng)變水平及破壞模式的影響機(jī)理。 試驗(yàn)參數(shù)包括配筋率、粘貼角度、加固量、端錨固形式、條帶寬度、預(yù)裂程度、持載加固以及剪 跨比等八個(gè)方面。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，為實(shí)際工程的抗剪加同設(shè)計(jì)提供合理的建議。 ( 6 ) 為建立粘貼碳纖維布抗剪加固粱中碳纖維片受剪承載能力計(jì)算方法，本課題將綜合國(guó)內(nèi) 外的最新研究成果，建立與現(xiàn)行橋梁規(guī)范以及即將頒布的新的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范相適應(yīng)的抗剪加固梁 中碳纖維布抗剪承載能力計(jì)算公式，并重點(diǎn)解決粘貼碳纖維布抗剪加固粱中碳纖維布的有效平均 主冒鑾些鑾謄霉土嚳甚鎏鑾羞= 耋21 直 應(yīng)變問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，提出合理的抗剪加固梁中碳纖維布抗剪承載力計(jì)算公式。最后，根據(jù)本 課題以及國(guó)外文獻(xiàn)中抗剪加固梁的試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)所提公式的可靠性。 6 第二章粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土預(yù)裂梁試驗(yàn)研究 2 1 前言 粘貼碳纖維布加固橋梁技術(shù)是一項(xiàng)新型橋梁加固技術(shù)。該技術(shù)因其施工方便、對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損 傷而引起公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)的重視。對(duì)在役鋼筋混凝土梁式橋而言，粘貼加固主要解決兩類(lèi)問(wèn)題，一 是因橋梁使用功能改變?nèi)缣岣吆奢d等級(jí)而導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)承載能力不足，二是因橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低或 超載車(chē)輛過(guò)多以及受力構(gòu)件鋼筋銹蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破損。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，這兩類(lèi)橋一般都是帶 縫工作的，前者由于只是經(jīng)受正常荷載作用或超載并不嚴(yán)重，車(chē)輛荷載通過(guò)后，裂縫幾乎可以閉 合，而后者的承載潛力相對(duì)降低，在經(jīng)常的超載作用下，裂縫區(qū)的鋼筋因長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)而 發(fā)生徐變。即使橋上沒(méi)有車(chē)輛荷載通過(guò)，裂縫也不會(huì)全部閉合，即存在一定寬度的殘余裂縫。確 保這兩類(lèi)橋的安全運(yùn)營(yíng)是目前公路養(yǎng)護(hù)部門(mén)工作的重點(diǎn)。對(duì)這兩類(lèi)橋梁加固設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不 僅要可靠地確定加固梁的極限承載能力，還要清楚地了解粘貼加固對(duì)正常使用狀態(tài)下各項(xiàng)指標(biāo)的 改善程度，這也是橋梁加固效果最直觀的檢驗(yàn)指標(biāo)。然而，根據(jù)已有的室內(nèi)試驗(yàn)研究成果o 4 3 ，粘 貼碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的剛度提高幅度與應(yīng)變改善程度并不大，這與某些鋼筋混凝土橋 梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果”是矛盾的。產(chǎn)生這一差異的主要原因是經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)的橋梁不可避免的會(huì)出現(xiàn)局 部開(kāi)裂現(xiàn)象，屬于預(yù)裂的鋼筋混凝土梁，加固后，預(yù)裂梁與碳纖維布的復(fù)合受力機(jī)理與完整梁是 不同的?；谶@一工程實(shí)際，本文對(duì)預(yù)裂梁的粘貼加固效果進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析， 彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在這一領(lǐng)域研究中存在的不足，為粘貼加固技術(shù)在橋梁加固方面的推廣應(yīng)用提供了 可靠的依據(jù)。 2 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本次試驗(yàn)共制作鋼筋混凝土小梁9 根，截面尺寸為1 5 0 r m 2 5 0 r a m ，小粱全長(zhǎng)為2 7 0 0 r a m 。試 驗(yàn)粱縱向主筋的配筋率取0 6 7 5 、1 3 8 6 及2 3 2 4 ，分別對(duì)應(yīng)著2 塵1 2 、3 ( i ) 1 4 與2 中_ 2 2 。支點(diǎn)附 近箍筋采用+ 6 5i 級(jí)鋼，箍筋間距為l o o m m ，跨中部分箍筋間距為2 0 0 r a m 。架立筋均采用2 m 8i 級(jí) 鋼筋，試驗(yàn)梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)按c 4 0 設(shè)計(jì)。各試驗(yàn)梁的編號(hào)、相應(yīng)材料性能及預(yù)裂情況見(jiàn)表2 1 i 試驗(yàn)項(xiàng)目與分組情況見(jiàn)表2 2 ，試驗(yàn)梁詳細(xì)尺寸與鋼筋構(gòu)造見(jiàn)圖2 1 ，試驗(yàn)采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載方 式，如圖2 2 所示。 表21 試驗(yàn)梁基本參數(shù) 7 裹21 試驗(yàn)粱基本參數(shù) 試件編號(hào)混凝土標(biāo)號(hào)配筋預(yù)裂程度 粘貼層數(shù)粘貼方式 f a 4 f 1 3 1 4 0 4 0 3 出1 4 2 出1 2 預(yù)加載至5 0 卸載 預(yù)加載至5 0 9 6 卸載 u 形箍端錨固 u 形箍端錨周 f c i4 02 血2 2預(yù)加載至5 0 卸載 l u 形箍端錨固 前將試驗(yàn)粱預(yù)先加載到基準(zhǔn)粱極限荷載的5 帆或7 0 9 l 后卸載，阻下簡(jiǎn)稱預(yù)裂粱，相應(yīng)的預(yù)加荷載稱為預(yù)裂荷載。 襄2 2 試驗(yàn)粱分組與研究?jī)?nèi)容 試驗(yàn)粱分組相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容 ，l s l 己4 口0 l 二一2 z q 1 5 e 猢滔 + 。一 j ( a ) f a 類(lèi)試驗(yàn)粱 2 盟口u 2 2 0 0 薯目 一- - - - - 一 ( b ) f b 類(lèi)試驗(yàn)梁 l 5 0 蘑亙耍重重畫(huà) 瀚氡 卜斗1 i 二 np 4 n n1r 、1，。氣f 1 一。 十。一十+ 7 n f 、 _ 一- 。- c - - - - - - - - - 一一j ( c ) f c 類(lèi)試驗(yàn)粱 圈21 試驗(yàn)粱鋼筋構(gòu)造圖鈿n ) 8 上 一一荷載傳感器 ，百分衰亡百i 再_ 自分表 j + 坐豆二三二三三：三三二三三三豆二_ = 工 (p百分表! ，5 ，之， * o 、。* 一j 二二l ! i * _ 坐# 圍22 三分點(diǎn)對(duì)稱加載裝置示意圍佃n ) 試驗(yàn)梁加固方案均采用在梁底粘貼一層1 5 0 m m 寬的t x d 一2 0 0 碳纖維布，兩端部采用5 0 m m 寬 的碳纖維布u 形箍予以錨固，具體加固布置見(jiàn)圖2 3 。 圖23 試驗(yàn)粱粘貼加固布置圖抽蚰) 2 3 試驗(yàn)材料基本力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果 試驗(yàn)梁用混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為c 3 0 ，制作時(shí)，由于模板數(shù)量限制，分兩組澆注混凝土，各 組實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2 3 。 表23 試驗(yàn)粱混凝土立方體強(qiáng)度 試驗(yàn)梁用鋼筋均進(jìn)行了抽樣試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)了各類(lèi)鋼筋的屈服強(qiáng)度os 、極限強(qiáng)度0b 與極 限延伸率6 ，基本力學(xué)性能見(jiàn)表2 4 。 表24 鋼筋基本力學(xué)性能 加固用碳纖維采用t x d - c 一2 0 布材，計(jì)算厚度為0 i l l m m 。按g b t 3 3 5 4 - 1 9 9 9 定向纖維增強(qiáng) 塑料拉伸性能試驗(yàn)方法及g b 1 4 4 7 8 3 玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法推薦的試驗(yàn)方法 制作抗拉性能試驗(yàn)試件，共計(jì)制作5 個(gè)碳纖維布( c f r p ) 試件，試件長(zhǎng)2 5 0 m m ，寬1 6 m m 。待粘貼 9 昏 土雪奎鏨盔堂耍土蘭垡鯊鑾羞三耋氈鱉藍(lán)紅答盔蟄雷塑塹鎏髦占鎏銎豳鍪翟鏨 樹(shù)脂固化后，在兩端固定專門(mén)的夾具，達(dá)到強(qiáng)度后即可進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)采用連續(xù)加載直至破 壞，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集各個(gè)加載瞬間的應(yīng)變及荷載值。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，該類(lèi)碳纖維布的各項(xiàng)力 學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2 5 。 表25 碳纖維布( t x d - c - 2 0 ) 基本力學(xué)性能 2 4 試驗(yàn)結(jié)果 2 4 1 試驗(yàn)梁檢測(cè)結(jié)果 試驗(yàn)粱的極限荷載、鋼筋及纖維布實(shí)測(cè)應(yīng)變與破壞模式見(jiàn)表2 6 。各級(jí)荷載作用下的鋼筋應(yīng) 變及跨中撓度分別見(jiàn)表2 7 和表2 8 。 表26 試驗(yàn)結(jié)果 耬翟燃 囂芝鬻篙竺i 勰0 - 6 ) 1 0 1 0 式 編號(hào) 尸一( k n ) m 一m ) t ( 1 ) 應(yīng)燹占，一( 聃。9 f a 01 0 9 2 94 3 7 22 2 8 4 一一 f a i1 2 0 4 84 8 1 92 1 6 62 2 9 0 f a 21 2 5 2 75 0 ，1 11 7 2 8 43 2 4 5 f a 31 2 0 4 84 8 1 97 4 4 51 6 1 5 f a 41 2 0 4 84 8 1 95 1 7 35 3 2 3 f b 07 6 3 63 0 5 41 3 7 0 f b i9 1 3 93 6 5 62 0 2 88 9 8 1 f c 01 6 8 7 56 7 5 03 8 0 0 f c i1 6 0 4 46 4 1 85 9 5 86 1 1 5 碳纖維布拉斷 碳纖維布拉斷 碳纖維布拉斷 碳纖維布拉斷 碳纖維布拉斷 混凝土壓碎 注：l ，表中所列應(yīng)變值單位為1 0 4 ( 微應(yīng)變) ，以下同；2 ，由于純彎段碳纖維布的斷裂位置具有隨機(jī)性試驗(yàn)中報(bào)難捕 捉到極鞭狀態(tài)時(shí)碳纖維布的斷裂應(yīng)變，表中碳纖維布均采用試驗(yàn)粱破壞時(shí)的實(shí)測(cè)應(yīng)變。 表27 試驗(yàn)粱加固前后鋼筋應(yīng)變值( 1 0 - 6 ) 1 0 表2 7 試驗(yàn)粱加固前后鋼筋應(yīng)變值( 1o _ 6 ) 2 5 試驗(yàn)分析 試驗(yàn)梁的力學(xué)性能受到多種因素的影響，如混凝土密實(shí)度的不同、主鋼筋位置的偏差、混凝 土強(qiáng)度的差異等等，這必然影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。為消除上述不利影響，在分析某一粱的加 固效果時(shí)，對(duì)于正常使用狀態(tài)下的指標(biāo)如撓度、裂縫寬度與受拉鋼筋應(yīng)變等，均采用同一片粱的 數(shù)據(jù)。通過(guò)比較各梁加固前后在相同加載過(guò)程中的跨中撓度、受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變的變化規(guī)律，研究 不同開(kāi)裂狀況預(yù)裂梁在正常使用荷載水平下的加固效果，與實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)加固前后的荷載試驗(yàn)統(tǒng) 一起來(lái)，增加了室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與橋梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。下面分別研究預(yù)裂程度、持載水平 及配筋率等因素對(duì)加固效果的影響。 2 5 1 預(yù)裂程度對(duì)預(yù)裂粱加固效果的影晌 加載史對(duì)預(yù)裂梁加固效果的影響是將試驗(yàn)粱加載到一定程度后卸載，即不同的預(yù)裂程度，然 后再進(jìn)行粘貼加固，目的在于模擬實(shí)際公路橋梁不同的加載史或不同的開(kāi)裂程度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)， 取f a l ，f a 4 與f a 3 進(jìn)彳j ：對(duì)比試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)著完整梁、5 0 預(yù)裂梁及7 0 預(yù)裂梁。 主冒奎些盔警霉土主譬鯊鑾重三霉盆監(jiān)蜃鏨鑒奎蟄冒翅簋鎏囂占鎏型譽(yù)莓鱉蟹毒 比較表2 6 中試驗(yàn)梁的極限荷載值，試驗(yàn)梁f m 、f a 3 與f a 4 的極限荷載值相當(dāng)接近。試驗(yàn) 時(shí)，各梁均加載到1 2 0 4 8 k n 左右時(shí)無(wú)法繼續(xù)承載而破壞，較參考梁f a 0 提高了6 。由此可見(jiàn)， 對(duì)于以碳纖維拉斷為極限狀態(tài)的試驗(yàn)梁，預(yù)裂程度的不同幾乎不影響粱的極限承載能力。在小于 1 6 k n i l l 時(shí)，加固后預(yù)裂梁的撓度普遍偏大，這是由于預(yù)裂削弱了原截面的剛度造成的。當(dāng)彎矩 大于1 6 k n i l l 后，由于碳纖維布逐步參與受力，加固后的撓度值明顯小于加固前的值。在5 0 極 限荷載( 6 0 k n ) 作用- 卜，試驗(yàn)粱f a 4 跨中撓度由加固前的5 2 4 m m 降為加固后的4 4 6 m m ，降低了 1 4 9 ，而試驗(yàn)梁f a 3 跨中撓度由加周前的5 2 3 m m ( 根據(jù)預(yù)裂梁在該階段受力的彈性性質(zhì)推算得 到) 降為加固后43 5 m m ，降幅達(dá)1 6 8 。同時(shí)，比較表5 中f a 3 、f a 4 在該荷載作用下的鋼筋降 低幅度，f a 3 由加固前的1 3 2 3 p e ( 按預(yù)裂梁在該階段的線彈性性質(zhì)推算得到) 降為加固后的1 0 5 7 9 e ， 下降了2 0 1 ，f a 4 下降了1 6 3 ，這說(shuō)明，在正常使用荷載作用下，粘貼碳纖維布加固預(yù)裂梁 可明顯提高的截面抗彎剛度，降低受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變，并且，預(yù)裂程度越大，改善效果越明顯。 2 5 2 持載程度對(duì)預(yù)裂粱加固效果的影晌 持載加固問(wèn)題與二次受力問(wèn)題是相似的，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題的研究較多，這里主要針對(duì)同一 荷載水平作用下的持載加固粱與預(yù)裂加固梁來(lái)進(jìn)行分析。試驗(yàn)時(shí)，由于所用的粘貼膠須養(yǎng)護(hù)7 天 左右，對(duì)試驗(yàn)粱f a 2 持載2 4 小時(shí)使膠完全固化后卸載養(yǎng)護(hù)。卸載后可明顯發(fā)現(xiàn)原裂縫處碳纖維 布有明顯的褶皺，由于膠已經(jīng)固化，粘貼的碳纖維布與粘結(jié)面之間已不可能有相對(duì)位移，即膠固 化后，卸載養(yǎng)護(hù)與持載不會(huì)對(duì)試驗(yàn)梁的檢測(cè)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。 由表26 可知，f a 2 、f a 4 的極限荷載分別比參考梁增加了1 01 和5 9 9 6 ，但這并不意味著 持載對(duì)承載能力提高幅度大。根據(jù)= 者的破壞形態(tài)，如圖2 1 7 、圖2 1 8 所示，f a 2 破壞時(shí)，碳 纖維布斷裂比較平齊，各碳纖維束受力比較均勻，碳纖維布可以承受比較高的拉力，從而增加了 加固粱的極限承載能力。f a 4 梁發(fā)生破壞時(shí)，碳纖維布端面呈明顯的交錯(cuò)狀，且斷口處纖維束粘 結(jié)樹(shù)脂浸漬不充分，導(dǎo)致各碳纖維束受力不均勻，碳纖維布的斷裂始于應(yīng)力水平較高的碳纖維柬， 最終發(fā)生了類(lèi)似撕裂狀拉斷破壞，影響了碳纖維布整體強(qiáng)度的發(fā)揮，降低了加固后梁的承載能力。 從理論上，只要最終發(fā)生的是碳纖維布的拉斷破壞，即極限狀態(tài)時(shí)受拉區(qū)的總應(yīng)變與初始應(yīng)變之 差大于碳纖維布的極限應(yīng)變，那么，持載與否不會(huì)影響抗彎構(gòu)件的極限承載能力。 圈21