纖維復(fù)合材料加固再生混凝土梁試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1、再生混凝土梁加固試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)一、試驗(yàn)的背景及意義隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施和各種建筑的修建需要的混凝土量日益增加，而舊的建筑物的拆除、改造，產(chǎn)生廢棄混凝土的量也逐步上升，給我國的資源與環(huán)境造成了巨大的壓力，給我們的可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。目前，怎樣合理的利用建筑垃圾制備再生混凝土應(yīng)用到實(shí)際工程中成為了研究的熱點(diǎn)。鋼管再生混凝土、再生混凝土梁和再生混凝土柱等方面的研究已經(jīng)在我國的科研院校廣泛的開展起來了，并取得了一定的成果。結(jié)果顯示：鋼管再生混凝土、再生混凝土梁和再生混凝土柱由于其再生骨料自身性能的降低其各項(xiàng)力學(xué)性能均有不同程度降低。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，復(fù)合材料（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維

2、等）的各項(xiàng)力學(xué)性能均有提高，同時(shí)，復(fù)合材料纖維也應(yīng)用到實(shí)際的建筑和橋梁的加固工程中，提高了建筑和橋梁的抗彎及抗剪強(qiáng)度，進(jìn)一步加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抗震性及安全性，提高了結(jié)構(gòu)的實(shí)用壽命。二、試驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)主要利用碳纖維布加固不同替代率下（0%，50%和100%）的再生混凝土梁來研究加固后再生混凝土梁的剛度、延性、承載力、裂縫分布及其開展情況的變化，與我們前期已經(jīng)完成的原生混凝土梁的試驗(yàn)做一對照分析，并對前期試驗(yàn)中沒有主要到的細(xì)節(jié)加以分析，比如澆注混凝土的抗拉強(qiáng)度和彈性模量的測量；加固梁不同測點(diǎn)處應(yīng)變片的響應(yīng)情況（與后期的模擬作對照）；裂縫在加載過程中的開裂長度與寬度的實(shí)時(shí)跟蹤曲線；以及臨近破壞時(shí)裂縫的變化情

3、況和破壞形態(tài)的改變。對再生加固梁的疲勞試驗(yàn)力求細(xì)致，對裂縫的寬度及其走向要記錄好。最后，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中要對梁的撓度和裂縫走向做實(shí)時(shí)觀測記錄，便于以后模擬與計(jì)算時(shí)對不同加載階段的分析對照。三、試驗(yàn)設(shè)備電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（WAW-100/300/300A）、島津疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)變測試儀DH-3816測量相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)變變化動態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)LVDT位移傳感計(jì)、百分表電阻應(yīng)變片四、試驗(yàn)內(nèi)容1、再生混凝土基本性能的試驗(yàn)，包括骨料的表觀密度、吸水率、堆積密度與空隙率，再生骨料的壓碎指標(biāo)，不同再生骨料取代率下的再生混凝土立方體抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。2、抗拉鋼筋、抗壓鋼筋和箍筋的材料性能測試試驗(yàn)。3、FRP約

4、束再生混凝土梁的試驗(yàn)抗彎、抗剪和疲勞試驗(yàn)。五、試驗(yàn)方案（一）CFRP加固再生梁的抗彎性能試驗(yàn)1、構(gòu)件設(shè)計(jì) 試驗(yàn)用的再生混凝土梁的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C30，再生骨料的取代率分別是0%、50%、100%，梁的截面尺寸均為b × h= 150 mm × 300 mm，跨度L=1500 mm，縱向受拉鋼筋為28的螺紋鋼，全梁均勻設(shè)置箍筋為6100，架立鋼筋為28圓鋼，混凝土保護(hù)層厚度為20mm。試驗(yàn)梁的截面尺寸及配筋如圖1所示。圖1 CFRP加固再生混凝土抗彎梁2、材料選擇試驗(yàn)試件的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C30，再生骨料取代率為0%、50%和100%，實(shí)測在同樣養(yǎng)護(hù)條件下的混凝土試塊

5、各3塊，得到其平均抗壓強(qiáng)度。碳纖維布在上海存強(qiáng)公司購買。各種材料的性能指標(biāo)如下表1，2和3所示。表1：鋼筋及混凝土的實(shí)測力學(xué)性能指標(biāo)（MPa）（一定要實(shí)測，便于以后模擬與計(jì)算）項(xiàng)目6箍筋8縱向受拉鋼筋8架立筋C30、0%C35、30%C40、100%極限強(qiáng)度屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度屈服強(qiáng)度極限強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度試件1試件2試件3平均值表2：纖維布主要物理性能指標(biāo)（買回后實(shí)測，便于計(jì)算）種類及型號面密度/(g/m2)寬度/mm厚度/mm抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%表3：加固膠的力學(xué)性能指標(biāo)（主要做拔出試驗(yàn)測其抗剪性能）型號拉伸剪切強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa黏結(jié)拉伸強(qiáng)度/

6、MPa壓縮強(qiáng)度/MPa3、加固方案本次CFRP加固再生梁抗彎試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7根梁，基本情況如表4所示：表4：CFRP加固再生混凝土梁試件設(shè)計(jì)參數(shù)情況編號主筋箍筋架立筋澆注強(qiáng)度替代率加固層數(shù)W028610028C300%對照W5028610028C3050%對照W50B128610028C3050%加固1層W50B228610028C3050%加固2層W10028610028C30100%對照W100B128610028C30100%加固1層W100B228610028C30100%加固2層4、加載方案梁澆注前，在對照再生梁底部2根縱向鋼筋的跨中位置及頂部架立鋼筋的中間位置沿縱向各粘貼一片鋼筋應(yīng)變

7、片，用于測量縱筋在加載過程中的應(yīng)變。試驗(yàn)時(shí)在跨中和兩支點(diǎn)設(shè)百分表或者LVDT位移計(jì)，以觀測構(gòu)件的撓度變化；在梁的跨中一側(cè)按20mm的間距粘貼混凝土應(yīng)變片，以觀測跨中截面不同高度處的應(yīng)變變化。對于CFRP加固再生梁，在碳纖維布粘貼養(yǎng)護(hù)完成后，在跨中碳纖維布表面沿縱向粘貼三片應(yīng)變片；對于粘貼兩層纖維布的加固梁，在內(nèi)外兩層布跨中位置上均貼上三片應(yīng)變片，用于測量碳纖維布在荷載作用下的拉應(yīng)變。電阻應(yīng)變片用502膠水粘貼后，再用環(huán)氧樹脂覆蓋絕緣，然后通過數(shù)據(jù)采集儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體加載方案及測點(diǎn)的具體分布見圖1所示。正式加載前，先對試驗(yàn)梁預(yù)加2kN荷載進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，檢查儀器是否正常工作以及消除接觸不良現(xiàn)象

8、。然后采取兩點(diǎn)對稱逐級加載方式，用500T壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，每級加載3kN，接近開裂時(shí)每級加載1kN，且每級持荷5min，待儀表的示值穩(wěn)定后再進(jìn)行下級加載。同時(shí)在加載過程中用電測裂縫寬度測試儀觀測裂縫寬度，隨時(shí)記錄裂縫開展情況。（二）CFRP加固再生梁的抗剪性能試驗(yàn)在實(shí)際工程中，由于設(shè)計(jì)失誤和載荷增加等原因往往造成梁結(jié)構(gòu)的抗剪承載力不能滿足使用要求，再加上構(gòu)件的斜截面破壞是剪切脆性破壞，比彎曲破壞的危險(xiǎn)性更大，因而對加固鋼筋混凝土梁的剪切性能和方法的研究非常重要。 1、構(gòu)件設(shè)計(jì)考慮到抗剪性能的試驗(yàn)應(yīng)使初始箍筋配筋不足，因此，試驗(yàn)用的再生混凝土梁的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值仍然為C30，再生骨料的取代率

9、分別是0%、50%、100%，梁的截面尺寸均為為b × h = 150 mm × 300 mm，跨度L = 1500 mm，縱向受拉鋼筋為214的螺紋鋼，全梁均勻設(shè)置箍筋為6200，架立鋼筋為28圓鋼，混凝土保護(hù)層厚度為20mm。2、材料選擇需要測量的材料的各種性能指標(biāo)也如上述的“加固再生梁的抗彎性能”所述。具體需要測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，表2和表3所示。3、加固方案本次CFRP加固再生梁抗剪試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7根梁，基本情況如表5所示：表5：CFRP加固再生混凝土梁抗剪試件設(shè)計(jì)參數(shù)情況編號主筋箍筋架立筋澆注強(qiáng)度替代率加固層數(shù)S0286200214C300%對照S502862002

10、14C3050%對照S50B1286200214C3050%U型加固2層S50B2286200214C3050%L型加固2層S100286200214C30100%對照S100B1286200214C30100%U型加固2層S100B2286200214C30100%L型加固2層4、加載方案具體的加載方案如上述的“加載梁的抗彎性能”所述。特別的是與加固再生梁抗彎性能不同的是，加固梁的剪切性能時(shí)，應(yīng)在箍筋上和粘貼后的纖維布上面粘貼應(yīng)變片，以觀察在梁的變形和加載過程中，梁中箍筋和纖維布的應(yīng)變情況。其具體加載測點(diǎn)與加載方式見圖2所示。圖2 CFRP加固再生混凝土抗剪加載、加固形式圖和應(yīng)變片布置（三）

11、再生混凝土梁的疲勞性能試驗(yàn)在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，有大量結(jié)構(gòu)需要承受荷載的多次重復(fù)作用，但是原來按照容許應(yīng)力設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計(jì)缺陷，施工質(zhì)量問題，環(huán)境的各種不利影響或者使用功能的改變，其疲勞強(qiáng)度可能不滿足現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)結(jié)構(gòu)的疲勞預(yù)測壽命小于結(jié)構(gòu)的期望服役年限時(shí)，需要對其進(jìn)行疲勞加固。特別對于橋梁結(jié)構(gòu)，由于環(huán)境腐蝕或現(xiàn)有載荷的改變，必須對其進(jìn)行疲勞加固。 碳纖維布作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐疲勞的新型材料，已經(jīng)被作為一種理想的疲勞加固材料得到廣泛的應(yīng)用?？紤]到進(jìn)行疲勞加固試驗(yàn)是為了得到較好的試驗(yàn)過程和曲線，而加固抗彎再生梁破壞屬于延性破壞，因此，在本次試驗(yàn)中采用結(jié)構(gòu)抗彎加固方案，對纖維布加固的再生

12、梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究加固后再生梁的疲勞剛度的改變情況，從而為實(shí)際加固疲勞工程提供參考。1、構(gòu)件設(shè)計(jì)試驗(yàn)用的混凝土梁的構(gòu)件尺寸及配筋圖如上述的“加固再生梁的抗彎性能”所述。見圖1所示。2、材料選擇需要測量的各種材料性能指標(biāo)也如上述的“加固再生梁的抗彎性能”所述。具體需要測量的數(shù)據(jù)如表1，表2和表3所示。3、加固方案對混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30的再生梁，分別進(jìn)行0%、50%和100%三中再生骨料取代率的抗彎加固，加固方式為粘貼2層碳纖維加固。4、加載方案 再生梁加固的疲勞試驗(yàn)在島津疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，首先對試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)載試驗(yàn)，確定各個(gè)加固梁和對照梁的極限彎矩，取70%-80%的極限彎矩為疲勞試驗(yàn)的上限荷

13、載，逐級加載，每級荷載值取上限荷載的20%，分5級加載。靜載試驗(yàn)階段：在預(yù)載后，先做兩次加載、卸載循環(huán)的靜載試驗(yàn)，以消除加載系統(tǒng)各部分的間隙，并檢驗(yàn)加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常。疲勞試驗(yàn)階段：首先將荷載加至荷載下限，調(diào)節(jié)加載頻率，施加荷載上限，然后以頻率1HZ的正弦波進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。采用荷載控制方式，當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)N到達(dá)預(yù)定次數(shù)時(shí)，停止疲勞荷載，先卸載至零，兩側(cè)梁、碳纖維和殘余應(yīng)變，殘余撓度等，在分級加載到疲勞荷載下限和上限，兩側(cè)鋼梁的應(yīng)變，碳纖維的應(yīng)變和梁的撓度等。 （四）理論分析理論分析時(shí)由試驗(yàn)機(jī)的外荷載和支座反力按照平截面假定計(jì)算出各個(gè)破壞面的應(yīng)力。對于彎曲加固和剪力加固的試驗(yàn)再生梁按照

14、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）建議的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變方程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中取鋼筋為二線性的關(guān)系曲線，纖維布采用直線關(guān)系。將理論計(jì)算出來的彎曲應(yīng)力、極限應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較分析，從而得出承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較，如圖表6所示。再生梁的撓度可以看做是梁中部的撓度和支座撓度的疊加，并且按照撓度計(jì)算的相關(guān)規(guī)范，計(jì)算出量的剛度從而計(jì)算梁的撓度，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。表6：試驗(yàn)梁的試驗(yàn)值與理論計(jì)算值比較：試件編號開裂荷載屈服荷載極限荷載試驗(yàn)值/kN計(jì)算值/kN相對誤差/%試驗(yàn)值/kN計(jì)算值/kN相對誤差/%試驗(yàn)值/kN計(jì)算值/kN相對誤差/%（五）有限元分析對于上述加固方案，應(yīng)用Abaq

15、us進(jìn)行模擬分析，從而把有限元模擬值和實(shí)際值進(jìn)行對照。在有限元軟件分析中采用了如下的假定：（1）在受力的過程中，CFRP布的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)方程；（2）鋼筋與混凝土、CFRP與混凝土之間有很好的粘結(jié)，無相對的滑移。軟件中采用的本夠關(guān)系：（1）鋼筋為理想的彈塑性模型；（2）再生混凝土的本夠關(guān)系參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行；CFRP為理想線彈性模型。并且設(shè)定碳纖維的應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，則認(rèn)為纖維斷裂，計(jì)算終止。六、試驗(yàn)步驟1、試驗(yàn)前應(yīng)充分準(zhǔn)備:熟悉各項(xiàng)試驗(yàn)儀器的操作，制作試驗(yàn)再生梁試件等；2、將對比梁、不同再生骨料取代率的梁進(jìn)行澆注，試件養(yǎng)護(hù)28天后，先將再生混凝土梁底的表面打

16、磨光滑，去掉1-2mm表面疏松層，并將浮灰清楚干凈；3、粘貼纖維布之前先用丙酮擦洗再生混凝土表面，均勻涂上一層環(huán)氧樹脂底膠，在用浸漬過碳纖維膠的碳纖維布貼在梁底并沿纖維的受力方向趕壓出氣泡，以使纖維布和混凝土緊密粘結(jié)。碳纖維膠固化7天后達(dá)到所需強(qiáng)度后進(jìn)行加載試驗(yàn)。4、安裝試，進(jìn)行靜載試驗(yàn)。正式加載前，先對每個(gè)試件預(yù)加2KN的力，檢查所有的儀器時(shí)候正常，并消除各種接觸不良現(xiàn)象；5、安裝試件，進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，加載直至變形發(fā)展出現(xiàn)荷載下降為止，測度有關(guān)數(shù)據(jù)，并且密切觀察裂縫變化情況，特別注意梁中彎矩最大處的撓度和裂縫發(fā)展情況；6、安裝試件，進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，連續(xù)加載直至隨變形發(fā)展出現(xiàn)荷載下降為止，測度有段

17、數(shù)據(jù)，特別注意跨中撓度和支座處的應(yīng)變變化情況；7、安裝試件，進(jìn)行再生梁的疲勞試驗(yàn)。循環(huán)反復(fù)加載，加載頻率為1HZ，循環(huán)次數(shù)擬定在200萬次。在一定循環(huán)次數(shù)時(shí)進(jìn)行實(shí)測，做好數(shù)據(jù)和現(xiàn)象記錄；8、初步整理數(shù)據(jù)和記錄；9、拆除試件，清理現(xiàn)場；10、形成試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告，發(fā)表學(xué)術(shù)論文；七、試驗(yàn)結(jié)果匯總和分析（一）加固混凝土再生梁的抗彎性能對于試驗(yàn)過程中的應(yīng)變值，開裂荷載值，極限應(yīng)變值及試驗(yàn)梁的撓度值做詳細(xì)記錄，并匯總?cè)缦拢?、試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表1：加固后梁的抗彎試驗(yàn)結(jié)果編號開裂荷載/kN極限荷載/kN開裂彎矩/kN·m-1極限彎矩/ kN·m-1極限荷載提高率/%梁的破壞特征彎曲裂縫粘結(jié)破壞纖維板斷裂表2：鋼筋的極限應(yīng)變、裂縫的寬度和撓度編號1234567891011121314151617181920鋼筋極限應(yīng)變裂縫寬度/mm撓度/mm2、繪制試驗(yàn)曲線通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們將得到如下試驗(yàn)曲線：載荷-撓度曲線；載荷-鋼筋應(yīng)變曲線；載荷-碳纖維應(yīng)變曲線，荷載-裂縫寬度曲線；（二）加固混凝土再生梁的抗剪性能對于試驗(yàn)梁進(jìn)行抗剪加固試驗(yàn)后，