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研究试验CFRP筋增强板加固石梁受弯性能

2020-05-26 146 上传者：管理员

摘要：为实现在不明显改变被加固构件外观的同时方便现场施工操作,提出了用于既有传统素石梁抗弯加固的预制CFRP筋增强板加固技术。进行了3根采用CFRP筋增强板加固的石梁试件和1根素石梁对比试件的受弯性能试验研究,主要试验参数为CFRP筋配筋率和石梁底面粗糙程度。结果表明:CFRP筋增强板加固技术显著改善了石梁的脆性破坏形态,有效提高了石梁的受弯承载力和变形能力;随着CFRP筋用量的增大,试件受弯承载力提高,加固效果更加显著;石梁底面粗糙度对加固石梁受弯性能的影响较小,机切与凿毛界面均可满足加固需求。试验过程中,CFRP筋增强板与被加固石梁之间的界面黏结性能较好,CFRP筋端部未出现滑移现象,确保了加固试件各部分的共同工作性能。石材的离散性较大,实际工程中应增加对石材材质的检测,避免出现使用较差材质石材产生的安全隐患。

关键词：
CFRP筋
受弯性能
建筑工程学
抗弯加固
石梁
静力试验
预制增强板
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引言

石梁板结构是我国闽南地区大量石砌民房及历史风貌建筑的主要楼屋盖形式，存在脆性断裂的潜在危险。为改善这类石结构受弯构件的破坏形态，提高石梁板在正常使用荷载和偶然荷载作用下的受力性能，研究人员相继提出不同的增强技术并开展试验及理论研究[1,2]。郭子雄等[3,4]进行了钢筋网改性砂浆加固石板受弯性能的试验研究，分析配筋率和砂浆强度对加固效果的影响。Xie等[5]通过试验研究了角钢-PET带组合加固足尺石梁的加固效果、破坏形态及受弯承载力。刘阳等[6]、Ye等[7]分别进行了表层嵌埋无预应力及预应力CFRP筋组合石梁的受弯性能研究，分析CFRP筋配筋率和预应力水平对组合石梁受弯承载力和变形能力的影响。Ye等[8]开展了表层嵌埋预应力CFRP筋组合石板的弯曲加载试验，研究配置不同预应力水平和不同数量CFRP筋时组合石板的受弯性能。张兴虎等[9]、谢剑等[10]分别进行了体外预应力技术加固大跨度石梁构件及足尺石梁受弯性能的试验研究。曹书文等[11]、武晓敏等[12]分别通过试验研究了CFRP布加固石梁的破坏形态、承载力及变形能力。

综上，目前已有的石梁板加固技术主要包括钢筋网改性砂浆加固、表层嵌埋CFRP筋、体外预应力加固等，均可在一定程度上提高石梁板的受弯承载力和变形能力。然而，上述加固技术用于既有石砌民房尤其是历史风貌石结构建筑加固时仍存在一定不足。例如，钢筋网改性砂浆加固技术、体外预应力加固技术等破坏了石梁板结构的原有外观;表层嵌埋CFRP筋技术虽然对被加固构件的外观影响较小，但现场施工操作困难。因此，实现在不明显改变被加固构件外观的同时方便现场施工操作，是对传统石梁板结构进行加固改造的关键。

为此，本文作者在表层嵌埋CFRP筋组合石梁技术的基础上，提出预制CFRP筋增强板加固石梁技术。通过在与被加固石梁同材质的薄石板中预埋CFRP筋形成增强板，并将增强板粘贴于石梁受拉底面从而实现抗弯加固。该技术在方便现场施工的同时有效保留了石梁外观。为验证这一技术的可行性，开展预制CFRP增强板加固石梁试件的受弯性能试验，研究嵌入CFRP筋的配筋率和石梁底面粗糙程度对加固效果的影响，以期为传统石结构受弯构件的快速原貌加固提供参考。

1、试验概况

1.1试件设计及制作

共设计制作3个预制增强板加固石梁试件(B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ、B-2d7-Ⅰ)和1个素石梁试件(B0)。各石梁(加固前)的截面尺寸均为b(宽)×h(高)=150mm×200mm，长度为2000mm。增强板的长度和宽度与被加固石梁相同，厚度为20mm。预制增强板加固石梁是通过在薄石板中开槽并嵌埋CFRP筋从而形成增强板，再将预制好的增强板粘贴固定于梁底受拉区。为减小对石梁原始外观的影响，增强板的石材采用与被加固石梁相同的材质。主要试验参数为CFRP筋配筋率和石梁底面粗糙程度。试件编号及试验参数见表1，试件具体截面特征及尺寸如图1所示。

表1试件参数

图1试件构造及几何尺寸

试验所用石材为产自福建省惠安县的花岗岩。石材材性按照JTGE41—2005《公路工程岩石试验规程》[13]要求进行测试。实测石材平均抗压强度为118.2MPa，平均劈裂强度为9.1MPa，弹性模量为45GPa。所用的CFRP筋表面螺旋缠裹纤维束，以增强与其他介质的握裹性能。CFRP筋实测抗拉强度为2853MPa，弹性模量为130GPa，断裂伸长率为2.21%。黏结剂采用HIT-RE500植筋锚固胶。

预制CFRP筋增强板加固石梁的施工过程如图2所示，具体步骤包括:1)按设计规格在薄石板表面沿长度方向开槽(图2a)，槽口截面宽度和深度均为CFRP筋直径(Db)的2倍;2)吹除槽道及薄石板表面残留的灰尘并进行冲水清洗，表面干燥后用胶枪向槽中注入约1/2槽深的黏结剂;3)将CFRP筋放入槽中，缓慢轻压至黏结剂完全覆盖CFRP筋(图2b);4)在增强板嵌筋一面涂刷黏结剂(图2c)，之后将增强板粘贴于待加固石梁受拉区表面，并静置至黏结剂固化(图2d)。

图2试件加固施工过程

1.2加载装置及加载制度

试验加载装置如图3a所示，采用四点弯曲加载法，计算跨度(L0)为1800mm，剪跨比约为3。荷载由液压伺服作动器通过分配梁平均传递至加载点(F1、F2)，两端支座分别为固定铰支座和滑动铰支座以模拟简支梁受力状态。为减小应力集中效应，在加载点和支座处设置刚度足够大的钢垫板。

试验采用力-位移混合控制的分级加载制度:试件开裂前采用力控制加载，每级荷载增量5kN，直至出现第一条裂缝;开裂后转为位移控制加载，每级位移增量3mm，直至试件破坏。每级持荷2min，进行裂缝观测。当跨中挠度(Δ)达到约12mm，对应Δ/L0=1/150，停止加载。

1.3测点布置

试验量测数据包括试件的挠度、纯弯段石梁应变沿截面高度分布、CFRP筋应变及梁端CFRP筋的滑移。每个试件在支座和跨中均布置电子位移计，以测量组合石梁的挠曲变形;在CFRP筋的端部安装电子位移计，以量测CFRP筋与石梁的相对滑移;在石梁跨中位置沿截面高度均匀布置应变计，以量测纯弯段内石梁的应变分布;在加载点及跨中截面的CFRP筋表面布置应变计，以量测加载过程中CFRP筋的应变发展规律。具体测点布置如图3b所示。

图3加载装置及量测布置

2、试验结果及其分析

2.1破坏形态

当加载至开裂荷载时，素石梁试件B0突然在纯弯段内发生脆性弯曲断裂(图4a)，无破坏征兆。随着荷载的增加，加固石梁纯弯段内产生新的弯曲裂缝及次生裂缝，同时原有裂缝沿梁高向上发展。试件的裂缝特征如图4所示，图中数字表示裂缝出现的顺序。加固石梁试件加载至最终挠度(12mm)左右时，裂缝向上延伸到距梁顶10～30mm位置。

图4典型破坏形态及裂缝分布(局部)

对于配筋率相对较低的试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ，在纯弯段内的梁底受拉区相继出现3～4条弯曲裂缝以及少量次生裂缝，裂缝扩展较快。除试件B-2d5-Ⅰ的第2条裂缝出现在纯弯段的外侧(图4b)，试件B-2d5-Ⅱ的裂缝均出现在纯弯段，裂缝发展方向与底面几乎垂直。达到最大加载挠度时，各试件最大裂缝宽度达到2～3mm。

与配筋率较低的试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ相比，配筋率较高的试件B-2d7-Ⅰ开裂后裂缝发展较为缓慢，裂缝宽度较小。同时，纯弯段主裂缝附近出现次生裂缝，次生裂缝向上发展后与主裂缝汇合，次生裂缝分布细而密(图4c)。可见，提高CFRP筋配筋率可有效抑制裂缝的开展。

此外，加载结束前，CFRP筋增强板与被加固石梁界面黏结良好，未出现界面剥离现象。石梁端部未出现CFRP筋滑移现象，体现出较好的端部锚固性能，如图5所示。

图5试件破坏形态(总体)

2.2荷载-挠度曲线

各试件的荷载P-跨中挠度Δ关系曲线见图6，典型P-Δ曲线如图7所示。图中，纵坐标P为F1与F2之和。主要特征点试验结果列于表2中。由图6和图7可见，所有加固试件的P-Δ曲线均呈现出起伏上升的发展趋势，试件受力主要呈三阶段发展:1)开裂前的弹性阶段。此阶段为开始加载到试件出现第1条裂缝，P-Δ曲线近似呈线性发展。2)开裂后的裂缝发展阶段，此阶段从石梁首次开裂至纯弯段裂缝充分发展。该阶段P-Δ曲线呈锯齿形上下波动，每次曲线下降对应一条新裂缝的产生，裂缝出现时荷载的下降幅度大约为开裂荷载的3%～67%。这是由于花岗岩石材的抗拉强度较高，石梁开裂时，原由受拉区石材承担的荷载传递至CFRP筋，CFRP筋需产生一定变形方能承担，因此荷载出现先急降后上升的趋势。3)裂缝稳定后的强化阶段。纯弯段裂缝充分发展后，荷载呈上升趋势，进入强化阶段。

图6荷载-挠度曲线

图7加固石梁典型荷载-挠度关系曲线

表2各试件主要试验结果

由试件P-Δ曲线(图6)可知，采用预制CFRP筋增强板加固的石梁试件的破坏方式均由脆性破坏转为具有一定变形能力的弯曲破坏形态。同时，加固后石梁试件的受弯承载力显著提高。可见，采用预制CFRP筋增强板对素石梁进行加固可以有效地改善石梁的脆断性能，提高石梁的受弯承载力和变形能力。

对比图6c和图6a、6b可见，随着CFRP筋配筋率的增大，裂缝出现时P-Δ曲线的波动程度有所降低，试件的受弯承载力有所提高。相比试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ，试件B-2d7-Ⅰ裂缝出现时荷载下降的平均幅度从开裂荷载的39%下降至10%。这主要是由于CFRP筋配筋率越大，CFRP筋在承受原本由石材承担的受拉作用时所需产生的应变越小，因此P-Δ曲线的波动减小。同时，试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ、B-2d7-Ⅰ受弯承载力较各自试件开裂荷载分别增大了33.6%、32.3%、40.6%。表明随着CFRP筋用量的增大，预制CFRP筋增强板的加固效果更加显著。

对比图6a和图6b可见，试件B-2d5-Ⅰ和试件B-2d5-Ⅱ的P-Δ曲线的形状和发展趋势基本一致。试件B-2d5-Ⅱ曲线上各峰值点的数值整体略高于试件B-2d5-Ⅰ的，而试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ受弯承载力较各自试件开裂荷载分别增大了33.6%、32.3%。表明石梁底面粗糙程度对加固石梁受弯性能的影响较小，两种界面处理措施均可满足加固需求。加固试件开裂荷载相差较大的主要原因是石材的离散性较大，实际工程中应增加对石材材质的检测，避免出现使用较差材质石材产生的安全隐患。

2.3跨中截面石材应变

加载过程中各石梁试件的跨中截面石材表面平均应变沿高度分布见图8。图中，实心标志为开裂前石材应变，空心标志为开裂后石材应变。可见，在石梁开裂前，素石梁试件顶部应变为1.78×10-4，底部应变为2.07×10-4。加固后石梁试件顶部应变平均为2.80×10-4，底部应变平均为3.47×10-4;素石梁和预制CFRP筋增强板加固石梁试件的截面应变分布和发展规律基本相同，均满足平截面假定;跨中石材应变沿梁高基本呈线性分布，CFRP筋应变与同高度花岗岩应变相近，表明石材与CFRP筋变形协调，二者无相对滑移。

石梁开裂后，受压区石梁应变沿梁高仍近似呈线性分布，加载结束前各石梁试件顶部应变平均达到7.72×10-4;受拉区石材退出工作，CFRP筋承受所有的受拉作用，应变增大。

2.4CFRP筋应变

荷载P-CFRP筋应变εc关系曲线如图9所示。在石梁开裂前，各石梁试件CFRP筋应变平均为2.66×10-4,CFRP筋应变随荷载增加近似呈线性增长。石梁开裂后，原本由石材承担的拉力突然传递给CFRP筋，导致裂缝两侧CFRP筋应变迅速增大，开始承担全部受拉作用。当新裂缝产生时，荷载下降，此时未开裂截面CFRP筋的应变出现回弹现象。因此，试件B-2d7-Ⅰ裂缝发生时CFRP筋应变突然减小。裂缝稳定后，CFRP筋应变随荷载的增大仍近似呈线性增长。

图8试件跨中截面应变分布

试验中量测到的CFRP筋最大应变反应了CFRP筋的材料强度发挥程度。在加载后期，试验中量测到的试件B-2d7-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ中CFRP筋最大应变分别为4.873×10-3、10.714×10-3。可见，小配筋率预制CFRP筋增强板加固石梁的CFRP筋更容易充分发挥作用。

图9荷载-CFRP筋应变关系曲线

3、结论与建议

1)将预制CFRP筋增强板粘贴于被加固素石梁的受拉底面，可有效改善石梁的脆性破坏形态，转变为具有一定变形能力的弯曲破坏模式。

2)试件B-2d5-Ⅰ、B-2d5-Ⅱ、B-2d7-Ⅰ受弯承载力较各自试件开裂荷载分别提升了33.6%、32.3%、40.6%，表明预制CFRP筋增强板加固石梁可显著提高石梁的受弯承载力，且随着CFRP筋用量的增大，预制CFRP筋增强板的加固效果更加显著。且石梁底面粗糙度对加固石梁受弯性能的影响较小，采用机切与凿毛界面均可满足加固需求。

3)CFRP筋增强板与被加固石梁之间的界面黏结性能较好，试验过程中未出现界面剥离破坏。CFRP筋端部未出现滑移现象，整体工作性能良好。

4)石材的离散性较大，实际工程中应增加对石材材质的检测，避免出现使用较差材质石材产生的安全隐患。

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