碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的试验.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的试验.精品文档.碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的试验第26卷第1期2005年1月江苏大学(自然科学版)JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition)VoI_26No.1Jan.2005碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的试验刘荣桂,朱红梅,张益多(江苏大学理学院.江苏镇江212013)摘要:设计了碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的试验.通过试验,比较了加固前后的钢筋混凝土开孔平板的开裂荷载,极限荷栽,破坏形态和变形性能,以及不同开孔位置和不同碳纤维层数对加固后板性能的影响,

2、并从断裂力学角度对试验过程进行了理论分析.试验结果表明:采用碳纤维加固提高了开孔平板的开裂荷载,极限荷载和刚度,改变了裂缝的扩展形态.板最终的破坏形态主要是受压区混凝土压碎和碳纤维剥离,因此保证粘结面的粘结强度很重要.关键词:开孔平板;碳纤维;加固中图分类号:TU378,5文献标识码:A文章编号:16717775(2005)01008405ExperimentalofRCfiatplatewithopeningsstrengthenedbyCFRPLIURonggui,ZHUHongmei,ZHANGYiduo(FacuhofScience,JiangsuUniversity,Zhenjian

3、g.Jiangsu212013,China)Abstract:ExperimentwasdesignedtoinvestigatethestrengtheningofconcretefiatplateswithopeningusingexternallybondedCFRP,Thecrackingload,ultimatetoad,breakingformsandstiffnessofthestrengthenedfiatplateswerecomparedwiththoseoftheunstrengthenedfiatplate.Theresultoftheexperimentwasanal

4、yzedwiththeoriesoffracture.Theresultshowedthatthecrackingload,ultimateloadandstiffnessoftheconcretefiatplatesstrengthenedwithexternallybondedCFRPallincreasedgreatly.ThebreakingformsofthefiatplatesaremainlythatconcretebrokeincompressionandCFRPseparatedfromconcrete.Therefore,theintensityofadhesiveisve

5、ryimportantforstrengthening.Keywords:fiatplatewithopening;CFRP;strengthening1997年,我国正式开始对碳纤维增强塑料(CFRP)加固修复土木建筑结构进行研究,到目前为止已经取得了大量的科研成果.国内外的研究成果仍以碳纤维加固混凝土梁的研究较多,板的研究相对较少,主要是采用外贴CFRP或钢条加固混凝土双向板的研究以及采用CFRP加固预应力混凝土板一的一些初步研究,外贴碳纤维加固混凝土板的动态研究的资料极少.在智能建筑中,梁,板上开孑L的现象很多,开孑L之后板原有的受力性能发生了改变,孑L口周围成为薄弱区域.由于CFRP增

6、强加固钢筋混凝土开孑L平板的研究还未见报道,针对这种情况作者设计了碳纤维加固开孑L平板的试验,侧重于加固开孑L平板的静态特性研究.在试验的基础上,研究了采用碳纤维加固之后混凝土开孑L平板的开裂荷载,极限荷载,加固之后的变形性能,裂缝形态以及最终的破坏形态,从断裂力学的角度分析了碳纤维加固后开裂荷载和极限荷载提高的原因.1试验简介1.1试件制作制作柱结构的开孑L方板5块,编号为B至B.收稿日期:20040610基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178018)作者简介:刘荣桂(1957一).男,江苏江都人,教授(jjcujs.edu.ca).主要从事预应力结构的研究第1期刘荣桂等:碳纤维加固

7、钢筋混凝土开孔平板的试验板的外型尺寸均为1850mm1850mm75mm,开孔大小以及CFRP尺寸,层数等参数见表1.表1试件参数Tab.1Parameterofspecimen注:B5开孔位置是从板中心向与板边缘平仃的方向平移300mm.板的四角由大小为150mm150mm150mm的柱支撑,柱中心距板边缘150mm.板的混凝土强度设计值为C25;板底配筋为66.5150,在孔四周每边采用一根12钢筋通长加强,板面四角540mm540mm范围内配筋为12100.板的加固方式是在孔四周井字形粘贴CFRP条带,详细的加固型式见图1.图1加固形式示意图Fig.1Sketchmapofstrengt

8、heningform各种材料特性详见表2,其中混凝土和钢筋的材料特性为试验值,CFRP条带和结构胶的材料参数则由生产厂商提供.表2试件材料规格及特性Tab.2SpecificationandpropertiesofspecimenSmaterial1.2试验装置及测试内容试验板的装置见图2.板角的小柱子直接支撑在预制的混凝土柱上.加载时先采用重力块堆载,加至2t后,再用反力架通过两个20t的千斤顶和分配梁进行4点加载.试验时加载制度为每级1t,在接近开裂和破坏时每级0.5t.在每级荷载作用下,均记录各测试数据.图2试验加载装置Fig.2Loadingsetofexperiment试验中测试内容

9、包括:通过油压千斤顶的精密压力表对板的开裂荷载和极限荷载进行测量;采用华东电子仪器厂生产的YJ28A.P10R型应变仪及配套预调平衡箱对孔口附近的钢筋,混凝土和CFRP的应变进行测量(应变片为BE1204AA和BE120.10AA型);采用位移百分表对跨中板带的挠度进行测量.并采用声发射仪监测,观察裂缝的产生,加载过程中裂缝的发展及破坏时的裂缝分布情况,每级荷载加完后都用不同颜色记号笔描出裂缝的发展方向.2试验结果分析2.1开裂荷载,极限荷载与破坏形态表3列出了试验测得的开裂荷载和极限荷载以及加固后的提高幅度.由表中可见加固板的开裂荷载几乎接近,极限荷载值则是采用两层加固的B最大,开孔较大的B

10、最小.在加固后不管是开裂荷载还是极限荷载都有了一定的提高,且极限荷载的提高幅度要大于开裂荷载的提高幅度.这是由于在开裂前混凝土承受着绝大部分拉力,碳纤维受力很小,但对微裂缝也有一定的限制作用,所以开裂荷载虽有提高,但幅度不是很大;开裂之后混凝土渐渐退出工作,碳纤维逐渐代替混凝土受拉,所以加固后极限荷载的提高幅度明显大于开裂荷载的提高幅度.江苏大学(自然科学版)第26卷表3开裂荷载和极限荷载Tab.3Crackingloadandultimateload2.2裂缝发展及破坏形态由于孑L角处存在应力集中,5块板都首先在四个孑L角处出现细小裂缝.对比板B.的裂缝约呈45.向外伸展,随后在板的两中轴线

11、附近先后出现34条与中轴线平行的裂缝,裂缝宽度发展较快,逐渐超过孑L口处的裂缝,形成主裂缝;由于柱周围存在的冲切力,在破坏之前,四个角柱的周围出现环状裂缝.而加固板的裂缝则是沿CFRP条带内侧边缘与孑L边垂直的方向向外发展.总体上看,加固板的裂缝比对比板的裂缝出现得晚一些,发展缓慢些,最终的裂缝多而且密集,最终形成沿中轴线方向的主裂缝;碳纤维对柱角也有一定的加强作用,削弱了柱角的冲切力,柱角环状裂缝不甚明显.板最终破坏时,B.受压区的混凝土被压碎,加固板B:混凝土被压碎,碳纤维也发生粘结破坏并且局部发生断裂,B至B的碳纤维也发生粘结破坏,混凝土被压碎.可见加固后的破坏形态主要取决于粘结层的性能

12、.往往都是碳纤维未达到本身的破坏极限状态就发生了粘结层的破坏,这样受压区的混凝土迅速达到极限抗压强度,发生受压破坏.2.3变形刚度在图3中给出了5块试验板孑L口处的荷载P一挠度6曲线.P/kN图3荷载一挠度曲线Fig.3Loaddeflectioncurves曲线表明,在外荷载小于对比板B.的开裂荷载时,各试验板的变形刚度差别不大.当荷载超过B.的开裂荷载后,加固板的变形刚度基本保持不变,大体上一致,而对比板的刚度退化较大,挠度增加较快.在相同荷载情况下,采用两层加固的B挠度是最小的,可见两层碳纤维增加的刚度较大.B开孑L较大,在相同荷载情况下,它的挠度仅低于B.表明了弹性比例极限点的位置随着

13、碳纤维的面积,层数的增大而提高,但随着开孑L面积的增大而降低.另外可以从曲线上看出碳纤维加固在板开裂之前所提高的刚度不甚明显,在开裂之后刚度有了很明显的提高.2.4钢筋的荷载一应变关系图4给出了孑L口处钢筋的荷载P一应变占曲线.在图中可以看出对比板B.的钢筋最早屈服,B钢筋最迟屈服.总体上来说,刚开始受载时钢筋处于弹性状态,当混凝土板开裂之后,应力重分布之后,拉力主要由CFRP承担,钢筋的应变随着荷载的增加平缓增加.当裂缝深度发展到钢筋时,钢筋的应变会发生突然增加,然后保持这个增长趋势直至碳纤维发生剥离,钢筋再度承担大部分荷载,应变大幅度增加直至破坏.p图4孔口钢筋荷载一应变曲线Fig.4Lo

14、adstraincurveofthesteelnearthehole2.5CFRP的荷载一应变关系图5和图6是孑L口处碳纤维的荷载一应变曲线.P,lIN图5B:一B孔口处CFRP荷载一应变曲线Fig.5LoadstraincurveofCFRPneartheholeofB2一B4图6中给出了混凝土板B孑L口处三个不同部位的CFRP应变值,位置1位于偏孑L远离板边缘的654321n_oll第1期刘荣桂等:碳纤维加固钢筋混凝土开孔平板的87一侧,位置2位于偏孔对称位置的两侧,位置3位于偏TLTLEl的外侧.在混凝土板未开裂之前,碳纤维处于弹性状态,曲线呈现较好的线性;当混凝土板开裂之后,碳纤维代替

15、混凝土受力并且约束裂缝的发展,应变增长的幅度有所增加.图6中可以看出在相同的荷载下开偏孔的混凝土板,孔口的应变,在外侧的最大,内侧的最小,孔口对称两侧的应变介于内侧和外侧的应变之间.P7kN图6B孔口不同位置CFRP荷载一应变曲线Fig.6LoadstraincurveofCFRPneartheholeofB52.6声发射结果试验过程中声发射监测至混凝土板出现较明显的裂缝为止.图7给出了B声发射参数图,可以发现碳纤维加固的开孔平板在加载过程中有多次较大的能量释放,反映了碳纤维加固的混凝土开孔平板所具有的声发射特征.混凝土出现第一道裂缝产生一次较大的能量释放,由于碳纤维的阻裂作用,能量释放降低,

16、加载至克服碳纤维的阻裂时,该裂纹进一步开裂扩展再次释放较大能量,直至最后出现明显的裂缝.JI】jll山t/s图7B:的声发射Fig.7AcousticemissionofB2根据声发射采集的数据进行损伤定位后,将得到的一系列定位点,用曲线进行连接,得到材料内部的损伤曲线,将其与B的最终裂缝形态进行比较,如图8所示.可以发现,加固板的最终裂缝形态和损伤定位点连接的曲线近似,可见采用声发射来检测材料内部损伤的情况可以较准确地预测裂缝的出现位置以及最终的裂缝形态.图8损伤定位曲线与最终裂缝形态Fig.8Orientationcurveofdamageandformoffinalcrack3破坏过程的

17、断裂力学分析当裂纹的应力强度因子达到混凝土的断裂韧性,即K=K.:时,裂纹才会失稳扩展.当混凝土板开裂之后,外贴的碳纤维相当于在裂纹的尖端施加了一对集中闭合荷载.根据叠加原理,裂纹深度还没有达到钢筋时,其受载状态可以分解成图9所示的A状态和B状态.A中仅考虑混凝土的阻裂作用,B中仅考虑碳纤维的阻裂作用,这时的K=K+.A状态裂纹的应力强度因子K=Ftr-4S,在裂缝尖端施加一对张开的集中力,可由应力强度因子手册查得应力强度因子为K=2FP./v/订口,其中,P.为集中闭合力,口为裂纹的长度,F由集中闭合力P.的大小,裂纹的长度等一些参数决定.在B状态中,裂缝尖端施加的一对闭合力与公式中的P.方

18、向相反,为负值.也就是说,碳纤维加固后在裂缝尖端施加了一对闭合力,使得应力强度因子减小了2F,P./-4ga,由断裂判据可见裂纹失稳扩展所需的荷载增加.图9裂纹未到达钢筋时受力条件分解Fig.9Analysisofthecrackthathasnotreachedreinforcingsteel随着荷载增加,裂纹失稳扩展深度越过钢筋之后,裂纹的受力状态还要加上钢筋的阻裂作用,分解见图10.此时的KI=K+K.C中在裂纹的中部施加了一对闭合集中荷载,此时的应力强度因子也可由应力强度因子手册_8查得,同样钢筋作用也产生了负的应力强度因子,再次减小了裂纹的应力强度因子.由K=K可知,穿越钢筋的裂纹相

19、对于原先裂纹再次扩展所需的荷载增加.两次阻裂作用使得混凝土开孔平板的极限荷载得到了增加.208642.一4321O0_I,江苏大学(自然科学版)第26卷图10裂纹超过钢筋时受力条件分解Fig.10Analysisofthecrackthathasoverreachedreinforcingsteel在未开裂前,混凝土,碳纤维和钢筋的应变协调一致,随着荷载的增加,裂纹扩展,当碳纤维的应变大于混凝土的应变时,也就是他们的应变不协调时,碳纤维发生了局部粘结破坏,这时施加在裂纹尖端的集中闭合力的作用点发生了变化,渐渐远离了裂纹面,碳纤维产生的负应力强度因子减小,裂纹总的应力强度因子增大了,碳纤维的阻裂

20、作用随着粘结破坏的发展渐渐减弱.在裂纹扩展的过程中,裂纹两端一定范围内钢筋也会和混凝土发生局部粘结破坏,阻裂作用减弱.碳纤维和钢筋相比,由于目前结构胶的性能还不是很完善,更容易发生粘结破坏.在计算分析中,局部粘结破坏的影响有待进一步探讨.4结论通过碳纤维片材加固钢筋混凝土开孑L平板的试验,详细研究了碳纤维加固后梁的结构性能,对碳纤维加固钢筋混凝土开孑L平板的设计具有一定的参考价值.通过研究,得到以下结论:(1)板面承受均匀荷载的开孑L平板,板底孑L口处采用碳纤维进行增强加固能提高板的开裂荷载和极限荷载,且极限荷载的提高幅度大于开裂荷载.提高的幅度与碳纤维的层数和厚度,开孑L的大小和位置有关.(

21、2)加固板的最终破坏形态主要是受压区混凝土压碎,碳纤维发生粘结破坏,碳纤维的性能没能充分发挥.因此结构胶的性能有待改善,以保证粘结效果,提高材料的使用率.(3)采用了CFRP之后,碳纤维提高了板的刚度和延性,相同荷载下,加固板的挠度明显小于未加固板的挠度.加固板的极限挠度比未加固板的极限挠度提高了1.52.0倍.(4)采用声发射监测加固的开孑L板,可以较准确地定位板内部的损伤,预测裂缝的出现位置.(5)从断裂力学角度分析,裂缝扩展过程中,碳纤维的阻裂作用随着局部粘结破坏的发生逐渐减弱.参考文献(References)1LIMANOualid,FORGETGilles,EHRLACHERMain

22、.RCtwowayslabsstrengthenedwithCFRPstrips:experimentalstudyandalimitanalysisapproachJ.Com-positeStructures,2001,60(4):467471.2ZHANGJi?wen,TENGJing?guang,HUANGYulong.Behavioroftwo-wayRCslabsexternallybondedwithsteelplateJ.JournalofStructureEngineeringASCE,2001,127(4):390397.3方德平.CFRP或钢条带加固砼双向板的承载力分析J.

23、华侨大学(自然科学版),2002,23(3):260262.FANGDe-ping.AnalysingthebearingcapacityoftwowayconcreteslabsreinforcedwithCFRPorsteelstripsJ.JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScienceEdi-tion),2002,23(3):260262.(inChinese)4SHAHAWYMA,BEITELMANT,AROCKIASAMYM.SOWRIRAJANR.Experimentalinvestigationonstructuralrepairandstre

24、ngtheningofdamagedprestressedconcreteslabsutilizingexternallyndedcarbonlaminatesJ.CompositesP曰:Engineering,1996,27(3):217224.5SHENHuishen,CHENYi,SUWen-lan.BendingandvibrationcharacteristicsofdamagedRCslabsstreng-thenedwithexternallybondedCFRPsheetsJ.CompositeStructures,2004,59(4):231242.6徐力,刘荣桂,韦芳芳.

25、开孔板的有限元分析J.江苏大学(自然科学版),2002,23(5):2830.XULi,LIURong-gui,WEIFang-fang.TheanalysisonslabswithopeningwithfiniteelementmethodJ.Jour-halofJiangsuUniversity,2002,23(5):2830.(inChinese)7刘荣桂,李成绩,徐力.无粘结预应力开洞平板的试验和有限元分析J.江苏大学(自然科学版),2004,25(5):445448.LIURang?gui,LICheng-ji,XULi.Experimentonan-bandedpre?-stressedslabswithopeningandfiniteele?-mentanalysisJ.JourndofJiangsuUniversity(Natur-alScienceEdition),2004,25(5):445448.(inChi-nese)8中国航空研究所.应力强度因子手册M.北京:科学出版社,1981.(责任编辑陈持平)