RC梁正截面加固对斜截面抗剪性能的影响试验研究
2021-03-03
来源:乌哈旅游
第34卷第5期 2012年10月 工程抗震与加固改造 VolJ 34.No.5 Oct.2012 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting [文章编号] 1002-8412(2012)05 ̄040.05 RC梁正截面加固对斜截面抗剪性能的影响试验研究 郭 蓉,王荣霞,赵少伟(河北工业大学土木工程学院,天津300401) [提 要] 设计并制作了11根钢筋混凝土梁,对采用碳纤维布进行抗弯加固的梁与未加固的对比梁分组进行了静载试验, 研究了抗弯加固及碳纤维用量对构件斜截面抗剪性能的影响作用。研究结果表明:采用碳纤维布进行正截面抗弯加固,其加 固方式及粘贴用量对斜裂缝的开裂荷载影响不大,但会影响结构破坏的形式及特征。正截面抗弯加固有利于提高抗剪承载 力,但是并不显著。 [关键词] 钢筋混凝土梁;碳纤维;抗弯加固;抗剪性能;试验研究 [中图分类号]TU375.1 [文献标识码] A Experimental Study on the Influence of Strengthening the Moment Capacity for Diagonal Shear Capacity of RC Beams Guo Rong,Wang Rong—xia,Zhao Shao—wei(School ofCivilEngineering,Hebei UniversityofTechnology,Tianjin 300401,China) Abstract:By designing and making 1 1 RC beams,the static experimental studies are carried out through the comparison between the beams strengthened in flexure with CFRP and the non—reinforced ones,in order to study on the influence of strengthening the moment capacity for diagonal shear capacity of RC beams.The results show that the moment reinforcement and the amount of CFRP have little effect on the diagonal crack load;It could change the failure pattern and the failure characteristics;It is beneficial to improve the diagonal shear capacity,but the amplitude of improving is not significant. Keywords:RC beam;CFRP;strengthening the moment capacity;diagonal shear capacity;experimental study E-mail:tjygr@126.com 近十几年来,碳纤维布以其强度高、方便施工、 耐久性好的优点,在钢筋混凝土结构加固工程中的 应用得到了迅猛发展,国内外有许多学者进行了相 用性,具有重要的理论意义和工程实用价值。 1试验概况 1.1试验梁设计和制作 关理论和试验研究。但现有资料表明,目前对碳纤 维布加固钢筋混凝土梁的研究大都集中于简支梁的 抗弯或抗剪加固,包括加固前后梁的承载力、裂缝、 本文设计制作了11根尺寸相同的钢筋混凝土 试验梁,梁的截面尺寸及配筋见图1所示。梁全长 2.0m,计算跨径1.8m,截面尺寸为b X h=150mm X 250mm,梁下部受拉钢筋为1生16+2生l4,架力筋 为2512;箍筋为 8@200,梁的配筋率为1.53%。 试验梁按实测的混凝土强度分为4组,每组的 挠度、动载疲劳性能、预应力加固性能等方面,在碳 纤维抗弯加固对斜截面抗剪性能的影响研究方面尚 未见报道 。 本课题通过不同粘贴方式的碳纤维布加固试验 梁的室内加载试验,对钢筋混凝土构件抗弯加固对 斜截面抗剪性能的影响进行了研究,课题研究成果 将完善结构加固理论,提高加固结构的安全性和适 第一根梁作为试验对比梁不进行加固,其余梁分别 在梁底粘贴2层碳纤维或3层碳纤维进行正截面抗 弯加固,试验梁分组及抗弯加固情况见表1所示。 本文对加固梁和对比梁分别进行静载试验,对比研 究各试验梁的抗弯性能和抗剪性能。 1.2试验梁材料特性 [收稿日期]2011—12—26 [基金项目] 河北省教育厅科研计划(2008314) 实测钢筋力学性能见表2所示,实测碳纤维力 第34卷第5期 郭蓉,等:RC梁正截面加固对斜截面抗剪性能的影响试验研究 ’ II ② 180o L‘ __j II ——l l 梁底粘贴碳纤维布 100 2000 图1试验梁尺寸及配筋图 Fig.1 Dimension and steel details of specimens 学性能见表3所示。 表1试验梁加固情况 Table 1 Reinforcement details of experimental beams 1.3试验加载及测试 本次试验采用三分点加载,支座和加载点之间 的距离为0.6m,梁中间部分为纯弯段。试验过程中 主要量测:各级荷载下梁裂缝发展情况;梁端和跨中 挠度;跨中梁侧面混凝土应变;跨中梁底钢筋和碳纤 维应变。抗弯加固梁测点布置情况如图2所示。 lz 梁分组 实测混凝土 梁编号 强度(MPa) 加固情况 CLl一1 第一组 22.8 CL1—2 CL1—3 CL2.1 ● 对比梁未加固 粘贴2层碳纤维布 粘贴3层碳纤维布 对比梁未加固 粘贴2层碳纤维布 日位移计l \ 混凝土应变唇 喜 \l/ 位移计2口 第二组 27.9 CL2.2 下【 9o0…碳纤维应变片 移计。 900 z L ̄1800 图2抗弯加固粱测点布置图 Fig.2 The layout of measuring points z 【 CL3.1 第三组 3O.9 CL3—2 对比梁未加固 粘贴2层碳纤维布 CL3.3 CL4.1 第四组 30.6 CL4—2 CL4.3 粘贴3层碳纤维布 对比梁未加固 粘贴2层碳纤维布 粘贴3层碳纤维布 2试验结果分析 2.1加固梁与对比梁的开裂现象比较 2.1.1对比梁开裂现象 4根对比梁的破坏现象相似,本文以第一组的 对比梁CL1—1梁为例进行说明。 CL1—1梁在加荷至15.40kN时,跨中梁底开始 出现裂缝;当继续增加荷载,裂缝数量及分布范围增 表2钢筋力学性能 Table 2 Mechanics performance of steel bar 钢筋直径 (film) 16 14 8 屈服强度 (N/ram ) 380 370 245 极限抗拉强度 (N/mm ) 540 535 350 弹性模量 (×10 MPa) 2.O 2.0 2.O 多,宽度加大,基本分布在跨中的纯弯段,且裂缝高 度均在中和轴以下,两侧的弯剪区几乎没有裂缝;在 加荷为70.0kN时出现第一条斜裂缝,随后跨中区 段裂缝不断向上开展,中和轴迅速上升;当加荷达到 92.42kN时,跨中区段最大裂缝宽度超过1.5mm,并 沿开裂最剧烈处形成破坏截面,构件宣告破坏。对 比梁现场破坏斜裂缝现象见图3所示。 2.1.2加固梁开裂现象 表3碳纤维力学性能 Table 3 Mechanics performance of carbon fiber 碳纤维厚度 (Him) O.167 延伸率 (%) 2.05 抗拉强度 (N/ram ) 4053 弹性模量 (×10 MPa) 2.12 在进行碳纤维加固后,梁的极限荷载均比未加 固梁有所提高。在达到破坏时,加固梁跨中区段出 现的裂缝更多且更加细密,斜裂缝发展也更加明显。 同对比梁相比,加固梁的破坏现象由适筋梁的受弯 第34卷第5期 郭蓉,等:RC粱正截面加固对斜截面抗剪性能的影响试验研究 ・43・ 表5试验梁的开裂荷载及极限承载力比较表 Table.5 The capacity of the beams reinforced by carbon fiber 梁编号 开裂荷载 开裂荷载 极限承载力 极限承载力 破坏类型 (kN) 提高幅度(%) (kN) 提高幅度(%) CL1—1 15.40 92.42 _—— 适筋破坏 CL1—2 15.6O 1.3O 12O.70 30.6 剪切破坏 CL1—3 15.75 2.27 124.63 34.8 剪切破坏 CL2.1 15.45 1O3.29 _—— 适筋破坏 CL2—2 19.80 28.16 127.11 23.1 剪切破坏 CL3—1 19.73 106.31 __—— 适筋破坏 CL3—2 20.95 6.18 137.65 29.5 剪切破坏 CL3.3 22.60 14.55 l49.13 40.3 剪切破坏 CI .1 18.93 99.33 。—— 适筋破坏 CL4—2 25.14 32.81 l32.32 33.2 剪切破坏 CL4—3 25.23 33.28 l37.68 38.6 剪切破坏 力比较而得。由表5可知: 凝土结构设计规范》(GB 50010.2010)…中抗剪公 (1)不同混凝土强度加固梁极限承载力不同。 式计算而得,公式中混凝土抗压强度值取为实测抗 开裂荷载和极限承载力随着混凝土强度的提高而增 压强度值,且计算中未考虑抗弯加固用碳纤维布的 大,加固梁CL3-3相比加固梁CL1—3,极限承载力提 影响。 高了19.6%,说明混凝土强度是影响加固构件承载 表6 梁受剪承载力计算值与试验值对照表 力的主要因素。 表6 The comparison of beam capicility between (2)采用碳纤维布加固后的试验梁,其开裂荷 calculated and tested 载比相同混凝土等级的未加固梁略有提高,提高幅 度不大,而极限承载力均比相应的未加固梁有较大 梁编号 理论值(kN) 实测值(kN) 偏差(%) 程度提高,最大提高幅度达到了40.3%,且表现为 CL1.2 43.15 6O.35 39.86 碳纤维的用量越多,极限承载力提高幅度越大。但 CL1—3 43.15 62.31 44.40 是,承载力的提高幅度并不和碳纤维用量成正比,粘 CL2—2 49.63 63.55 28.O5 贴3层碳纤维的利用率要低于粘贴2层的。说明增 CL3—2 53.44 68.82 28.78 加加固材料用量并不能无限制提高结构承载力。 CL3—3 53.44 74.56 39.52 (3)由于试验梁在弯剪区所配箍筋间距较大, CL4—2 53.O6 66.16 24.69 且加固时没有进行斜截面加固,所以当采用碳纤维 CL4—3 53.06 68.84 29.74 进行抗弯加固后,试验梁的破坏形式都由受弯破坏 转变成了斜截面剪切破坏。这说明了进行正截面抗 采用现行混凝土规范公式计算上述试验梁抗剪 弯加固时,还需要考虑同时提高斜截面抗剪能力,否 承载力理论值与试验值的比较绘于图6中。从图中 则会出现“强弯弱剪”现象,使结构产生延性较差的 可以看出,采用规范公式计算试验梁抗剪承载力的 脆性破坏,从而影响加固效果。 设计值均比试验值要低(从表格数据可知偏差幅度 2.4加固试验梁斜截面受剪承载力分析 在24.69%~44.40%),特别是粘贴3层碳纤维的 表6所示为各试验梁受剪承载力理论计算值与 加固梁试验值均比粘贴2层碳纤维加固梁的试验值 实测值的比较结果。其中,理论计算值是根据《混 要高,说明粘贴碳纤维进行抗弯加固有利于提高抗 -r程抗震与加固改造 2012年10月 加固材料的影响。并且在抗弯加固的同时,适当考 虑抗剪加固,以免出现“强弯弱剪”的脆性破坏现 象,从而影响加固效果。 参考文献(References): [1] 吴波,王维俊.碳纤维布加固钢筋混凝土框架节点的 抗震性能试验[J].土木工程学报,2005,38(4):60 ~64 图6试验梁的理论值 与试验值 比较 Fig.6 The comparison between theoretical value Vd and experimental results V Wu Bo,Wang Wei—jun.An Experimental study on the Seismic Behavior of Beam—column Joints Strengthened with Carbon Fiber Sheets[J].China Civil Engineering Journal,2005,38(4):60~64(in Chinese) 剪承载力,但是对此类抗弯加固构件,采用现行规范 计算抗剪承载力偏于安全保守。 3 结论 本课题通过对不同粘贴方式的碳纤维布加固试 [2] 王新玲,范建伟,王华.CFRP布加固损伤钢筋混凝土 框架的抗震试验研究[J].世界地震工程,2009,25 (3):l19~123 Wang Xin—ling,Fan Jian—wei,Wang Hua.Experimental Study on the Damaged RC Frame Structure Strengthened 验梁和对比梁的三分点加载试验,对钢筋混凝土梁 抗弯加固对斜截面抗剪性能的影响进行了研究,包 with CFRP under Low—cycle Repeated Load[J].World Earthquake Engineering,2009,25(3):119~123(in Chinese) 括斜裂缝的开展、受剪承载力等。由试验结果分析 可以得到如下结论: [3] 吕西林.建筑结构加固设计[M].北京:科学出版 社。2001 (1)试验梁采用碳纤维布进行正截面抗弯加 固,加固材料的粘贴用量对斜裂缝的开裂荷载影响 不大。 Lv xi—lin.Strengthening Design of Stuctrures[M]. Beijing:Science Press,2001(in Chinese) (2)采用碳纤维布加固后的试验梁,其极限承 载力均比相应的未加固梁有所提高,但提高幅值并 [4] 吕西林,等.房屋结构抗震设计理论与实例[M].上 海:同济大学出版社,1995 Lv Xi—lin.et a1.Design Theory and Examples for 随碳纤维用量的增加呈明显增长,说明增加加固材 料用量并不能无限制提高结构承载力。 (3)采用碳纤维进行抗弯加固后,试验梁的破 坏形式由受弯破坏转变成了斜截面剪切破坏。这说 Structural Seismic[M].Shanghai:Tongji University Press,1995(in Chinese) [5] GB50367—2006,混凝土结构加固设计规范[s] GB50367-2006,Design Code for Strengthening Concrete 明进行正截面抗弯加固时,还需要考虑同时提高斜 截面抗剪能力,否则会出现“强弯弱剪”的脆性破坏 现象而影响加固效果。 Structure[s](in Chinese) [6] 牛松山.碳纤维加固混凝土梁的试验研究[D].重庆: 重庆大学,2002 Niu Song-shan. Experimental Study ofCarbon-fiber (4)粘贴碳纤维进行抗弯加固有利于提高抗剪 承载力,但是对此类抗弯加固构件,采用现行规范计 Composite Reinforced Concrete Beams[D].Chongqing: Chongqing University,2002(in Chinese) 算抗剪承载力偏于安全保守。 本课题在试验研究的基础上,建议对抗弯加固 构件进行抗剪承载力设计计算时,应适当考虑抗弯 [7] GB50010—2010,混凝土结构设计规范[s] GB50010—2010,Code for Design of Concrete Structures [S](in Chinese) [作者简介] 郭蓉(1974一),女,博士,研究方向:混凝土结构加固