碳纤维布加固混凝土梁的高温性能研究

【摘要】： 碳纤维布(CFS)以其高强、轻质、耐久及施工便捷等优点,在混凝土结构加固领域得到了广泛应用。但碳纤维布及其与混凝土之间的环氧树脂类粘结材料在高温下会出现严重劣化,导致无防火保护的加固结构存在严重安全隐患。因此,积极开展碳纤维布加固混凝土结构的抗火性能研究,提出改善该类结构耐火性能的具体措施是十分必要的。本文从明火试验、数值模拟、参数分析和实用计算方法等方面,探讨了碳纤维布加固混凝土梁的火灾行为及耐火性能。本文主要工作如下: 1.对4根碳纤维布抗弯加固混凝土梁和1根未加固对比梁进行了明火试验,前者碳纤维布表面涂抹有非膨胀型防火涂料。试验考察了梁跨中裂缝对受拉钢筋温度的影响,以及防火涂料厚度相对较薄时加固梁的破坏形态、高温变形和耐火极限。试验结果表明:(1)加固梁在达到耐火极限之前相当长一段时间内的挠度及裂缝宽度和深度较小,跨中裂缝对受拉钢筋温度影响有限;(2)混凝土的爆裂脱落可使加固梁的高温破坏位置发生显著改变;(3)在实际荷载比不大于0.5的情况下,即使防火涂料厚度较薄(10~20 mm),加固梁仍可达到2 h一级耐火要求。 2.编制了设有防火保护层的碳纤维布加固混凝土梁的截面温度场计算程序,通过算例验证了程序的正确性。利用该程序,分析了防火材料类型及厚度、保护方式、截面尺寸对加固梁截面温度分布的影响。基于数值分析结果,提出了加固梁截面温度场的实用计算方法。研究结果表明:(1)除梁侧防火材料末端附近产生温度突变外,小U型防火保护方式下加固梁的截面温度分布总体上与底面防火保护方式下类似;(2)随着受火时间增加,梁底温度在底面防火材料的保护下虽然上升相对较缓,但也很快达到环氧类胶粘剂的失效温度;(3)与厚度相同的厚型钢结构防火涂料相比,水泥砂浆的防火保护效果明显偏弱。 3.前期研究结果表明,常温下发生弯曲破坏的加固梁有可能在高温下出现破坏形态的转变,为此提出了高温下碳纤维布加固混凝土梁破坏形态转变临界状态(临界条件)的概念。利用编制的数值分析程序,针对常温下以弯曲破坏为主的加固梁,研究给出了相关参数(包括梁底防火保护层厚度、常温下构件抗剪承载力富裕程度、荷载比、加固量等)对加固梁破坏形态转变临界条件的影响规律,建立了该临界条件对应的参数表达式。在此基础上,提出了加固梁抗火设计的初步建议。研究结果表明,碳纤维布抗弯加固混凝土梁的底部防火涂料厚度应进行合理选择,以满足加固梁的耐火要求,同时避免出现高温剪切破坏。 4.通过引入混凝土高温等效抗压强度,提出了碳纤维布加固混凝土梁高温抗弯承载力的一种简化计算方法。考察了防火涂料设置、碳纤维布加固量、受拉钢筋配筋率、混凝土保护层厚度等参数对加固梁高温抗弯承载力的影响规律,在此基础上建立了加固梁高温抗弯承载力随升温时间的定量衰减关系。研究结果表明:(1)利用该简化方法所得加固梁的耐火极限与试验结果吻合较好;(2)实际工程中梁侧防火涂料高度可以120 mm为限,在此范围内加固梁的高温抗弯承载力随着梁侧防火涂料高度的增加逐渐增大;(3)未设置防火涂料的加固梁要达到耐火极限2 h的要求较为困难;对于设置防火涂料的加固梁,即使涂料厚度只有10 mm,升温2 h后其抗弯承载力也比未设置时明显提高。 5.开展了具有端部约束的碳纤维布加固混凝土梁的高温反应分析,初步揭示了轴向/转动约束刚度比、梁截面尺寸、跨度、荷载比、加固量、配筋率、保护层厚度和防火涂料厚度等参数对高温下约束加固梁的轴力及梁端弯矩的影响规律。通过大量数值分析,建立了高温下约束加固梁轴力和梁端弯矩的实用计算方法。研究结果表明:(1)随着升温时间增加,约束加固梁的轴力比总体呈现出先逐渐增大而后渐趋平缓甚至降低的趋势;(2)随着升温时间增加,约束加固梁的梁端弯矩总体呈现出先逐渐增大而后渐趋平缓的趋势;(3)防火保护(即使防火涂料厚度只有10 mm)对高温下约束加固梁梁端内力的影响非常明显。