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普通粘贴与非粘贴四点锚固碳纤维布加固混凝土梁的对比试验研究

陈铁军  
【摘要】: 众所周知,碳纤维作为一种土木工程的新材料,以其轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点在加固工程中广泛应用。然而,理论研究和应用实践都表明,将碳纤维材料直接粘贴于构造物表面的普通加固方式存在碳纤维应变滞后,容易早期剥离破坏,碳纤维高强性能得不到充分发挥等不足,故而加固效果十分有限。对碳纤维片材施加预应力来加固构件的方式可以充分发挥材料的高强性能,延缓裂缝的开展,改善加固构件的受力性能,大大提高加固效果。本文在已有研究成果的基础上以波形齿夹具锚体系为基础,进行了非粘贴体外四点锚固碳纤维片材预应力加固与普通粘贴碳纤维布加固的对比试验研究。通过对两根钢筋混凝土T形梁的受弯加固及荷载试验,明确了以下结果: 普通粘贴碳纤维布加固的钢筋混凝土梁,碳纤维布与混凝土截面变形关系基本符合平截面假定,但受荷变形中,碳纤维布存在应变滞后现象。普通粘贴碳纤维尽管采用两层碳纤维布U形箍的锚固方式,但其剥离破坏仍然较早地发生,剥离时纵向碳纤维最大拉应变4912με,低于加固规范允许设计值10000με,碳纤维布高强性能远没能充分发挥。可见,碳纤维布普通粘贴加固仅靠U形箍锚固,其加固效果是有限的,需要更为可靠的锚固措施才能增强加固效果。此外,普通粘贴加固没有对碳纤维布施加预应力,因此这种加固方式无法消除构件的已有变形,是一种被动的加固方式,只有构件再次受荷载后,碳纤维才能参与受力,这对加固构件的受力性能改善有限。 非粘贴体外多点锚固预应力碳纤维片材加固钢筋混凝土梁是一种全新的体外预应力加固技术,该技术采用波形齿夹具锚对非粘贴的碳纤维片材进行多点锚固,不但可以对碳纤维片材施加较高的预应力,而且多点锚固可以使碳纤维片材能更好的与加固构件协同工作,能够较充分的发挥碳纤维片材的极限强度,显著改善加固构件的受力性能,并提高其极限承载力。本文试验采用了四点体外锚固碳纤维片材进行预应力加固试验,试验首先紧固两端的波形齿夹具锚,然后紧固中间的两个夹具锚,这样中间夹具锚迫使碳纤维片材产生曲线几何伸长,从而产生预应力,测试结果显示,在体外锚固的碳纤维片材中建立了526MPa的有效预应力。随后还对该加固构件进行了荷载试验,试验结果为碳纤维发生拉断破坏,破坏前测得最大拉应变为10703με,超过了加固规范允许的设计值。 通过对以上两个构件的试验结果进行对比分析得出:尽管试验中预应力碳纤维片材加固采用与普通粘贴加固相同的纵向碳纤维加固量,但取得了更为显著的加固效果,屈服荷载比普通粘贴加固提高9%,极限荷载比普通粘贴加固提高33%;相比较而言,波形齿夹具锚锚固是一种机械式锚固方式,能够为碳纤维片材加固构件提供可靠的锚固力,确保其高强性能得到较充分发挥,而U形箍锚固其自身也容易被纵向碳纤维片材剪断,不能提供很好的锚固力,纵向碳纤维片材剥离破坏仍然容易发生;同时,试验中的体外四点锚固碳纤维片材的预应力加固是一种主动加固构件方式,预应力的作用推迟了裂缝的出现,减缓了裂缝的发展速度,显著改善了加固构件的受力性能。 最后,在试验基础上,本文借鉴了体外预应力混凝土结构的计算理论,用多种方法尝试计算了预应力CFRP片材体外锚固加固梁的受弯承载力。


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