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鋼筋混凝土及其增強(qiáng)材料的發(fā)展與應(yīng)用
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- 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究
論文翻譯
通過端部錨固并局部粘貼碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁的受力彎曲狀態(tài)分析
摘要:本篇文章主要介紹通過端部錨固并局部粘貼碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁的受力彎曲狀態(tài)分析的試驗(yàn)及對試驗(yàn)結(jié)果的分析。本試驗(yàn)總共采用了試驗(yàn)梁6片，各試驗(yàn)梁的尺寸一致，均為2400mm長、150mm寬和250mm高，受拉主筋配筋率均為1.18%。6片梁中，第一片沒有經(jīng)過加固的梁，第二片只采用碳纖維布粘貼加固沒有端部錨固措施，其余4片梁均采用端部局部錨固碳纖維布。本試驗(yàn)主要分析端部錨固并局部粘貼碳纖維布加固橋梁時(shí)，無粘結(jié)的碳纖維布長度對加固結(jié)果的影響，故本試驗(yàn)中四片端部錨固并局部粘貼碳纖維布的試驗(yàn)梁的無粘結(jié)的碳纖維布長度分別為250m, 750 mm, 23500 mm, and 1,250 mm。本試驗(yàn)的結(jié)果表明在通過采用端部錨固并局部粘貼碳纖維布比直接粘貼碳纖維布能更多的提高被加固梁的極限承載能力。本試驗(yàn)表明粘貼碳纖維布加固橋梁時(shí)端部錨固的重要性，也表明采用端部錨固并局部粘貼碳纖維布加固的梁雖然無粘結(jié)的碳纖維長度有差別但是它們的受力彎曲趨勢是一致的。在試驗(yàn)之后又做了一個(gè)考慮到結(jié)構(gòu)材料性能的非線彈性分析，以期對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。該分析所得結(jié)論與試驗(yàn)中的彎曲撓度反映和無粘結(jié)碳纖維長度對結(jié)構(gòu)的影響結(jié)果吻合良好。
前言：
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于各種原因會(huì)受到持續(xù)的破壞，這一點(diǎn)使得對已受損鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)成為非常緊迫的一項(xiàng)任務(wù)。目前大多的加固和修復(fù)都是采用比較常規(guī)的方法，不過進(jìn)來常規(guī)方法的缺陷正在不斷的顯露出來，在很多的實(shí)例中由于加固或修復(fù)措施的失敗，對已有的加固或修復(fù)措施不得不進(jìn)行再次的補(bǔ)救。基于此在近些年來采用碳纖維對鋼混結(jié)果進(jìn)行加固的方法越來越多的受到關(guān)注。碳纖維的在彎曲加固上的優(yōu)良性能也使它獲得了廣泛的應(yīng)用。碳纖維的優(yōu)點(diǎn)在于高強(qiáng)度、高彈性模量、高絕緣性、耐腐蝕和施工方便，同時(shí)通過它對結(jié)構(gòu)修復(fù)時(shí)對結(jié)構(gòu)的在外形和剛度上基本上沒有什么改變。
碳纖維的低延展性也造成了很多問題，甚至引發(fā)了結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)破壞的悲慘結(jié)果，同時(shí)長期荷載作用下碳纖維粘結(jié)措施的失效也很大程度上限制了碳纖維更廣泛的應(yīng)用。粘結(jié)措施的失效主要有一混凝土與碳纖維接觸面上的粘結(jié)失效和受拉主筋保護(hù)層混凝土被撕裂拉壞兩種情況。因此在碳纖維布的兩端采用錨固措施是非常必要的。在此基礎(chǔ)上，很多種錨固措施已經(jīng)被試驗(yàn)和分析以期獲得一種能在最大程度上利用碳纖維的抗拉能力的錨固方式。
現(xiàn)在的這篇是這些研究中的另一個(gè)部分主要對端部錨固情況下局部粘貼碳纖維布對加固后結(jié)構(gòu)彎曲變形和破壞形式的影響的研究。本試驗(yàn)主要研究無粘結(jié)長度的變化對結(jié)構(gòu)彎曲撓度反映、碳纖維剪切滑移和受拉主筋的變形的影響。在此之后我們還在考慮碳纖維和混凝土變形的不一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一個(gè)非線彈性分析以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)程序：
試驗(yàn)樣品：
本試驗(yàn)總共采用了試驗(yàn)梁6片，各試驗(yàn)梁的尺寸一致，均為2400mm長、150mm寬和250mm高，各梁均在受拉側(cè)采用兩根15M的主筋，在受壓側(cè)采用6M的主筋。抗剪鋼筋的配置超過規(guī)范的要求值，以期避免結(jié)構(gòu)由于抗剪強(qiáng)度不足而破壞。第一片沒有經(jīng)過加固的梁，第二片只采用碳纖維布粘貼加固沒有端部錨固措施，其余4片梁均采用端部局部錨固碳纖維布但是有著不同的碳纖維無粘結(jié)長度。本試驗(yàn)所采用的錨具由上下兩塊10mm厚鋼板和兩根M12粗的高強(qiáng)螺栓。試驗(yàn)梁的具體信息在表1。圖1中主要標(biāo)明了梁的結(jié)構(gòu)尺寸，4點(diǎn)彎曲梁的加固點(diǎn)和一個(gè)端部錨固的橫斷面。
材料特性：
各梁均采用同一批混凝土澆注，其抗壓強(qiáng)度為39MPa彈性模量為28.1GPa。主筋為等級400W螺紋鋼抗拉強(qiáng)度為400MPa，抗剪鋼筋等級為300W光園鋼筋抗拉強(qiáng)度為300MPa，鋼筋的彈性模量為200GPa。
碳纖維布采用的是Sika CarboDur S1012 系列中100mm寬 1.2mm厚的，各片梁均為2200mm長。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度為3100MPa，其最大延伸率為1.9％，其彈性模量為155GPa。碳纖維布在準(zhǔn)備工作就緒后通過Sikadur 30型環(huán)氧砂漿粘貼到梁體的下部。
相應(yīng)儀器和試驗(yàn)步驟
圖片二顯示了試驗(yàn)中所采用的試驗(yàn)結(jié)果記錄儀器。測量碳纖維和混凝土的變形的應(yīng)變片：有兩個(gè)5mm的應(yīng)變片用于測量碳纖維的在跨中位置的變形，一個(gè)50mm的應(yīng)變片用于測量跨中混凝土上緣的壓縮變形。
試驗(yàn)中還利用三臺直線位移傳感器來測量結(jié)構(gòu)跨中和兩個(gè)加載點(diǎn)的撓度變形，并利用兩條直線位移傳感器在碳纖維布的兩端來測量碳纖維布相對于混凝土的剪切滑移。
試驗(yàn)梁在4點(diǎn)彎曲的形勢下進(jìn)行試驗(yàn)如圖1。加載速度為0.07kN/s以期精確的測量結(jié)構(gòu)的撓度變形。試驗(yàn)梁被加載直至破壞，其中破壞形勢被定義為混凝土的壓碎、碳纖維布的拉壞、碳纖維布的粘結(jié)剪切破壞和保護(hù)層混凝土被撕裂拉壞。
試驗(yàn)結(jié)果和討論:
在試驗(yàn)所觀測到的直到結(jié)構(gòu)如混凝土的壓碎、碳纖維布的拉壞、碳纖維布的粘結(jié)剪切破壞或保護(hù)層混凝土被撕裂拉壞得數(shù)據(jù)都被呈現(xiàn)和討論如下。
結(jié)構(gòu)破壞形勢:
試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)梁如常規(guī)形勢的彎曲破壞,其過程為下緣受拉混凝土開裂、受拉主筋屈服，后上緣混凝土壓潰從而整個(gè)結(jié)構(gòu)失去承載能力。所有其他的試驗(yàn)梁都是彎剪破壞，促成其的主要原因是混凝土開裂造成碳纖維粘結(jié)失效如圖3，這種破壞形勢在其他研究者的報(bào)告中也曾多次被提及。
上述這種破壞的機(jī)理可被解釋如下：當(dāng)一個(gè)主彎曲或彎剪破壞出現(xiàn)在混凝土下緣的時(shí)候，混凝土所喪失的抗拉能力轉(zhuǎn)由碳纖維布承擔(dān)，這就造成裂縫附近的和無粘結(jié)端部的碳纖維布的應(yīng)力集中。隨著應(yīng)力的增大哪么碳纖維布粘結(jié)面的應(yīng)力會(huì)不斷增大，在該應(yīng)力增大到比較危險(xiǎn)的值時(shí)，碳纖維布的粘結(jié)在應(yīng)力集中位置開始出現(xiàn)失效，同時(shí)由于混凝土裂縫的增大碳纖維布開始出現(xiàn)水平滑移。
結(jié)構(gòu)彎曲狀態(tài)：
表2中列出了觀測所得的所有梁的試驗(yàn)結(jié)果。通過碳纖維加固的梁在承載能力和彎曲撓度上都較標(biāo)準(zhǔn)梁有較大的提高。其中3號梁在承載力上提高了45％，5號梁在結(jié)構(gòu)跨中容許撓度上提高了30％。
圖4為跨中彎矩?fù)隙葓D。所有加固橋梁的試驗(yàn)結(jié)果曲線都大致由3條直線段連接而成，3條直線分別表明了結(jié)構(gòu)混凝土開裂前，混凝土開裂后受拉主筋屈服前和受拉主筋屈服后結(jié)構(gòu)的受力變形狀態(tài)。相比之下標(biāo)準(zhǔn)梁的試驗(yàn)結(jié)果曲線大致由2條直線段通過一個(gè)鋼筋屈服平臺連接而成。
所有試驗(yàn)梁在混凝土開裂前的彈性階段具有相同的性能，而且加固梁的開裂彎矩比標(biāo)準(zhǔn)梁的開裂彎矩幾乎相等僅僅高一點(diǎn)點(diǎn)。在混凝土開裂前各試驗(yàn)梁的抗彎強(qiáng)度幾乎是一致的。這一點(diǎn)是預(yù)料之中的，因?yàn)樵诨炷灵_裂前受彎截面上拉應(yīng)力幾乎是有混凝土完全承受的。在混凝土開裂后鋼筋屈服前，受加固梁的抗彎強(qiáng)度和鋼筋屈服彎矩較標(biāo)準(zhǔn)梁要高，其中以5號梁增幅最大為30.4％。其他梁在鋼筋屈服彎矩上的增幅基本一致為14.7％。在這個(gè)階段受彎截面拉應(yīng)力主要由受拉主筋和碳纖維布承擔(dān)。而在此階段之后由于受拉主筋屈服哪么受彎截面拉應(yīng)力將主要由碳纖維布來承擔(dān)。因此在端部錨固部分粘貼的碳纖維布加固梁上無粘結(jié)的碳纖維布將起到獨(dú)立的抗拉單元的總用，從而比全粘結(jié)加固的情況更有效的提高了梁的極限承載能力。
這種情況也受到端部錨固的影響，因?yàn)槎瞬垮^固有效的阻止了碳纖維的滑移和粘結(jié)的失效。試驗(yàn)中3號和5號梁極限承載能力提高的最大分別為45.1％和44.9％，6號梁其次為30.8％，2號和4號梁再次之分別為26.3％和24％。在受拉主筋屈服后的這個(gè)階段加固梁的抗彎剛度較標(biāo)準(zhǔn)梁有較大的明顯的提高。結(jié)合前面的內(nèi)容和試驗(yàn)的結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)哪么隨著跨中無粘結(jié)碳纖維長度的增加結(jié)構(gòu)抗彎能力的增幅將會(huì)降低。我們也發(fā)現(xiàn)5號梁的觀測結(jié)果有些特異，有可能該梁是一次試驗(yàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)該對其結(jié)果慎重對待。
加固橋梁在鋼筋屈服和達(dá)到極限承載能力的時(shí)候，跨中截面撓度都比標(biāo)準(zhǔn)梁要小。特別的在極限承載能力的時(shí)候加固橋梁的跨中撓度要比標(biāo)準(zhǔn)梁的撓度小很多，這在表2中可以看出來。也就是說，加固橋梁的延伸率較標(biāo)準(zhǔn)橋梁的延伸率要低很多。從試驗(yàn)結(jié)果來看3456號梁的延伸率比2號梁的延伸率要稍微高一點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，加固橋梁在正常承載的情況下結(jié)構(gòu)彎曲變形能力較好，但是在達(dá)到極限承載能力的時(shí)候則很不利，也就是說結(jié)構(gòu)在打到極限承載的時(shí)候很可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)脆性破壞。
圖5是跨中彎矩和碳纖維應(yīng)變圖，這些曲線也大致是由三條直線連接而成。在這里跨中彎矩是由觀測到的荷載通過靜力計(jì)算而確定的。每條曲線的終點(diǎn)標(biāo)明的是跨中碳纖維在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的應(yīng)變。本試驗(yàn)中3號梁的該應(yīng)變最大為0.54％，該值是碳纖維極限應(yīng)變的28.4％，這也就說明在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)碳纖維還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其破壞強(qiáng)度。
本試驗(yàn)中所觀測到的跨中上緣混凝土的最大應(yīng)變?yōu)?.225％是混凝土極限應(yīng)變的65％，這也說明結(jié)果的破壞并非是由于混凝土的壓壞而導(dǎo)致的。
碳纖維布的水平滑移：
圖6是2356號梁的跨中彎矩和碳纖維布水平滑移量圖。在這張圖中S和N分別表明試驗(yàn)梁的兩端。在滑移量達(dá)到0.1mm值錢所有的梁的狀態(tài)是一致的。同時(shí)在滑移量達(dá)到0.2mm之前所有的圖都可以大致的被看作是一條彈塑性曲線。在屈服之后哪么各試驗(yàn)梁的碳纖維滑移梁有了較大的區(qū)別，其中以2號梁最大，為1.2mm，對于這一情況出現(xiàn)在無錨固全粘結(jié)的二號梁，這一點(diǎn)是在預(yù)料之中的。另外，由圖可知，碳纖維布的兩端的滑移量是不一致的。
非線彈性分析。
為對試驗(yàn)所得的跨中彎矩?fù)隙确从城�作近一步的驗(yàn)證，我們還進(jìn)行了非線彈性分析。本分析主要基于試驗(yàn)中所測得的跨中混凝土和碳纖維應(yīng)變值。而且也考慮到由于無粘結(jié)所促成的混凝土和碳纖維變形的不完全相關(guān)性。
圖7是由試驗(yàn)所觀測到的結(jié)構(gòu)破壞形勢所假定的結(jié)構(gòu)彎曲反映模型曲線。圖7a中結(jié)構(gòu)彎矩曲率反映曲線被理想的認(rèn)為是有3條直線連接而成的曲線。圖7b混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線則被認(rèn)為是由兩條直線連接而成的。圖7c結(jié)構(gòu)受拉主筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線也被認(rèn)為是由兩條直線組成。圖7d碳纖維布則被認(rèn)為是完全線彈性。
本分析依據(jù)純彎截面受力平衡原理和由試驗(yàn)所確定的結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)力狀態(tài)還有跨中斷面應(yīng)力應(yīng)變形勢來進(jìn)行。試驗(yàn)梁的在各階段的彎曲應(yīng)力狀態(tài)劃分如下。
階段1：完全線彈性階段（混凝土開裂前），在本階段假定各材料的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫�彈性的，直到最外緣的混凝土的應(yīng)力ft達(dá)到開裂應(yīng)力fr。在本階段結(jié)束點(diǎn)上的彎矩為截面開裂彎矩，此時(shí)受拉主筋的應(yīng)力仍小于屈服應(yīng)力。
階段2：混凝土開裂和受拉主筋屈服前階段。本階段中中性軸一下受拉區(qū)混凝土退出工作不在承受拉應(yīng)力，受壓區(qū)混凝土繼續(xù)抵抗壓應(yīng)力且仍處于線彈性狀態(tài)。在本階段結(jié)束時(shí)受拉主筋已達(dá)到屈服應(yīng)力εy
階段3：混凝土開裂和受拉主筋屈服。在本階段中受拉主筋已屈服其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)為塑性狀態(tài)如圖7c中的水平段，此時(shí)受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變?nèi)孕∮谄渥畲髴?yīng)力時(shí)的應(yīng)變。
以上所用分析方法主要用來模擬3456號梁的彎曲狀態(tài)。本分析中采用由試驗(yàn)觀測所得的混凝土的應(yīng)變εc和碳纖維的應(yīng)變εp。
圖9－12分別是3456號梁的分析和試驗(yàn)觀測所得的彎矩曲率狀態(tài)曲線。由圖可以看出，分析和試驗(yàn)結(jié)果是很相似的，這也對試驗(yàn)結(jié)果作出了有力的肯定。分析中設(shè)定的三個(gè)階段也在分析結(jié)果曲線中與試驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)的體現(xiàn)了出來。
圖13是碳纖維應(yīng)變和受拉主筋應(yīng)變關(guān)系圖，本圖主要是為了說明無粘結(jié)長度的變化對鋼筋應(yīng)變和其達(dá)到屈服狀態(tài)后的影響。本圖中鋼筋應(yīng)變是有分析計(jì)算而的碳纖維的應(yīng)變是由試驗(yàn)觀測而得的。由圖可知，在鋼筋屈服后，在同樣的碳纖維加固材料下鋼筋所能達(dá)到的應(yīng)變值與無粘結(jié)長度成正比增大。與此同時(shí)也可以看到無粘結(jié)長度越小碳纖維材料的利用率也越大。
原文名稱 Flexural Response of Reinforced Concrete Beams
Strengthened with End-Anchored Partially Bonded
Carbon Fiber-Reinforced Polymer Strips - 回答時(shí)間：2007-01-09
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