碳纤维布加固钢筋混凝土T形梁的受弯性能研究

时间：2024-05-20

刘晓燕

（甘肃交通科学研究院有限公司，甘肃兰州730050）

0 前言

预应力混凝土和钢筋混凝土的出现使得各类结构向超大跨径、大跨径、超高层、高层方向发展成为了可能，它的出现在人类桥梁史上具有非常重要的意义。但在发展的这几十年中，预应力混凝土和钢筋混凝土的弊端也在实践运用中逐渐的暴露出来了，其中主要体现在以下两个方面：①由于时间已久，其材料就会出现腐蚀、老化等情况，而此时的结构就会因为材料和一些人为的因素而开裂，这就大大降低了结构的承载能力；②在预应力混凝土和钢筋混凝土结构中，钢筋锈蚀是普遍存在的问题，然而结构的承载能力会在钢筋尤其是预应力钢筋锈蚀后大大下降，对于那些锈蚀比较严重的情况，其结构就很可能会出现失效。此外，在处理结构加固时，经常会遇到预应力钢筋和钢筋完全锈蚀的情况。所以，研发新型的结构加固材料的任务就势在必行。碳纤维增强复合塑料是土木工程领域里最常用的FRP材料之一，它以高强度纤维为增强相，以树脂为基体组合而成，是一种先进的复合材料。它在混凝土结构工程加固领域得到广泛的运用，主要是因为它具有徐变低、高强度、自重轻、热膨胀系数低、抗腐蚀性能良好以及弹性模量适中、耐疲劳等优点。本文主要是利用碳纤维加固钢筋混凝土对T形梁进行试验，根据桥梁钢筋混凝土T形梁的正截面受弯性能进行研究探讨。

1 试验设计

1.1 试件设计

本组试验所有试件的配筋和截面尺寸都相同，U型箍锚固和所贴碳纤维布的层数是各试件的区别所在。右图1就是该试件截面尺寸，试件长度l为7000mm，其中梁的混凝土强度等级为C30，配筋率为0.85%。它的架立和上部受压钢筋为6根直径为12的HRB335级钢筋，受拉纵筋为3根直径为22的HRB335级带肋钢筋；翼缘和腹板箍筋在纯弯区段为φ8＠200，在剪跨区为φ8＠100。这主要是为了更好的比较，本组试验总共设计了4个试件的试验，4个T梁中有3个T梁是用碳纤维布加固另外1个没有加固，不加固钢筋混凝土梁为TL1，不加U型箍粘贴2层碳纤维布加固的钢筋混凝土梁为TL2，加U型箍进行锚固并粘贴2层碳纤维布加固的钢筋混凝土梁为TL3，加U型箍进行锚固并粘贴4层碳纤维布加固的钢筋混凝土梁为TL4。该实验所选用的碳纤维布是辰日株式会社生产的碳纤维布(HT300)，该碳纤维布HT300物理性能指标如下表1所示。

图1 试验T梁截面尺寸

表1 碳纤维布HT300物理性能指标

图2 TL2（无U型箍）、TL3（2层）、TL4（4层）加固方案

图3 试验加载方案

表2 各梁的荷载特征值

1.2 加固方案

U型箍的详细尺寸如图2所示,TL2、TL3、TL4碳纤维布沿跨度方向的粘贴规格：5950×200×0.167。

1.3 加载方案

试验采用两点对称集中荷载分级加载方式，如图3所示。

1.4 数据量测

本组试验主要通过百分表、位移计和电阻应变片来量测试验中需要量量测的数据。需要量测的项目有：T梁跨中挠度、加载点及支座处位移和转角、梁纵筋应变、箍筋应变、混凝土跨中截面处应变、碳纤维应变和裂缝开展情况。

2 试验结果及分析

各试件的试验特征值及破坏特征如表2、表3所示。表中Pcr、Py、Pu分别表示混凝土梁的开裂荷载、纵筋屈服荷载、极限荷载，αcr、αy、αu分别表示加固后各梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载与对比试验梁TL1对应值的比值。

表3 各梁试验形态

由表2、表3可以得出：

（1）钢筋混凝土适筋梁的破坏特征与该实验中的TL1的破坏特征相符合。

（2）TL2中的钢筋屈服和钢筋混凝土梁的开裂得到推迟，这主要是因为TL2采用了碳纤维布加固。但是实验中梁的极限承载力并没有得到明显的提高，这主要与加载后期碳纤维布大面积剥落存在较大关系。此外，裂缝的伸长也受到碳纤维抑制。

（3）TL3比较于TL1，其屈服荷载、极限荷载和开裂荷载都有较大的提高，其中极限荷载提高幅度达到了百分之三十，由此可见加固的效果是十分明显的。TL3和TL2相比较可得，U型箍的布置在结构加固中的是非常重要的，U型箍不仅仅可以提高了碳纤维布的利用率，而且还能够更好的锚固碳纤维布。TL3的裂缝不仅仅密而且还非常细，而在纯弯区中裂缝却是比较均匀。

（4）加固效果最明显的就是TL4，TL4与TL3相比，其极限荷载提高幅度达到百分之十，其TL4裂缝比TL3的裂缝更短，且更细更密。TL4相比于TL1其极限荷载幅度的提高达到了百分之四十三。由此可得，钢筋混凝土梁的极限承载能力会随着碳纤维布用量的增加而随之提高。