1、- 1 -用碳纤维板(CFRP)修复剪切不足的矩形简支梁摘 要目前研究调查剪切特性和破岩模式的矩形简支钢筋混凝土梁设计存在剪切不足。在实验室中这些构件经过外部的粘合剂碳纤维板（CFRP）加强和校核过。本实验方案由十二根合格的简支梁剪切破坏测试构成的。测验项目包括箍筋和剪跨比, 以及 CFRP 的数量和分布。试验结果显示外部粘合剂 CFRP 对剪切承载力的贡献是重要的。证明剪切承载力取决于变量研究。实验结果用来证实一种保守并且可预测的剪切设计方法。（2002 Elsevier 科学有限公司版权所有）。关键字修复； 剪切； 碳纤维板（CFRP）1. 引 言纤维增强的聚合物(FRP）复合系统 , 是
2、由纤维植入一种聚合物的基体组成的 , 能被用来加强受剪切的简支(RC）构件17。现有的许多简支横梁存在抗剪切能力不足并需要加强。一个简支横梁的剪切破坏明显地与它的弯曲破坏不同。在剪切破坏时，该横梁没有充足的破坏征兆突然破坏并且斜向剪切裂缝比弯曲裂缝要宽很多8。本文的目的是1. 研究剪切不足的简支矩形横梁在用外部粘合剂碳纤维板（CFRP）加固之后的性能和破坏模式。2.提出影响经过加固的横梁剪切承载力的因素如箍筋、剪跨比，和粘合剂碳纤维板（CFRP）的数量和布置情况 。3.增加用碳纤维板（CFRP）加固的钢筋混凝土梁的抗剪强度的实验数据。4.证实作者以前提出的一种设计方法9。 基于上述目的，12
3、根合格的经过不同的CFRP加强方案的简支梁目的是测试梁抵抗剪切破坏的能力。这些构件是用两种不同剪跨比的简支梁施加四点荷载结构测试的。2. 实验方法2.1 试件和仪器十二根跨距3050mm，宽150mm，高305mm的矩形截面的合格简支梁试件，试件被集合在两组依靠箍筋存在的名为SW和SO的剪跨研究中。- 2 -SW组由四根试件组成，SW组试件的细部和尺寸当作对比。1a。在这一组里，4四根直径32毫米的筋被用作纵向钢筋，从截面上看有2根在顶端和2根在底部端面的被归纳到一种剪切破坏。这些试件是经过直径10mm的箍筋贯穿它们的全跨加固过的。箍筋间距在剪跨研究中, 右半部分，用来允许整个跨距内破坏。SO
4、组是由8根梁试件组成的，SW组有同样的截面尺寸和纵向钢筋。在这次测试中半跨没有箍筋当做对比。1b。每个组（即：SW组和SO组）再按照剪跨比分成二个部分。这就是剪跨比3到4，形成下列四个小组SW3;SW4;SO3; 和SO4 。 加工这次测试试件的材料其力学性能都列在表1上。加工试件的内容中关于表面处理和CFRP设置是在别处叙述的10。表1 材料特性材料 说明 抗压强度(MPa)屈服点(MPa)极限抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)混凝土 SW组 19.3 20SO组 27.5 25钢筋 D 32mm 460 730 200D 10mm 350 530 200CFRP t0.165mm 379
5、0 228注：纤维唯一。2.2 加强方案各组（SW3-1,SW4-1,SO3- 1和SO4-1）都有一个试件没有加强用来作为检验 用的基准试样，但是另外8根梁试样是经过外部粘合剂CFRP薄板按照三不同的方案根据插图说明加强过的。在SW3组，SW3-2组的试件是用2根垂直纤维方向的CFRP加强的。(900/00)第一个面用纤维连续不断的U型缠绕方式附属方向定位垂直于该试件的纵 轴方向(900）。第二个面是沿梁轴线用纤维粘合的试件的两面(00)。这个面层即00面，被选作试验附加横向约束的冲击对抗剪强度的影响。在SW4组中，试件SW4-2和SW3-2是用2根垂直方向的CFRP 加固的(900/00)
6、 。SO3组的四根梁试件是顺序加固的。SO3-2试件是用一层cfrp条采用垂直于纤维方向- 3 -按照U型缠绕方式加固的。 钢带宽度是50mm且形心到形心间的间距为 125mm。SO3-3试件是以类似于试件SO3-2的方式加固的，只是钢带宽度为75mm。SO3-4试件是用一层连续不断的U型缠绕方式加固的（900）。SO3-5试件是用类似于试件SW3-2和SW4-2的2根垂直方向的CFRP加固的(900/00)。单位：mm 应变传感器定位在箍筋上图 1 梁试样构造和细部加固- 4 -(a)一边板用 CFRP U 型缠绕（试件 SO3-2,SO3-2 和 SO4-2）(b)一边板用 CFRP 连续
7、不断地 U 型缠绕 900（试件 SO3-4 和 SO4-3）(c)二边用 CFRP U 型缠绕（试件 SW3-2,SW4-2,和 SO3-5）图 2 CFRP 加固方案的略图在SO4组, 二根梁试件是经过加固的。SO4-2试件是用类似于SO3-2试件的一 层CFRP条U型缠绕方式的形式加固的。SO4-3试件是用类似于SO3-4的一层板连续不断的U型缠绕方式（90 0）加固的。2.3 试验装备和测试设备全部的试件是作为简支梁承受四点荷载测试的，具体布置见图3（a） SW3 和 SO3 试件（a/d3）- 5 -(b)SW4 和 SO4 试件(a/d=4)(a)SW3-1 (b)SW3-2图 3
8、 试验装置示意图一台功率 1800KN 的万能试验机用于施加一集中荷载并通过一个钢梁产 生 2 个集中荷载。荷载是循环渐进地施加的，通常在裂缝产生前是一个 循环加一次荷载，在裂缝产生后是三个循环加一次，直到最后一次。作 用载荷是竖直方向的。下图所示的挠度曲线就是这些荷载循环数的包络线。四个线性差动变压器(线性差动变压器)用于监测如图 3 所示各个位置上的垂直位移。二个线性差动变压器定位在试件的两个侧面跨中部分。另外二个位于试件的支架上用来记录支架沉降值。对于 SW 组的每个试件，六个应变仪固定在三个箍筋上用来监测荷 载作用下箍筋的应变情况，在图 1a 中有说明。三个应变仪直接固定到 各个面均经
9、过 FRP 薄板加强的梁上用来监测 FRP 的应变变化。这些应变 仪位于轴线方向上且在横截面中间高度，它们距离 SW3 和 SO3 组支座处的距离分别为 175、300 和 425mm。对于 SW4 和 SO4组的梁试件，这些应变仪分别位于距离支架 375、500 和 625mm 的地方。 3. 结果和讨论在下面的论述中,总是假定弱剪跨或跨距。3.1 SW3 组当荷载到达大约 90kN 时观察检验用的基准试样 SW3-1 接近于该剪跨中间部分的剪切。随着载荷的增大，附加剪切变形的裂缝形状贯穿整个梁，扩 大并扩散直到加载到 253kN 时破坏（见图 4a）。SW3-2 试件用 CFRP 加固（9
10、00/00），由于测试的试件被 FRP 包裹起来了，所以试件的侧面和底部没有裂缝可以看见。然而，在接近 320 kN- 6 -这个高荷载时在梁的顶面有一道纵向的裂缝形成。裂缝在外部荷载施加的地方形成并向支座方向扩展延伸。试 件在总荷载为 354kN 时由于混凝土裂开而破坏（见图 4b）。（a ）SW3-1 试件（b）SW3-2 试件图 4 SW3 组试件的破坏形式这比检验用的基准试样 SW3-1 的极限承载力增加了 40%。该裂缝之所以会破坏是由于试件顶部有较高的纵向压应力在发展，引起一个横向张力，导致裂 缝而破坏。另外，相对大量的纵向钢筋与 CFRP 结合，过度加强抗剪能力可能导致了这种破坏
11、形式。图 5 说明了 SW3-1 和 SW3-2 试件中荷载与中跨挠度曲线的关系，以表明通过使用- 7 -CFRP 提高了承载力。测量到的 CFRP 最大垂直 应变位于 SW3-2 试件，大约是0.0023mm/mm，相当于 CFRP 极限应变的 14%。就一裂缝而言这个数值不是独立存在的，因为它极大地取决于应变仪的定位。然而，应变记录显示如果裂缝没有发生，抗剪承载力还可以到达一个更 高的数值。图 5 SW3 组试件外加荷载与跨中挠度关系表SW3-1 和 SW3-2 试件之间箍筋应变的比较在图 6 中有显示。 箍筋 1,2 和 3 分别位于位于距离支座 175，300 和 425mm 的地方。
12、试验结果显示两个试件的 2 号和 3 号箍筋最后都没有屈服。由于 CFRP 的作用，试件 SW3-2 箍筋的应变（和应力）通常小于同等荷载情况下试件 SW3-1 的。3.2 SW4 组在 SW4-1 试件中，在外部施加的总荷载为 75kN 时构件上形成了第一道 斜裂缝。随着载荷的增长，附加剪切变形裂缝似乎要贯穿整个剪跨。当外施荷载总数到达 200kN时横梁发生破坏。在 a/d3 的情况下这比 SW3-1 试件的抗剪能力少了 20%。 SW4-2 试件类似于 SW3-2 试件，其破坏是受混凝土的劈裂约束的。- 8 -图 6 SW3-1 和 SW3-2 试件箍筋外部荷载与应变关系图抗剪承载力比检验
13、用的基准试样 SW4-1 增加了 80%，最终的外施荷载达到了361kN。而且，试件 SW4-2 箍筋的实测应变小于试件 SW4-1 的。梁 SW4-1 和 SW4-2外施荷载与跨中挠度曲线的关系见图 7。与试件 SW4-1 相比我们注意 到试件 SW4-2 产生了更大的挠度。图 7 SW4 组试件外施荷载与跨中挠度关系当比较 W3 组和 SW4 组试件 的测试结果时，我们看到 SW3-2 试件和 SW4-2 试件的最终破坏载荷是差不多的。然而，由于经过 CFRP 的加固，SW3-2（a/d 3）试件的承- 9 -载力提高了 101kN，SW4-2 (a/d=4)试件的承载力 提高了 161
14、kN。这表明额外增加的CFRP 的贡献可能受 a/d 比的影响，并且似乎随着 a/d 比的减小而减少。另外，对两个加固过的试件 SW3-2 和 SW4-2 来说，最终 CFRP 板没有断裂或与混凝土失去粘结表明如果横梁没有劈裂破 CFRP 可以提供附 加强度。3.3 SO3 组图 8 说明 SO3 组试件的破坏模式。图 9 为试件外施荷载与跨中挠度的细部图。图 8 SO3 组试件破坏模式- 10 -图 9 SO3 组试件外施荷载与跨中挠度关系检验用的基准试样 SO3-1 的失效模型是剪切压坏。试件在外施荷载总值为 154kN时发生破坏。与 SW3-1 试件相比，由于缺乏箍筋，导致抗剪承载力 减
15、少了 54.5kN。而且，试件 SW3-1 的裂缝分布情况与试件 SO3-1 的也不同。在试件 SW3-1 中，由于箍筋的存在提供了一个更好的斜裂缝使之贯穿剪跨。试件 SO3-2 是用间距 125mm 直径 50mm 的 CFRP 带加固的，在外施荷载为 100kN时可以观察到第一个斜剪切裂缝。试件 SO3 的裂缝扩展随着载荷增长以类似方式增大。由于 CFRP 条在斜线剪切裂缝上方失去粘结，和附着于 CFRP 条的混凝土剥落，所以导致失效突然发生。最终极限负载是 262 kN，比检验用的基准试样 SO3-1 的抗剪承载力提高了 70%。试件 SO3-2 破坏时测量到最大的 CFRP 垂直应变是 0.0047mm/mm（即28%的极限应变），这表明 CFRP 并没有达到它的极限应变。用直径 75mm 的 CFRP 条加固的 SO3-3 试件,在外施荷载为 266kN 时由于 CFRP 与混凝土剥离而破坏。CFRP 在竖直方向记录到最大的破坏应变为 0.0052mm/mm（即 31%极限应变）。用 CFRP 以连续不断的 U 型缠绕方式加固的 SO3-4 试件（90 0），在外施荷载为289kN 时由于 CFRP 与混凝土剥离而破坏。结果表明 SO3-4 试件分别比试件 SO3-
