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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分析的試驗及對試驗結果的分析。本試驗總共采用了試驗梁6片，各試驗梁的尺寸一致，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。本試驗主要分析端部錨固并局部粘貼碳纖維布加固橋梁時，無粘結的碳纖維布長度對加固結果的影響，故本試驗中四片端部錨固并局部粘貼碳纖維布的試驗梁的無粘結的碳纖維布長度分別為250m, 750 mm, 23500 mm, and 1,250 mm。本試驗的結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。本試驗表明粘貼碳纖維布加固橋梁時端部錨固的重要性，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。在試驗之后又做了一個考慮到結構材料性能的非線彈性分析，以期對試驗結果進行驗證。該分析所得結論與試驗中的彎曲撓度反映和無粘結碳纖維長度對結構的影響結果吻合良好。
前言：
鋼筋混凝土結構由于各種原因會受到持續的破壞，這一點使得對已受損鋼筋混凝土的結構的加固和修復成為非常緊迫的一項任務。目前大多的加固和修復都是采用比較常規的方法，不過進來常規方法的缺陷正在不斷的顯露出來，在很多的實例中由于加固或修復措施的失敗，對已有的加固或修復措施不得不進行再次的補救。基于此在近些年來采用碳纖維對鋼混結果進行加固的方法越來越多的受到關注。碳纖維的在彎曲加固上的優良性能也使它獲得了廣泛的應用。碳纖維的優點在于高強度、高彈性模量、高絕緣性、耐腐蝕和施工方便，同時通過它對結構修復時對結構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，甚至引發了結構的瞬時破壞的悲慘結果，同時長期荷載作用下碳纖維粘結措施的失效也很大程度上限制了碳纖維更廣泛的應用。粘結措施的失效主要有一混凝土與碳纖維接觸面上的粘結失效和受拉主筋保護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。在此基礎上，很多種錨固措施已經被試驗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。
現在的這篇是這些研究中的另一個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構彎曲變形和破壞形式的影響的研究。本試驗主要研究無粘結長度的變化對結構彎曲撓度反映、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上進行了一個非線彈性分析以驗證試驗結果。
試驗程序：
試驗樣品：
本試驗總共采用了試驗梁6片，各試驗梁的尺寸一致，均為2400mm長、150mm寬和250mm高，各梁均在受拉側采用兩根15M的主筋，在受壓側采用6M的主筋。抗剪鋼筋的配置超過規范的要求值，以期避免結構由于抗剪強度不足而破壞。第一片沒有經過加固的梁，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長度。本試驗所采用的錨具由上下兩塊10mm厚鋼板和兩根M12粗的高強螺栓。試驗梁的具體信息在表1。圖1中主要標明了梁的結構尺寸，4點彎曲梁的加固點和一個端部錨固的橫斷面。
材料特性：
各梁均采用同一批混凝土澆注，其抗壓強度為39MPa彈性模量為28.1GPa。主筋為等級400W螺紋鋼抗拉強度為400MPa，抗剪鋼筋等級為300W光園鋼筋抗拉強度為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。碳纖維布在準備工作就緒后通過Sikadur 30型環氧砂漿粘貼到梁體的下部。
相應儀器和試驗步驟
圖片二顯示了試驗中所采用的試驗結果記錄儀器。測量碳纖維和混凝土的變形的應變片：有兩個5mm的應變片用于測量碳纖維的在跨中位置的變形，一個50mm的應變片用于測量跨中混凝土上緣的壓縮變形。
試驗中還利用三臺直線位移傳感器來測量結構跨中和兩個加載點的撓度變形，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。
試驗梁在4點彎曲的形勢下進行試驗如圖1。加載速度為0.07kN/s以期精確的測量結構的撓度變形。試驗梁被加載直至破壞，其中破壞形勢被定義為混凝土的壓碎、碳纖維布的拉壞、碳纖維布的粘結剪切破壞和保護層混凝土被撕裂拉壞。
試驗結果和討論:
在試驗所觀測到的直到結構如混凝土的壓碎、碳纖維布的拉壞、碳纖維布的粘結剪切破壞或保護層混凝土被撕裂拉壞得數據都被呈現和討論如下。
結構破壞形勢:
試驗中標準梁如常規形勢的彎曲破壞,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結構失去承載能力。所有其他的試驗梁都是彎剪破壞，促成其的主要原因是混凝土開裂造成碳纖維粘結失效如圖3，這種破壞形勢在其他研究者的報告中也曾多次被提及。
上述這種破壞的機理可被解釋如下：當一個主彎曲或彎剪破壞出現在混凝土下緣的時候，混凝土所喪失的抗拉能力轉由碳纖維布承擔，這就造成裂縫附近的和無粘結端部的碳纖維布的應力集中。隨著應力的增大哪么碳纖維布粘結面的應力會不斷增大，在該應力增大到比較危險的值時，碳纖維布的粘結在應力集中位置開始出現失效，同時由于混凝土裂縫的增大碳纖維布開始出現水平滑移。
結構彎曲狀態：
表2中列出了觀測所得的所有梁的試驗結果。通過碳纖維加固的梁在承載能力和彎曲撓度上都較標準梁有較大的提高。其中3號梁在承載力上提高了45％，5號梁在結構跨中容許撓度上提高了30％。
圖4為跨中彎矩撓度圖。所有加固橋梁的試驗結果曲線都大致由3條直線段連接而成，3條直線分別表明了結構混凝土開裂前，混凝土開裂后受拉主筋屈服前和受拉主筋屈服后結構的受力變形狀態。相比之下標準梁的試驗結果曲線大致由2條直線段通過一個鋼筋屈服平臺連接而成。
所有試驗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準梁的開裂彎矩幾乎相等僅僅高一點點。在混凝土開裂前各試驗梁的抗彎強度幾乎是一致的。這一點是預料之中的，因為在混凝土開裂前受彎截面上拉應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，受加固梁的抗彎強度和鋼筋屈服彎矩較標準梁要高，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％。在這個階段受彎截面拉應力主要由受拉主筋和碳纖維布承擔。而在此階段之后由于受拉主筋屈服哪么受彎截面拉應力將主要由碳纖維布來承擔。因此在端部錨固部分粘貼的碳纖維布加固梁上無粘結的碳纖維布將起到獨立的抗拉單元的總用，從而比全粘結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，因為端部錨固有效的阻止了碳纖維的滑移和粘結的失效。試驗中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階段加固梁的抗彎剛度較標準梁有較大的明顯的提高。結合前面的內容和試驗的結果我們可以發現哪么隨著跨中無粘結碳纖維長度的增加結構抗彎能力的增幅將會降低。我們也發現5號梁的觀測結果有些特異，有可能該梁是一次試驗異常現象，應該對其結果慎重對待。
加固橋梁在鋼筋屈服和達到極限承載能力的時候，跨中截面撓度都比標準梁要小。特別的在極限承載能力的時候加固橋梁的跨中撓度要比標準梁的撓度小很多，這在表2中可以看出來。也就是說，加固橋梁的延伸率較標準橋梁的延伸率要低很多。從試驗結果來看3456號梁的延伸率比2號梁的延伸率要稍微高一點。在這一點上，加固橋梁在正常承載的情況下結構彎曲變形能力較好，但是在達到極限承載能力的時候則很不利，也就是說結構在打到極限承載的時候很可能會發生結構脆性破壞。
圖5是跨中彎矩和碳纖維應變圖，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算而確定的。每條曲線的終點標明的是跨中碳纖維在結構破壞時的應變。本試驗中3號梁的該應變最大為0.54％，該值是碳纖維極限應變的28.4％，這也就說明在結構破壞時碳纖維還遠遠沒有達到其破壞強度。
本試驗中所觀測到的跨中上緣混凝土的最大應變為0.225％是混凝土極限應變的65％，這也說明結果的破壞并非是由于混凝土的壓壞而導致的。
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分別表明試驗梁的兩端。在滑移量達到0.1mm值錢所有的梁的狀態是一致的。同時在滑移量達到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梁的碳纖維滑移梁有了較大的區別，其中以2號梁最大，為1.2mm，對于這一情況出現在無錨固全粘結的二號梁，這一點是在預料之中的。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。
為對試驗所得的跨中彎矩撓度反映曲線作近一步的驗證，我們還進行了非線彈性分析。本分析主要基于試驗中所測得的跨中混凝土和碳纖維應變值。而且也考慮到由于無粘結所促成的混凝土和碳纖維變形的不完全相關性。
圖7是由試驗所觀測到的結構破壞形勢所假定的結構彎曲反映模型曲線。圖7a中結構彎矩曲率反映曲線被理想的認為是有3條直線連接而成的曲線。圖7b混凝土的應力應變曲線則被認為是由兩條直線連接而成的。圖7c結構受拉主筋的應力應變曲線也被認為是由兩條直線組成。圖7d碳纖維布則被認為是完全線彈性。
本分析依據純彎截面受力平衡原理和由試驗所確定的結構彎曲應力狀態還有跨中斷面應力應變形勢來進行。試驗梁的在各階段的彎曲應力狀態劃分如下。
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力應變為線彈性的，直到最外緣的混凝土的應力ft達到開裂應力fr。在本階段結束點上的彎矩為截面開裂彎矩，此時受拉主筋的應力仍小于屈服應力。
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混凝土退出工作不在承受拉應力，受壓區混凝土繼續抵抗壓應力且仍處于線彈性狀態。在本階段結束時受拉主筋已達到屈服應力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力應變狀態為塑性狀態如圖7c中的水平段，此時受壓區混凝土的應變仍小于其最大應力時的應變。
以上所用分析方法主要用來模擬3456號梁的彎曲狀態。本分析中采用由試驗觀測所得的混凝土的應變εc和碳纖維的應變εp。
圖9－12分別是3456號梁的分析和試驗觀測所得的彎矩曲率狀態曲線。由圖可以看出，分析和試驗結果是很相似的，這也對試驗結果作出了有力的肯定。分析中設定的三個階段也在分析結果曲線中與試驗結果相應的體現了出來。
圖13是碳纖維應變和受拉主筋應變關系圖，本圖主要是為了說明無粘結長度的變化對鋼筋應變和其達到屈服狀態后的影響。本圖中鋼筋應變是有分析計算而的碳纖維的應變是由試驗觀測而得的。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到的應變值與無粘結長度成正比增大。與此同時也可以看到無粘結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 - 回答時間：2007-01-09
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