碳纖維布加固混凝土梁耐火性能試驗研究

0碳纖維布加固混凝土梁退火性能纖維布具有強度高、輕、耐用、施工方便等優(yōu)點，廣泛應用于混凝土結構加固領域。然而，相關橡膠的耐火性很差，這可能會導致加固結構的潛在安全風險。Blontrock等進行了碳纖維布加固混凝土梁的耐火試驗,考察了防火涂料對加固梁耐火極限的影響,研究表明:設置U型防火涂料對加固梁的保護效果更好。Barnes和Fidell進行了24根縮尺碳纖維布加固混凝土梁的耐火試驗,分析了碳纖維布端部錨固形式和防火涂料對加固梁高溫性能的影響。Chowdhury等進行了4根碳纖維布受彎加固混凝土T形梁的高溫試驗,并對其高溫后的剩余承載力進行了測試,研究認為在防火涂料保護較好的情況下,加固梁仍能維持加固前的大部分受彎承載力。吳波和萬志軍通過碳纖維布加固混凝土梁的明火試驗表明,常溫下發(fā)生彎曲破壞的加固梁有可能在高溫下出現(xiàn)破壞形態(tài)的轉變。胡克旭和何桂生通過明火試驗,研究了防火涂料設置形式和鋼絲網(wǎng)片對碳纖維布加固混凝土梁耐火極限的影響。高皖揚等通過數(shù)值分析,分析了防火保護方法、導熱系數(shù)、比熱等參數(shù)對碳纖維布加固混凝土梁截面溫度場的影響。已有的研究成果均為獨立構件,而實際結構中相鄰構件之間存在相互約束作用,目前國內外有關碳纖維布加固混凝土約束構件的耐火性能研究尚未見到相關報道。本文對具有端部約束的7根碳纖維布加固混凝土梁和1根未加固梁進行了火災試驗,分析了端部約束、防火涂料厚度、荷載比等參數(shù)對約束梁高溫變形及內力的影響。1試驗總結1.1鋼絲網(wǎng)及防火涂料試驗設計了8個試件,其中7個為碳纖維布加固混凝土梁(試件L1～L5、L7、L8),1個為未加固混凝土梁(試件L6)作為對比。粘貼于梁底的碳纖維布的寬度和長度分別為200mm和4000mm,在其兩端以及集中力作用處各設置1個碳纖維布U型箍。碳纖維布表面分層涂抹厚涂型防火涂料,并在涂料厚度1/2處設置鋼絲網(wǎng)。梁底防火涂料寬度250mm,U型箍處的防火涂料寬度取為U型箍寬度加上2倍防火涂料厚度。試件左、右兩端各預埋1塊鋼板,以便與梁端約束系統(tǒng)連結。梁端約束考慮兩種工況,即工況1實測的軸向約束剛度與EA/l(A為梁的橫截面積,l為梁長,E為混凝土的常溫彈性模量)之比為0.034,計算的轉動約束剛度與4EI/l(I為梁的截面矩)之比為0.634;工況2則分別為0.066和0.896。試件的幾何尺寸及配筋見圖1,U型箍的布置見圖2。各試件的基本參數(shù)見表1。采用硅質骨料混凝土,其配合比為水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶碎石=1∶0.59∶0.17∶2.38∶3.58,實測其立方體抗壓強度50.4MPa。縱筋和箍筋分別采用HRB335螺紋鋼筋和HPB235光圓鋼筋。新日本石油株式會社生產(chǎn)的ST200碳纖維布的單層厚度0.111mm,配套膠粘劑采用TH-RESIN型膠粘材料。采用廣州市泰堡防火涂料有限公司生產(chǎn)的TB厚型防火涂料。鋼筋和碳纖維布的實測常溫力學性能分別見表2和表3。1.2試驗加載及測量點布置試驗在華南理工大學結構耐火實驗室進行。采用恒載升溫方法,三面受火,升溫階段爐膛內的氣體溫度-時間曲線遵循ISO834標準升溫曲線。圖3所示為試件實測爐內溫度-時間曲線,可以看出該曲線的升溫段與標準升溫曲線吻合較好。其它試件與之類似,在此不再贅述。試件實際受火長度3800mm。試件左、右兩端各300mm范圍內包裹多層防火棉以阻止爐內溫度向梁端預埋鋼板的傳遞。試驗過程中熱電偶的實測結果表明,梁端預埋鋼板的最高溫度均在60℃內。梁端約束系統(tǒng)由左、右2根豎向鋼構件,以及連結它們的1根橫向鋼構件和上部反力梁組成,具體見圖4。通過調整橫向鋼構件的上下位置,可獲得不同的梁端軸向和轉動約束剛度。試件左、右兩端與該約束系統(tǒng)之間各設置1個連結件。連結件做成箱形并密封,上部只留1小圓孔,內部注滿冷水使其兼具水冷箱的功能,從而確保梁端約束系統(tǒng)在整個試驗過程中保持常溫。通過1個油壓千斤頂和3根分配梁實現(xiàn)試件的4點加載,千斤頂下方設置1個量程300kN的壓力傳感器,以實時監(jiān)測加載及試驗過程中的荷載大小,必要時通過適當調整使荷載保持恒定。試驗過程中量測試件的豎向位移,具體測點位置見圖5。為監(jiān)測梁端預埋鋼板和梁端約束系統(tǒng)的溫度變化,在左、右預埋鋼板處分別布置2個熱電偶,同時在約束系統(tǒng)的左、右2根豎向鋼構件上也各設置2個熱電偶,具體見圖4。梁端約束系統(tǒng)的左、右2根豎向鋼構件的翼緣部分各對稱布置8個豎向應變片,腹板部分各布置2個應變花,具體見圖4a(圖中每根豎向鋼構件只示意給出了4個豎向應變片和1個應變花,另外4個豎向應變片和1個應變花布設在圖示位置的后方)。根據(jù)采集到的應變片和應變花數(shù)據(jù),可得到試驗過程中梁端軸力和梁端彎矩的變化情況。梁端約束系統(tǒng)的左、右2根豎向鋼構件外側各設置1個位移計(如圖4中1和2所示),用以量測梁端軸向位移。試件L2～L5僅在跨中截面布置熱電偶,試件L1、L6～L8則分別在跨中和距梁右端1200mm截面處布置熱電偶,具體見圖6。1.3加載并點火加載至預定荷載的50%并穩(wěn)壓10min,檢查各系統(tǒng)和裝置是否正常,隨后卸載。正式加載至預定荷載并穩(wěn)壓10min后開始點火,升溫150min后停火。停火后維持豎向荷載不變繼續(xù)采集數(shù)據(jù)120min。2試驗結果的分析2.1梁側混凝土脫強度圖7所示為試驗后試件的宏觀破壞形態(tài)。針對加固試件L1～L5和L7、L8,U型箍處防火涂料表面雖然出現(xiàn)較多裂縫,但多數(shù)仍未脫落;梁底非U型箍處防火涂料幾乎全部脫落,內部鋼絲網(wǎng)燒斷,梁底碳纖維布基本燒光或分離成絲狀懸掛于梁底。混凝土表面由于高溫作用呈土黃色。梁側混凝土脫落較嚴重,最大脫落深度30～40mm;梁底混凝土幾乎沒有脫落,個別部位的最大脫落深度也僅2mm左右。試件L1～L5的加密區(qū)和非加密區(qū)箍筋間距分別為8@80和8@150,各試件梁側混凝土脫落面積與梁側總面積之比小于7%;試件L6、L7、L8的箍筋間距為6@200,試件L6梁側混凝土脫落面積與梁側總面積之比約為7%,試件L7和L8分別約為24%和17%。總體上箍筋間距越大,混凝土脫落越嚴重。2.2結果分析2.2.1碳纖維布的加固圖8所示為試件內部各測點的實測溫度-時間曲線,表4給出了5#測點和6#測點達到約150℃時所對應的時間。從圖8和表4中可以看出(測點詳見圖6):(1)在防火涂料厚度一定的情況下,加固梁的梁底靠外測點(5#測點)的溫升速率大于靠內測點(6#測點)。文獻的試驗結果表明,150℃時碳纖維布與混凝土之間膠粘劑的剪切強度幾乎衰減殆盡。據(jù)此按表4可知,本文試驗中防火涂料厚度分別為10mm(試件L1、L4)和20mm(試件L2、L3、L5、L7、L8)時,平均升溫約25min和37min后即可認為碳纖維布的加固作用完全喪失。(2)對于加固梁試件L1和未加固梁試件L6,7#測點和8#測點的溫度-時間曲線與截面布設位置相同的2#測點非常接近,表明沿梁軸線方向不同截面的溫度分布是一致的,不過試件表面某些部位的混凝土脫落可能改變這一趨勢。例如,加固梁試件L8的7#測點和2#測點的溫度-時間曲線雖然非常接近,但8#測點的溫度卻在升溫20min后逐漸偏大,就是因為8#測點所在位置的混凝土表面脫落嚴重所致。(3)對于未加固梁試件L6,布設于箍筋中點處的4#測點與梁底受火面的距離小于布設于縱筋外表面的3#測點與梁側受火面的距離,同時3#測點還靠近梁頂未受火面,因此4#測點的溫度始終大于3#測點。對于加固梁試件L1～L5和L7、L8,雖然3#測點和4#測點的布設位置與未加固梁試件L6相同,但由于梁底防火涂料的保護,4#測點的溫度開始都低于3#測點,只是隨著升溫的繼續(xù)防火涂料脫落之后,4#測點的溫度才逐漸接近甚至超過3#測點。(4)對于未加固梁試件L6,雖然布設于箍筋中線處的2#測點與梁側受火面的距離小于布設于縱筋外表面的1#測點與梁側或梁底受火面的距離,但由于1#測點雙面受火,使得1#測點的溫度大于2#測點。對于加固梁試件L1～L5和L7、L8,由于梁底防火涂料的保護,1#測點開始也僅為單面受火,因此2#測點的溫度開始都大于1#測點,但隨著防火涂料脫落1#測點的溫度逐漸接近甚至超過2#測點。2.2.2溫升溫過程中梁的剛度變化扣除梁端測點4和5的微小剛體位移之后,測點1、2、3的實測撓度-時間曲線見圖9。圖10所示為不同試件測點2的實測撓度-時間曲線的對比。從圖9和圖10中可以看出(測點編號見圖5):(1)跨中測點2的撓度大于測點1和測點3,特別是升溫后期更為顯著;對稱布置的測點1和測點3的撓度-時間曲線總體上較為接近,體現(xiàn)出了其測點的對稱性。(2)停火降溫約50min之后,加固梁試件的撓度-時間曲線總體上呈現(xiàn)出一定的回彈現(xiàn)象(撓度有所減小),表明降溫后梁剛度有所恢復。(3)升溫150min時,設置防火涂料的加固試件L3、L7和L8的跨中撓度較為接近,且大于未設置防火涂料的非加固梁試件L6的相應撓度。這是因為在荷載比相同的情況下(試件L3、L6～L8的荷載比均為0.3),加固梁試件所承受的豎向荷載大于非加固梁試件。(4)在升降溫過程中,荷載比和防火涂料厚度(10mm)均相同而僅梁端約束工況不同的加固梁試件L4和L1相比,升溫10min以后L4的跨中撓度始終大于L1,這表明在防火涂料厚度較小時梁端約束對加固梁的高溫變形有一定影響。但荷載比和防火涂料厚度(20mm)均相同而僅梁端約束工況不同的加固梁試件L5和L2相比,二者的跨中撓度卻總體較為接近,說明上述影響隨著防火涂料厚度的增加有所減弱。(5)在升降溫過程中,各試件的實測最大跨中撓度大致在12～16mm范圍內,遠小于文獻針對簡支梁給出的破壞撓度L/20(L為梁的跨度,對于本文試件若取L=4400mm,則L/20=220mm)。這表明碳纖維布的加固作用雖然提早喪失,但約束梁在長達150min的升溫過程和120min的降溫過程中,仍能維持較好的耐火性能。由于目前國內外尚未給出約束梁的高溫破壞判斷依據(jù),因此這里僅借用簡支梁的相應判斷依據(jù)進行初步比較。2.2.3溫段消失后的試驗件圖11所示為試件的實測軸向變形-時間曲線(軸向變形由圖4中1、2位移計量測而得),表5給出了各試件軸向變形的最大值。從圖11和表5中可以看出:(1)試件的軸向變形總體呈現(xiàn)出升溫階段逐漸增大而降溫后有所恢復的趨勢,最大值一般發(fā)生在停火后10min左右。(2)對于荷載比為0.3的試件L3、L6、L7和L8,前三者軸向變形的最大值均大于L8,這主要是因為L8的軸向約束剛度比大于試件L3、L6和L7的緣故。同理,對于荷載比為0.5的試件L1、L2、L4和L5,前兩者軸向變形的最大值也均大于試件L4和L5。(3)在荷載比和軸向約束剛度比相同的情況下,試件L1和L4的軸向變形最大值分別略大于試件L2和L5,這可能是因為試件L1和L4的防火涂料厚度小于試件L2和L5,使得試件L1和L4的內部溫度偏高的緣故。2.2.4試驗件軸向約束剛度比為0.3的試件l3、l6、l7和l圖12所示為試件兩端的實測軸力-時間曲線。表6給出了各試件左、右兩端軸壓力最大值的平均值,以及附加軸壓力(當前軸力減去初始軸力)最大值的平均值。從圖12和表6中可以看出:(1)試件兩端的軸力表現(xiàn)出較好的對稱性,且總體呈現(xiàn)出升溫階段逐漸增大而降溫后有所減小的趨勢,最大值一般出現(xiàn)在停火后10min左右。(2)對于荷載比為0.3的試件L3、L6、L7和L8,前三者左、右兩端附加軸力最大值的平均值均明顯小于試件L8,這主要是因為試件L8的軸向約束剛度比大于試件L3、L6和L7的緣故。同理,對于荷載比為0.5的試件L1、L2、L4和L5,前兩者左、右兩端附加軸力最大值的平均值也均明顯小于試件L4和L5。(3)在荷載比和軸向約束剛度比相同的情況下,試件L1和L4的左、右兩端附加軸力最大值的平均值分別略大于試件L2和L5,這是因為試件L1和L4的防火涂料厚度小于試件L2和L5,使得試件L1和L4的內部溫度偏高導致軸向熱膨脹相對較大的緣故。同理,由于非加固梁試件L6未設置防火涂料,而加固梁試件L3和L7涂抹有厚度為20mm的防火涂料,致使試件L6左、右兩端附加軸力最大值的平均值也分別略大于試件L3和L7。(4)梁端約束在梁內產(chǎn)生的最大軸力比達0.091,且降溫時僅少量恢復,致使高溫后梁內存在殘余軸壓力。需要指出的是,表6中最大軸力比是軸壓力最大值與梁截面常溫受壓承載力之比,若改為與高溫下梁截面的受壓承載力之比,最大軸力比數(shù)值將顯著加大。2.2.5升溫階段不同加固梁端圖13所示為試件兩端的實測彎矩-時間曲線。表7給出了各試件左、右兩端彎矩最大值的平均值,以及附加彎矩(當前彎矩減去初始彎矩)最大值的平均值。從圖13和表7中可以看出:(1)各試件左、右兩端的彎矩-時間曲線大體上具有較好的一致性,且呈現(xiàn)出先逐漸增大而后漸漸恢復的總體趨勢。這是因為升溫前期梁底相對于梁頂更明顯的膨脹趨勢(梁頂面未受火)以及梁端約束系統(tǒng)的制約作用,使得梁截面產(chǎn)生不均勻分布的附加壓應力,截面下部壓應力較大,沿截面向上逐漸減小,此不均勻分布的附加壓應力的合力可分解為1個沿梁中軸線的附加軸力,以及1個使梁下部受壓、上部受拉的附加彎矩。由于此類彎矩的方向與梁端截面的初始彎矩方向相同,從而使得梁端彎矩的數(shù)值逐漸增大。升溫后期由于梁頂逐漸升溫致使該區(qū)域附加壓應力也漸漸增大,附加彎矩隨之降低,從而導致梁端彎矩開始逐漸減小。降溫階段由于梁底相比于梁頂降溫更快(通常溫度越高,降溫越快),使得附加彎矩進一步變小進而導致梁端彎矩繼續(xù)降低。試驗中梁端實測彎矩在升溫階段的變化趨勢與文獻的數(shù)值分析結果是一致的。(2)非加固梁試件L6的梁端彎矩峰值點出現(xiàn)時刻明顯早于其它加固試件。這是因為L6未設置防火涂料,其底部溫度升高速率明顯大于設置有防火涂料的其它加固試件,導致其附加彎矩的增長速率加快,最終使得其梁端彎矩的峰值點出現(xiàn)時間提前。與此同時,非加固梁試件L6左、右兩端附加彎矩最大值的平均值也大于其它所有加固梁試件。(3)對于荷載比為0.3的試件L3、L7和L8,雖然試件L8對應的轉動約束剛度大于試件L3和L7,但試件L8左、右兩端附加彎矩最大值的平均值卻只略大于試件L3而明顯小于試件L7,前一現(xiàn)象表明轉動約束剛度增加可導致附加彎矩略有增大,后一現(xiàn)象則可能與試驗過程中試件L7的混凝土脫落程度明顯偏大(見第2.1節(jié))導致內部劣化加重有關。對于荷載比為0.5的試件L1、L2、L4和L5,雖然前兩者對應的轉動約束剛度大于試件L4和L5,但試件L1和L2左、右兩端附加彎矩最大值的平均值卻與試件L4和L5十分接近。總體來看,在本文參數(shù)范圍內(工況1和工況2的轉動約束剛度比分別為0.634和0.896),轉動約束剛度的影響非常有限。(4)在荷載比和梁端約束工況相同的情況下,試件L1和L4的左、右兩端附加彎矩最大值的平均值分別略大于試件L2和L5,這是因為試件L1和L4的防火涂料厚度小于試件L2和L5的緣故。(5)在試驗參數(shù)范圍內,約束系統(tǒng)在梁端產(chǎn)生的最大彎矩比達1.09,但高溫后梁端彎矩有較大程度的恢復。需要指出的是,表7中最大彎矩比雖達0.77～1.09,但各試件的左、右兩端并未發(fā)生明顯破壞。這一方面是