粘贴CFRP布加固受火后预应力混凝土空心板的试验研究
许清风1，韩重庆2，张富文1，全威3
(1. 上海市建筑科学研究院 上海市工程结构新技术重点实验室，上海，200032；
2. 东南大学 建筑设计研究院有限公司，江苏 南京，210096；
3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉，430063)
摘要：为研究火灾后预应力混凝土空心板采用粘贴碳纤维布加固前后的力学性能和破坏形态，进行8块受火后加固的预应力混凝土空心板的静载试验研究，并考虑15，30，45和60 min 4种不同受火时间。研究结果表明：粘贴CFRP布加固受火损伤预制空心板能有效抑制其开裂并显著提高承载力，但破坏模式由加固前的弯曲破坏转变为剪切破坏；受火加固试件初始弯曲刚度小于未受火对比试件的弯曲刚度，但后期弯曲刚度明显大于未受火对比试件的弯曲刚度。
关键词：预应力混凝土空心板；火灾；碳纤维布；加固；力学性能
中图分类号：TU352.5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4301-06
Experimental research of fire-damaged PC hollow-core slab strengthened with CFRP sheets
XU Qingfeng1, HAN Chongqing2, ZHANG Fuwen1, QUAN Wei3
(1. Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure,
Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China;
2. Architects & Engineers Co., Ltd, Southeast University, Nanjing 210096, China;
3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)
Abstract: To study the mechanical properties and failure modes of fire-damaged prestressed concrete hollow-core slabs before and after being strengthened by CFRP sheets, 8 strengthening specimens exposed to fire were experimentally studied by static load tests. Among all the specimens, four different fire durations for 15, 30, 45 and 60 min were considered. The experimental results show that fire-damaged slabs strengthened with CFRP sheets inhabit cracking effectively and improve bearing capacity significantly, but their failure mode is changed into shear failure from original bending failure. And compared with control specimens of non-heated, initial bending stiffness of strengthening fire-damaged specimen is lower, but the later bending stiffness becomes much higher.
Key words: PC hollow-core slab; fire; CFRP sheets; strengthening; mechanical behavior
通常情况下，钢筋混凝土结构在火灾中表现良好[1]，灾后可通过合理的修复加固后恢复其使用功能。目前粘贴碳纤维聚合增强物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固技术已在工程结构加固中得到了广泛运用，但用来加固火灾受损的混凝土结构研究尚处于起步阶段[2-4]。徐志胜等[5]结合对结构火灾损伤的分析，采用有限单元法对火灾后CFRP加固钢筋混凝土梁荷载与应变、挠度的关系进行了数值分析。张焱等[6-7]通过对受火损伤后CFRP加固混凝土梁的抗弯试验，研究了加固前后力学性能的变化规律，试验结果表明火灾损伤后钢筋混凝土梁使用CFRP加固能明显改善力学性能。项凯等[8]进行了CFRP布加固火灾后钢筋混凝土连续梁的试验研究，研究结果表明：采用碳纤维加固可以提高受火后混凝土连续梁的承载力和刚度，同时对受火梁的内力重分布有一定影响。刘利先等[9]通过对11根三面加温后单面加固钢筋混凝土小偏心受压试件进行加载试验，分析了不同偏心距、不同强度混凝土加固试件的承载力和变形规律及破坏特征。王茂龙等[10]进行了高温后12个圆钢管混凝土短柱粘贴CFRP的加固试验，试验表明采用CFRP加固的高温受损构件力学性能得到明显改善。Yaqub等[11]进行了未受火、严重受火和受火后加固圆形钢筋混凝土柱的试验研究，研究表明采用一层GFRP或CFRP布加固的受火混凝土柱的抗压承载力和延性较受火未加固试件有显著增加，且其极限承载力可恢复甚至大于未受火试件的水平，但对刚度的影响并不明显。Bisby等[12]对33根未受火、不同受火时间及温度和受火后粘贴FRP布加固的混凝土圆形柱进行了试验研究，试验表明FRP加固能有效提高受火混凝土柱的承载力，即便是对于受火后损伤特别严重的试件仍有效。陆洲导等[13]对火灾后预应力混凝土框架采用碳纤维和预应力加固试验结果进行了分析，研究表明2种加固方法对预应力混凝土框架极限承载力都有大幅度提高，但对刚度和延性的贡献有所不同。陆总兵等[14]通过分析火灾对钢筋混凝土结构损害的机理，阐述了火灾后钢筋混凝土结构修复加固的原则和方法。目前国内外关于预应力混凝土空心板(以下简称预制空心板)火灾性能的研究较少，许清风等[15]进行了预制空心板耐火极限的试验研究，研究表明，随着持荷水平增加底面受火预制空心板耐火极限明显降低。韩重庆等[16]进行了预制空心板受火后力学性能的试验研究。研究表明，升温过程中预制空心板跨中挠度随受火时间显著增加，不同受火时间后预制空心板开裂荷载和破坏荷载均有所降低。本文作者选取我国广泛使用的预制空心板为研究对象，进行了粘贴CFRP布加固受火后预制空心板力学性能的试验研究，为火灾后预制空心板楼面的加固修复提供技术依据。
1 试验
1.1 试件设计
本文共进行了8个粘贴CFRP布加固火灾后预制空心板的对比试验研究。其中未受火未加固对比试件3个，编号为CB1，CB2和CB3；未受火加固试件1个，编号为B0F；分别受火15，30，45和60 min并粘贴CFRP布加固试件各1个，编号分别为B15F，B30F，B45F和B60F。
1.2 试验材料
本次试验用预制空心板选用江苏省结构构件标准图集《120预应力混凝土空心板图集(冷轧带肋钢筋)》(苏G9401)[17]中的
，空心板高度为120 mm，混凝土强度为C25，冷轧带肋钢筋为LL650，抗拉强度标准值为650 MPa。空心板预应力采用先张法施加，实际施工时单根钢筋张拉力取为7 kN。
本次试验选用的CFRP布公称厚度为0.167 mm，材料试验测得的抗拉强度大于3 200 MPa，弹性模量大于230 GPa。选用双组分碳纤维浸渍胶，抗压强度大于70 MPa，与混凝土正拉粘结强度大于2.5 MPa。
1.3 受火处理及加固
本次试验在东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室进行。受火试验按照ISO 834标准升温曲线，预制空心板端部搁置在水平试验炉炉壁上，搁置点间距为3.6 m，板底搁置端内全长受火，受火时间分别为15，30，45和60 min。
受火预制空心板自然冷却后，用砂轮机去除板底受火面的水泥浮浆和疏松层，直到粗骨料露出；去除板底浮尘；按照CFRP布粘贴工艺在预制空心板底面粘贴一层CFRP布。待结构胶充分养护后，进行试验研究。
1.4 加载试验
本次试验所有试件均采用三分点加载，支座间距为3.6m。荷载由千斤顶施加并通过分配梁传递，试验加载装置如图1所示。正式加载前进行预加载消除系统误差。正式加载采用单调分级加载，数据采集采用3816静态数据采集系统。
在荷载试验中，通过在各试件跨中截面布置应变片以了解加载过程中跨中截面受力情况；在试件支座和跨中布置位移计以了解加载过程中的整体变形情况。应变片粘贴前需先去除受火预制空心板表面的混凝土疏松层。应变片和位移计布置如图1所示。
图1 元件布置及加载示意图
Fig. 1 Test setup and layout of strain gauges
2 试验现象描述
2.1 未受火未加固对比试件CB1~CB3
对比试件CB1~CB3在荷载增加至极限荷载的37%~42%时，在纯弯区段靠近跨中出现第一条细微裂缝；随着荷载增加，纯弯区弯曲裂缝逐渐增多；加载至极限荷载时，伴随巨大声响预制空心板在主裂缝处突然断裂为两截破坏。CB1~CB3开裂荷载分别为6.0，5.0和5.0 kN，平均值为5.3 kN；极限荷载分别为14.3，13.0和13.5 kN，平均值为13.6 kN。对比试件CB1~CB3的破坏形态如图2所示。
图2 对比试件CB1~CB3破坏形态
Fig. 2 Failure modes of CB1~CB3
2.2 未受火加固对比试件B0F
对比试件B0F加载至8 kN时，在靠近固定铰支座的三分点处出现第一条裂缝；随着荷载增加，纯弯区弯曲裂缝不断增加，且向上发展。加载至30 kN时，伴随较大响声试件在靠近加载点处出现第1条弯剪斜裂缝。加载至39 kN时，楼板开始发出连续响声，持荷过程中试件突然在加载点处断裂，混凝土与CFRP布剥离，发生剪切破坏。B0F破坏形态如图3所示。
图3 B0F的破坏形态
Fig. 3 Failure mode of contrast strengthening specimen B0F
2.3 受火后加固试件B15F~B60F
试件B15F，B30F，B45F和B60F在荷载增加至极限荷载的36%~52%时，在纯弯区靠近加载点处出现第一条弯曲裂缝。随着荷载增加，弯曲正裂缝增多，但大部分集中在纯弯段。当荷载增加至极限荷载的53%~76%时，试件在靠近加载点处出现第一条弯剪斜裂缝，并伴有撕裂声响。试件B15F加载至45 kN后持荷时，伴随明显声响约5 cm宽碳纤维布剥离，试件发生CFRP布端部剥离破坏，如图4(a)所示。试件B30F，B45F和B60F在荷载增加至极限持荷(分别为34，31和32 kN)时，伴随较大声响试件突然在一侧加载点处断裂，混凝土与CFRP布局部剥离，但钢筋未拉断，试件发生剪切破坏，分别如图4(b)，4(c)和4(d)所示。
图4 加固试件破坏形态
Fig. 4 Failure modes of strengthening specimens
3 试验结果
3.1 极限承载力和变形
主要试验结果如表1所示。
由表1可知：粘贴CFRP布加固能有效抑制受火预制空心板裂缝的开展，因而各加固试件的开裂荷载较未受火对比试件大幅提高；加固后各试件的极限承载力和破坏挠度大大超过未受火未加固的对比构件。
为了便于分析，将各受火后加固试件荷载-位移曲线与文献[16]中受火后未加固试件的荷载-位移曲线进行对比，如图5所示。
表1 主要试验结果
Table 1 Main experimental results
图5 各试件荷载-位移曲线对比
Fig. 5 Load versus mid-span deflection curves of specimens
从图5(a)~5(e)可知：无论是受火试件还是未受火试件，采用碳纤维加固后都能有效提高极限承载力；采用粘贴CFRP布加固受火预制空心板后，其初始弯曲刚度有所提高。受火后未加固试件B15~B60均发生弯曲破坏[16]，而受火后加固试件除B15F发生CFRP端部剥离破坏外，其余均发生剪切破坏。从图5(f)可知：受火时间越长，加固后极限承载力越低，这主要是因为楼板受火时间越长，其材料力学性能受火灾损伤越严重。
通过以上分析可得：(1) 对于受火后的预制空心板，采用板底粘贴碳纤维布的加固方法能有效抑制楼板的开裂；(2) 粘贴CFRP布加固后，受火预制空心板极限承载力明显提高，多发生剪切破坏。(3) 受火60 min的预制空心板虽然承载力损失严重，但粘贴CFRP布加固后的极限承载力仍大大超过未加固未受火对比试件，有加固的价值。
3.2 应变分析
受火试件、受火后加固试件和未受火未加固对比试件跨中受拉边缘和受压边缘的应变对比如图6所示。其中1号应变片位于跨中受压边缘中心，3号应变片位于跨中受拉边缘中心。
从图6可知：受火时间在30 min以内时，受火试件和受火后加固试件的初始弯曲刚度差异不明显；而随着受火时间延长，受火后加固试件的初始弯曲刚度逐渐大于未加固受火试件，且增幅越来越大。尽管受火后加固试件的初始弯曲刚度小于未受火未加固试件的弯曲刚度，但后期弯曲刚度明显大于未受火未加固试件的弯曲刚度，体现了加固的效果。
图6 试件跨中边缘应变对比图
Fig. 6 Load versus strain at mid-span of slabs
4 结论
(1) 对受火时间不超过60 min的预制空心板进行粘贴CFRP布加固后，能有效抑制楼板开裂。
(2) 粘贴CFRP布加固受火后预制空心板的承载力显著提高，即便受火时间较长、承载力损失较严重的预制空心板粘贴CFRP布加固后的承载力也超过未受火对比试件的承载力。
(3) 受火后试件粘贴CFRP布加固后，除B15F发生CFRP布端部剥离破坏外，其余均发生剪切破坏，而未加固受火试件和未受火对比试件均发生弯曲破坏。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-09-11；修回日期：2012-12-23
基金项目：上海市科委应用技术开发项目(2011-114)；上海市人才发展资金资助项目(2011058)
通信作者：许清风(1973-)，男，江苏东台人，博士，教授级高工，从事结构抗火和维修加固研究；电话：021-64696581；E-mail：xuqingfeng73@163.com
