不同方法加固预应力混凝土空心板受力性能试验研究

胡克旭刘宜良 汪 洋

（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）

不同方法加固预应力混凝土空心板受力性能试验研究

胡克旭*刘宜良 汪 洋

（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）

采用板底粘贴碳纤维布和板顶叠合混凝土层的方法研究对预应力空心板的加固效果。共进行了3块板的加固试验，分别采用板底粘贴碳纤维布、板顶叠合混凝土现浇层、同时粘贴碳纤维布和叠合混凝土层3种加固方法，通过测试开裂荷载、极限荷载、挠度和应变，研究了加固板受弯性能。结果表明：在本试验条件下，采用板底粘贴碳纤维布方式加固对板的承载力和延性均有大幅提升；采用板顶叠合层加固的方式对板的承载力和刚度有大幅提升，但破坏形式仍为脆性破坏；而同时采用板底粘贴碳纤维布和板顶叠合层的方式，对板的承载力提高更大，延性也大幅提升。

预应力混凝土空心板，碳纤维布加固，混凝土叠合层加固，受弯试验

1 引 言

预应力混凝土空心板由于其价格便宜、工厂预制、现场安装方便等特点，20世纪六七十年代在我国被大范围使用。目前，大量使用预应力混凝土空心板的建筑仍在服役。然而，在房屋长期使用过程中，这些以预应力混凝土空心板作为楼板的建筑，或由于内部使用功能导致荷载的改变，或由于年久失修存在安全隐患，需要对楼板进行加固处理。

现阶段使用纤维复合材料（FRP）加固混凝土结构的研究主要针对现浇结构，对预应力混凝土结构，尤其是预应力空心楼板的研究很少。闫长旺等［1］在2007年进行了7块预应力混凝土空心板的粘贴碳纤维（CFRP）加固试验，对比分析了粘贴CFRP加固后板的承载力、刚度、延性性能；刘成才等［2］在2006年进行了预应力混凝土叠合空心板的正截面受弯承载力试验，试验表明：在120 mm厚的预应力混凝土空心板上浇筑40 mm叠合层的叠合板，其叠合交界面性能满足使用要求，叠合板的刚度比未叠合板显著提高。本文在上述研究的基础上，进一步研究不同方法加固预应力混凝土空心板的受弯性能，为实际工程提供设计依据。

2 试验设计

2.1 试验试件

利用工程拆除中卸下的4块预应力混凝土空心板进行加固研究。试验用板为两种规格，分别为沪标《沪G302预应力多孔板》［3］中YKB-4-27-3及YKB-5-27-3，制作于1993年。实测空心板板宽380 mm和480 mm，板长2 840 mm，抽孔直径为76 mm，每孔间配置3根φb4低碳冷拔钢筋。

2.1.1 材性试验

为了解试验用预应力混凝土空心板的混凝土强度及预应力钢筋抗拉强度，利用其中的一块板进行材性试验。在板上切取3个混凝土试块测试抗压强度，在3根预应力钢筋上贴应变片测试其残余应力，截取3根预应力钢筋测试其抗拉强度。实测3个混凝土试块平均抗压强度为50 MPa，钢筋的残余应力平均为393 MPa，钢筋的平均抗拉强度为851 MPa（无明显屈服点）。

加固预应力混凝土空心板所使用的碳纤维布为国内某企业提供的QL-800-2型碳纤维片材，抗拉强度3 400 MPa，弹性模量为2.16×105MPa，公称质量200 g／m2，名义计算厚度0.111 mm。

叠合层加固用混凝土为C55自密实细石混凝土，实测3个150 mm×150 mm×150 mm立方体试块28天龄期抗压强度为61.6 MPa。

2.1.2 试件制作

余下的3块预应力混凝土空心板中，其中1块YKB-4-27-3板采用板底贴CFRP布加固（编号B1），另2块YKB-5-27-3分别采用板顶叠合40厚混凝土现浇层加固（编号B2）同时在板底粘贴CFRP和板顶叠合混凝土层加固（编号B3）。由于加固板的宽度不同，考虑到CFRP布加固量尽量一致，B1板底贴2层CFRP布，B3板底贴3层CFRP布。另外，考虑原空心板板端损坏，试验用净跨2 500 mm。试件加固示意如图1和图2所示，试件制作如图3所示。

图1 B1，B3板底贴CFRP加固平面示意图（括号内的尺寸为B3）Fig.1 Bonding CFRP under slab（The dimensions in brackets are B3）

2.2 加载方案与测点分布

采用液压千斤顶三分点集中加载，加载装置如图4所示。采用分级加载，每级荷载为计算破坏荷载的10%，在接近开裂荷载和极限荷载时，每级荷载为破坏荷载的5%，直至试件破坏。

加载过程中记录试件的位移及应变变化。采用位移计测量板跨中、加载点及支座处位移（如图4中的D1－D5）。在跨中截面粘贴应变片分别测量跨中混凝土上部受压区应变、预应力钢筋应变、CFRP纤维应变和混凝土叠合层应变。应变测点位置如图5所示，每个截面对称布置2个应变测点，统一编号为：预应力钢筋应变S1，S2；空心板顶面混凝土应变S3，S4；板底CFRP应变S5，S6；叠合层混凝土顶面应变S7，S8。

图2 B1、B2、B3加固截面示意图Fig.2 Section of B1，B2，B3

图3 试件制作与试验加载状况Fig.3 Construction of specimens and loading device

3 试验结果及分析

3.1 试验现象描述

为研究不同方法加固板的破坏机理，试验过程中对每个试验试件进行了破坏过程的跟踪记录，实际破坏特征如下：

图4 加载装置与挠度测点布置Fig.4 Loading device and measuring point arrangement

图5 试件跨中截面应变片布置示意Fig.5 Strain gauges arrangement of the section atmidspan

B1为只进行板底粘贴CFRP加固的试件。加载至12 kN时，混凝土底部CFRP有轻微噼啪声。加载至18 kN时，跨中出现混凝土开裂，靠近加载点处出现斜裂缝。连续加载至36 kN时预应力空心板中出现两声巨响，加载至47 kN时，板底出现粉状脱离现象，伴随劈啪声。加载至49 kN时，板在左侧加载点外侧被斜向拉裂，内部预应力筋拉断回缩，一幅CFRP布拉断，另一幅在支座处剥离。整体破坏现象类似梁的斜拉破坏，如图6（a）所示。

B2为上部浇筑叠合层加固的试件。加载至27 kN时，跨中板底出现初始裂缝。随后加载至40 kN时，内部预应力筋出现断裂巨响。加载至45.8 kN时，板跨中裂缝延伸至混凝土叠合交界处，内部部分预应力钢筋拉断，结构发生受弯破坏。试验显示，叠合层与被加固结构未发生滑移劈裂，共同工作性能良好。

B3为上部浇筑叠合层、下部粘贴CFRP的试件。加载至30 kN时，加载点外侧附近出现初始裂缝。加载至50 kN时，底部混凝土陆续剥落。加载至69 kN时，左侧加载点处板发生脆性断裂，内部预应力钢筋回缩。整体破坏类似梁的斜拉破坏，如图6（b）所示。

图6 B1和B3试件破坏状态Fig.6 Failuremode of specimen B1 and B3

表1为试验所得各试件开裂荷载、开裂挠度、极限荷载、极限挠度以及破坏形态的汇总情况。结果表明，板顶叠合层加固的空心板B2，承载力提高明显，但破坏时板的挠度很小，仍呈普通空心板的脆性破坏形态。而粘贴碳纤维加固能显著提高试件的承载能力和变形能力；加固试件B1和B3均出现了受剪破坏的情况，说明粘贴碳纤维加固的方法能够显著提高试件的抗弯承载力，加固试件由原来的抗弯控制转为抗剪控制。

表1 实测各试件荷载及挠度Table 1 M easured load and deflection of each specimen

3.2 荷载－挠度曲线

图7为试验所得各试件的荷载－挠度曲线，不同加固方法对板的承载力均有明显提高，而板底粘贴碳纤维加固的B1和B3变形能力较B2也有大幅度提高。

3.3 荷载－应变曲线

图8－图10为根据试验所得的各试件随荷载增加，跨中板顶混凝土、板底CFRP、预应力钢筋、叠合层顶混凝土的应变变化过程。

图7 B1、B2、B3试件实测荷载-跨中挠度曲线Fig.7 B1，B2，B3 load-midspan deflection curve

图8 B1跨中截面荷载－应变曲线Fig.8 Load-strain curve atmidspan of B1

图9 B2跨中截面荷载－应变曲线Fig.9 Load-strain curve atmidspan of B2

图10 B3跨中截面荷载－应变曲线Fig.10 Load-strain curve atmidspan of B3

图11和图12分别为开裂荷载和破坏荷载下的各试件跨中截面应变分布情况，可以看出，无论是开裂荷载还是极限荷载，加固板的跨中截面基本能满足平截面假定。

图11 开裂荷载下加固试件跨中截面变形示意Fig.11 Strain ofmidspan section under cracking load

图12 极限荷载下加固试件跨中截面变形示意Fig.12 Strain ofmidspan section under ultimate load

4 加固效果分析

为进一步对比分析不同加固方法的加固效果，本文对各试件开裂荷载、极限承载力和极限变形进行了计算分析。分析时，做如下基本假定：①截面符合平截面假定；②混凝土和钢筋的应力－应变关系按《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［4］取用；③CFRP布的应力-应变关系为线弹性；④忽略混凝土的抗拉强度；⑤忽略CFRP和混凝土之间的相对滑移；⑥叠合层与旧混凝土间粘结良好。

为方便计算，将原空心板截面依截面面积、形心和惯性矩不变的原则，换算成等效工字形截面，两种截面换算后结果如图13所示。

图13 预应力板等效工字形截面Fig.13 Equivalent cross-section of the slabs

4.1 开裂荷载

B1、B2、B3试件的开裂荷载计算参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［4］中有关规定计算，计算结果如表2所示。

表2 开裂荷载计算与实验对比Table 2 Comparison of cracking load between calculated and experim ental values

表3 极限承载力计算值与试验值对比Table 3 Comparison of ultimate load between calculated and experim ental values

由于受试验试件数量限制，本文未进行不加固的原始预应力空心板的受力性能对比试验。但为对比分析，分别对B1板加固前的板以及B2与B3加固前的板的开裂荷载进行了理论计算，并以此作为加固效果的对比依据。计算得B1板加固前的开裂荷载为14.4 kN，B2和B3板加固前的开裂荷载为18.1 kN。由此可得，粘贴CFRP的B1和未加固板相比，开裂荷载提高25%。而采用浇筑混凝土叠合层的B2和B3的开裂荷载较加固前分别有49%和65%的提升。另外，粘贴CFRP加固的B3和未粘贴CFRP的B2相比，开裂荷载提高11%。对比B1和B2开裂荷载的提高幅度可见，粘贴CFRP加固对预应力混凝土空心板开裂荷载的提高幅度明显小于叠合混凝土加固方法。

4.2 极限承载力

CFRP加固的板的抗弯承载力按照《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB 50608—2010）［5］中4.2.5条T形截面加固正截面受弯承载力的方法计算，抗剪承载力按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［4］中6.3.4条加固截面的斜截面受剪承载力计算方法验算，计算结果如表3所示。试验实测B2的抗弯承载力、B3的抗剪承载力均小于理论值，原因可能为：①叠合层混凝土由于制作原因，强度未达到标称强度，导致截面抗剪能力下降；②预应力钢筋应力水平不齐，试验时先后拉断，导致实测抗弯承载力低。

同样，为对比极限承载力加固效果，对B1板加固前的极限承载力和B2、B3板加固前的极限承载力分别进行了计算。B1板加固前抗弯和抗剪承载力计算值分别为29.3 kN和45.6 kN；B2和B3板加固前抗弯和抗剪承载力计算值分别为36.8 kN和54.1 kN。由此可得，粘贴CFRP加固板B1对未加固板极限承载力提高67%，采用上部浇筑叠合层的加固板B2对未加固板极限承载力提高24%，同时粘贴CFRP和叠合混凝土层的加固板B3对未加固板极限承载力提高87%，而B3对B2的极限承载力提高51%。说明，对于极限承载力而言，CFRP加固效果明显高于叠合层加固。

4.3 挠度计算

挠度计算采用文献［6］中的方法，文中部分公式及参量见《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［4］中有关规定。表4为极限荷载下计算挠度与实验值对比。表中试件挠度的计算值与实验值的比值，其平均值为1.157，标准差为0.233，变异系数为0.202，说明文献［6］的计算方法可用于本试验条件的挠度计算。

表4 挠度计算值与实验值对比Table 4 Comparison of deflection between calculated and experimental values

同样，为对比加固后刚度变化，对B1板加固前的挠度和B2、B3板加固前的挠度分别进行了计算。B1板加固前挠度计算值为25.8 mm；B2和B3板加固前的挠度计算值为26.1 mm。由此可得，粘贴CFRP加固板B1对未加固板破坏时挠度提高96%，上部浇筑叠合层的加固板B2对未加固板破坏时挠度无明显提高，而同时粘贴CFRP和叠合混凝土层的加固板B3对未加固板破坏时挠度提高51%，B3对B2的极限承载力提高97%。结果说明，粘贴CFRP能够大幅度提高预应力空心板的变形性能，而叠合层加固方法无变形性能方面的提高。

5 结 论

本文进行了3块预应力混凝土空心板的不同加固方法对比试验，通过与实测结果和计算结果的对比，得出以下结论：

（1）三种加固方法对预应力混凝土空心板的受力性能均有明显提高。本试验中，板底粘贴CFRP加固板B1的开裂荷载较加固前提高25%，极限承载力较加固前提高67%，变形能力（挠度）较加固前提高96%；上部浇筑叠合层的加固板B2的开裂荷载较加固前提高49%，极限承载力较加固前提高24%，变形能力（挠度）较加固前无明显提高；同时粘贴CFRP和叠合层加固板B3的开裂荷载较加固前提高65%，极限承载力较加固前提高87%，变形能力较加固前提高51%。

（2）对预应力混凝土空心板，采用板底粘贴CFRP加固，可大幅提高其承载能力和变形能力；而板顶叠合混凝土层加固，可明显提高其承载能力，但对变形能力提高不明显。因此，建议实际工程中优先选用板底粘贴CFRP的加固方法；而在需要大幅提高承载力的情况下，可采用同时粘贴CFRP和叠合混凝土层的方法加固。

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［2］ 刘成才，王俊，何元勇.预应力混凝土空心板结构性能试验研究［J］.中州大学学报，2006，1（23）：111-114.Liu Chengcai，Wang Jun，He Yuanyong.On the structural behavior of the pre-stressed concrete thinhollow slabs［J］.Journal of Zhongzhou University，2006，1（23）：111-114.（in Chinese）

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［5］ 中国冶金建设协会.GB 50608—2010纤维增强复合材料建设工程应用技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2010.China Metallurgical Construction Association.GB 50608—2010 Technical code for infrastructures application of FRP composites［S］.Beijing：China Planning Press，2010.（in Chinese）

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［7］ 中华人民共和国建设部.GB 50367—2006混凝土结构加固设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50367-2006 Design code for strengthening concrete structure［S］.Beijing：China Building Industry Press，2006.（in Chinese）

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Experimental Study on M echanical Performances of Different Strengthening M ethods for Pre-stressed Hollow Core Concrete Slabs

HU Kexu*LIU Yiliang WANG Yang
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）

In order to investigate the effect of strengthening pre-stressed RC hollow slabs with carbon fiber reinforced plastics（CFRP）and by adding concrete laminated layer，in this paper，3 strengthened hollow core slabswere tested.These 3 slabs are respectively strengthened by bonding CFRP，adding concrete laminate layer，and by both bonding CFRP and adding laminate layer.In this research，cracking load，ultimate load，deflection and strain were recorded to study the flexural performance of these strengthened slabs.The results showed that：In this experimental condition，the bearing capacity and ductility have increased dramatically under strengthening by CFRP.Italso indicate that the bearing capacity and stiffness increased dramatically under strengthening by laminate layer，but the failuremode of this slab is still brittle failure.If using both CFRP and the laminate layer，both bearing capacity and ductility can be improved.

pre-stressed hollow core concrete slab，strengthening with CFRP，strengthening with concrete laminate layer，flexural test

2013－10－13

*联系作者，Email：kexuhu＠163.com