详细介绍:
吉林碳纤维布施工工艺,吉林碳纤维布加固公司,技术支持赵工18021008068
用碳纤维加固钢筋混凝土梁,一般是采用在梁底受拉区粘贴CFRP的方法进行加固。CFRP的作用类似于梁底受拉钢筋,它通过为梁截面提供额外的拉力来提高抗弯承载力。尽管CFRP复合材料结构加固技术近年来取得了较大进展,但是仍有一些问题需要做进一步的讨论和研究,其中最为突出的是碳纤维布加固易剥离和粘胶不耐高温的问题。目前解决上述碳纤维布剥离问题最有效的方法就是对碳纤维布采取锚固措施,而要在高温或火灾条件下也能继续工作则需要碳纤维布脱离粘结胶也能继续工作,最好是能有一个方法能同时有效的解决这两个问题。
依据碳纤维布和混凝土梁的构造,经过不断探索,结合各种开发试验。本文中采用了一种紧贴梁侧安装的新型自锁碳纤维布锚固件。在混凝土梁抗弯工作中,对于碳纤维布既能起到一个好的锚固效果,同时又能很好的应用于实际工程中,体积较小,外观精致,施工相当便捷。图中锚具的使用方法是:首先在混凝土梁上打孔,用膨胀螺栓将图中两块梁侧锚件固定在混凝土梁上,固定后再穿过碳纤维布的绕杆,然后将碳纤维布绕上。其操作方法可完全应用于实际工程中。当然其最为关键的是锚固件的对碳纤维布的自锁功能,为了使碳纤维布在受力时不至于滑动移出,对于碳纤维布在绕杆上的绕法也有特定的方法,其具体的操作。在进行碳纤维布加固梁的试验前,我们对开发的梁侧锚件结合碳纤维布进行了试验,效果很好。
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试验方案
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试件设计与制作
试验梁均为矩形截面简支梁,截面尺寸为:b×h=150mm×300mm,梁长2000mrn,跨度1 900rnm,混凝土设计强度等级分别为C20和C30,受力主筋为2014HRB335级钢筋,单排布置,架立筋为2012的HPB235级钢筋;箍筋为08的HPB235级钢筋,问距100mm;主筋和架立筋净保护层厚度为20mm。
本次试验共制作7根混凝土梁,其中1根为基准梁,其它6根梁均采用.’高锚碳纤维布加固。加固用的CFRP材料及相应的粘结胶均为Sika公司提供的系列产品,其中CFRP布的截面积分别为0.167x 50mm和0.167×lOOmm,相应的粘结胶为Sikadur330;其试验参数为:端锚的处理方式、CFRP布的宽度、混凝土的强度。
试验梁混凝土强度设计为C20、C30两种。采用32.5级普通硅酸盐水泥、卵石(最大粒径为20mm)及中砂搅拌浇捣,C20配合比为水泥:砂:石:水=1:1.67:3.89:0.5(重量比),C30配合比为水泥:砂:石:水=l:1.268:3.105:0.4l,人工充分搅拌,棒式振动棒振动密实。按照施工规范要求留置混凝土立方体试块和钢筋试件,作为混凝土实际强度等级和钢筋力学性能参数评定之用。混凝土梁分两批浇注。
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试验梁加载装置及测试系统
本次试验加载装置图,在实验室地轨上立上一榀排架,排架下架设专用的台式支座供加固梁的试验。试验采用两点反位加载,即将试验梁受拉面反向朝上,在原J下向放置试验梁两集中加载处设置一对简支支座,而在原正向放置试验梁两端支座上处放置一根辅助梁,辅助梁上用50T千斤项加载。千斤顶底座通过传力钢板(钢板下铺湿砂浆以保证传力均匀)支承在辅助梁上,然后通过辅助梁传至试验粱上。千斤项上端放置力传感器,传感器与排架横粱直接接触。加载方案采用分级加荷,在试验粱开裂前、受拉钢筋屈服前以及粱破坏前分级适当加密,以确定试验粱的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载。
试验梁的数据测试系统如图2-5所示。千斤顶上的传感器测量荷载作用的大小:在试验梁跨中2根纵向受拉钢筋表面粘贴钢筋应变片,以测量纵向钢筋在加载过程中的跨中应变,钢筋应变片在试验粱混凝土浇捣之前就粘贴在钢筋上.并用环氧胶密封保护:在试验梁跨中两侧截面沿混凝土表面不同高度布置混凝土应变片,应变片直置如图所示,测量受压区混凝土应变的变化情况;在CFRP片材上粘贴钢筋应变片,咀量测试验粱截面应变的分布,端锚有粘结碳纤维布抗弯加固粱碳纤维布上应变布簧具体位置如图2-5所示.端锚无粘结碳纤维布抗弯加固梁,根据实际情况仅在梁跨中局部区域结合粘结胶布置应变片对其应变进行测量:各应变数据采用电子静态应变仪读取,数据存入电脑。在试验梁支座及加载点设置位移计,以量测试验梁在加载过程中的挠度变形,同时用裂缝观测器对裂缝开展进行观测。
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施工工艺
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施工原理.
对于端锚有粘结的碳纤维补强加固,其原理是将碳纤维用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在混凝土构件需补强加固部位表面,然后用碳纤维布锚具在其端部与加固构件进行锚固,待树脂固化后与原构件形成新的受力复合体并共同工作,从而起到加固补强作用。对于端锚无粘结的碳纤维布补强加固,其主要利用碳纤维布端部的自锁锚具将碳纤维布与加固构件联结起来,在构件受力后与构件共同参与工作。
2.2结构粘结剂的选用
胶接强度是由胶粘剂与被粘物之间的界面结合力、胶层内应力和胶层强度所决定的,因此,J下确实施胶接工艺十分必要。粘结剂的种类很多,合适胶粘剂的选用是粘结成功的一个重要环节。用作结构胶使用的胶粘剂的评估必须考虑荷载、材料强度、刚度、温度、湿度的影响以及使用期间的其它环境作用。胶粘剂必须兼顾两种材料的胶结性。对于CFRP与混凝土之间的胶结,由于混凝土表面比较粗糙,宜选用无溶剂双组分化固化型的胶粘剂(这类胶粘剂固化收缩小,胶粘剂还可以起到填充空隙的作用)。在选择胶粘剂时,还要考虑混凝土的刚性。
综合考虑粘胶剂与混凝土之间的工作性能,为使其有足够的抗剪、抗拉、抗弯、抗剥离能力,在这里环氧树脂胶粘剂作为胶粘剂,为了保证其粘结质量,还必须具备以下条件:
1)被粘材料表面的良好浸润性;
2)必要的锚固措施;
3)粘结工艺的合理性
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3工艺流程及操作要求
端锚有粘结碳纤维御加固混凝土梁采用如下施工流程:基底处理一梁端上锚一缠绕碳纤维布一涂底胶一界面找平一粘贴一保护。端锚无粘结碳纤维布加固混凝土梁的施工流程与有粘结加固梁不同,并没有粘结胶参与工作,其试验采用如下施工流程:基底处理一梁端上锚一缠绕碳纤维布一保护。各具体流程工作处理如下:
(a)基底处理
混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,对于较大面积的劣质层在凿除后采用环氧砂浆进行修复;裂缝部位应首先进行封闭处理;用混凝土角磨机、砂纸等机具除去表面浮浆、油污等杂质,对构件基面的混凝土进行打磨平整(尤其是表面的凸起部位要磨平),转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R>20mm);用吹风机将混凝土表面清理干净,并保持干燥。
(b)梁端上锚
针对特制的梁端碳纤维布的锚件,在梁基底打磨完毕后,按试验方案确定的碳纤维布加固长度,定好端锚件的安装位置,确定好打膨胀螺栓的位置,打孔上好螺栓,接上锚件,调整好锚件,为粘贴碳纤维布做好准备。
(c)缠绕碳纤维布
将预先剪裁好的碳纤维布按图2-2的方法绕于梁端碳纤维布锚具上,可先绕其一端,再利用锚具的灵活性将碳纤维布系于另一端锚具,对于有粘结的碳纤维布加固梁,可在缠绕好一端后,对碳纤维布进行粘贴,再固定另一端。对于绕于梁端锚件的碳纤维布,根据设计方案,如有需要粘胶的,应在绕杆和碳纤维布上均匀涂胶,保证纤维布与绕杆的充分粘结。
(d)涂底胶
按主剂:固化剂=3:l的比例将主剂与固化剂先后置于容器中,用弹簧秤计量,均匀搅拌,根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下lh内用完;用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准)再进行下一工序施工。一般固化时间为2--'-'3d。
(e)界面找平
混凝土表面凹陷部位应用找平胶填平,模板接头等出现高度差的部位应用找平胶填补,尽量减小高度差。
(f)粘贴
按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布,调配、搅拌粘贴浸渍树脂(使用方法与底胶相同),然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些;粘贴碳纤维,用特制滚子反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使浸渍树脂充分浸透碳纤维。
(g)保护
对于有粘结碳纤维布加固梁加固后的碳纤维表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护,无粘结碳纤维布加固梁须避免尖锐物体对碳纤维布造成损伤。为了保证梁端锚件和CFRP能充分发挥其高强度的性能,必须严格执行粘结工艺,施工中必须注意以下事项:
①碳纤维布在混凝土梁端锚件绕杆上应尽可能的张拉紧,保证当梁受力时碳纤维布和锚件都能迅速的参与工作。
②抹树脂前,必须先确认底胶为指触干燥。
③纤维布粘贴前先以剪刀或刀片依设计底尺寸大小裁好,尺寸要J下确,裁剪数量为当同所需的数量:在未粘贴前应将裁好的碳纤维标上一记号,最好由专人负责裁剪和保管,在保管时,纤维不能有折断的现象发生。
④用的胶粘剂必须严格按照规定的配比称重,然后充分搅拌。
⑤粘贴后,对拱起的部位及转角处等容易产生起泡的地方,必须小心除泡。如施工面受同光直接照射或要求美观,则需喷涂胶进行耐久性保护;但喷涂必须等树脂初期硬化后再实行,此时先加一层细砂可增加附着力。
⑥养护:CFRP粘贴后,宜用聚乙烯板进行养护,养护时间在24h以上。为保证达到设计强度,平均气温在lO℃时养护两周左右,在20℃左右时养护一周左右。仔细观测补强加固区域外观上的缺陷,包括是否有间隙、孔洞、起等,如果发现则必须补好。
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试验结果及分析
3.1试验现象及破坏特征
DM.C:当加载至19N时,在梁纯弯段跨中附近出现肉眼可见裂缝;随着荷载的增加,裂缝在梁纯弯段不断出现和发展,裂缝间距均匀;当加载至80kN时,钢筋应变开始迅速增长,梁挠度也同时增长加快,明显也感觉到梁裂缝开展很快,宽度也有了很大的增加,同时钢筋应变值已达到屈服状态。继续加载时,梁承载力还有一定的提高,当加载峰值达到84kN时,在试验梁纯弯段靠近一侧支座内侧压区混凝土被压碎,梁退出工作。
DM一50-1600:当加载至30时,在粱纯弯段跨中附近出现可见初始裂缝;随
着荷载的增加,裂缝在粱纯弯段不断出现和发展,裂缝间距均匀:当加载至65kN时,CFRP两端开始胶层开始发出声响,纤维布开始受力,其上应变开始增大,裂缝扩展至04mm。
当继续加载至95kN时,钢筋应变突然增大,钢筋进入屈服阶段,梁裂缝宽度为O 96mm,挠度也增长明显;当加载至130kN时,CFRP在跨中处与粱产生了剥离,其上应变突然增大,并且整个梁长碳纤维布各点应变趋于一致,裂缝迅速扩展至2 95mm;当加载至135kN时,受压区混凝土压碎,梁完全破坏。由试验现象可知50ram宽CFRP布加固梁在此次试验中发生的破坏形态属于钢筋屈服后混凝土压碎破坏
DM一100.1600:当加载至30kN时,在粱纯弯段跨中附近CFRP层发出裂丌的声音,随即在粱纯弯段出现可见初始裂缝;当继续加载时,响声持续出现,裂缝丌始增多和扩展,至106kN时,最大裂缝宽度达到0 21ram;至126KN时,裂缝扩展至0.26ram:在96KNml06KN之问时.钢筋和碳纤维应变都有明显的增加,说明钢筋已进入屈服阶段。当加载至136kN时。CFRP丌始与梁剥离响声集中加剧,裂缝开展至O.59mm,钢筋应变增长开始趋缓,但碳纤维布上应变急剧增大;当加载至141kN时,裂缝开展至0 88mm,碳纤维布上应变继续急剧增大。当加载至151kN时,CFRP完全与混凝土剥离,碳纤维各点应变显剧下降,其中西边应变片溢出,裂缝迅速扩展,荷载急剧下降,同时梁受压区混凝土出现压矿现象,梁退出工作状态。
DMJ-50-1600:当加载至22kN时,随着梁纯弯段跨中附近CFRP壕发出裂开的声音,出现可见初始裂缝;当继续加载时,响声持续出现,裂缝开始增多和扩展,至5lkN时,裂缝宽度达到0 2him:至96KN时,裂缝扩展至lmm;至101KN时,裂缝扩展至1 25mm,胶层下出现明显的裂缝,有小部分开始出现剥离现象;当加载至10610N时,CFRP胶层响声集中加剧,裂缝开展至1.4ram,开始出现剥离现象,从应变片应变的角度来看,在荷载从86KN——96KN时,应变的应变显著增长,其幅度较两原来的变化显著;当加载至1lIkN时,随着“啪”的一声,碳纤维柿和粱明显出现剥离,荷载一下跌至91KN,梁位移明显,裂缝开展明显,碳纤维布上有应变溢出。
DMW-100-1600:当加载至21kN时,梁纯弯段跨中附近出现可见初始裂缝,宽度为003mm;继续加载时,裂缝开始增多和扩展,但碳纤维布的应变变化不明显,与钢筋相比.碳纤维柑还没能完全参与工作。至36kN时,裂缝宽度达到0 3mm r至561GN时,裂缝扩展至0 39mm。当加载至91lcN时,粱钢筋应变片应变己达到屈服状态,也就从这级荷载开
始,CFRP上的应变开始急剧增加,荷载加上又急剧下降,粱挠度迅速扩大,裂缝扩展到1.31ram。继续加载至101KN后,两端锚具上胶层开始连续产生响声,裂缝扩展相当明显.钢筋和CFRP应变增加明显。到106KN时,除锚具端响声继续外.受压区混凝土也开始出现压碎现象,荷载已无法维持稳定,钢筋和CFRP应变都增加很多,梁退出工作。
所有端锚加同粱柑对于试验对比粱不管是糠服荷载还足极限荷载都有了一定程度的提高,起到了一定的加固效果,尤其对于混凝土强度较高的粱,加同效果更为显著:端锚CFRP加同混凝土梁处理方式的不同,对混凝十梁的破坏形式有一定的影响,不带胶端锚拿长粘贴CFRP的加固粱易发生剥离破坏.而带胶端锚全睦粘贴CFRP加固梁和带胶端锚无粘结CFRP加固粱对剥离破坏的抗性更好;对于端锚带胶的粱,全K粘jl|占CFRP和无粘绵相比,加固效果要巫为显著:在混凝上强度为C20的试验梁。p,碳纤维布加固最大小的不
对于加固梁极限荷载并没有太大的影响,由试验结果可以得知,试验梁的破坏形态都归结为梁中钢筋屈服后受压区混凝土出现压碎,而没有出现钢筋屈服后碳纤维布的拉断的情况,因而没有能完全利用上碳纤维布的性能,所以试验中真正起到控制作用的是混凝土的强度,而并非碳纤维布的用量,因而碳纤维布的用量大小对于梁极限荷载大小的提高并没有起到很大的作用,相对而言,混凝土强度为C30试验梁在不同碳纤维布用量加固下其极限比较明显的变化。
3.2加固梁跨中截面应变分布
试验中对跨中截面的CFRP布及钢筋的应变进行了测量,图2.20中给出了七根试验梁加载后的应变变化情况。比较试验梁跨中截面钢筋应变与荷载的关系曲线可以看出:在相同荷载作用下,三类加固梁中钢筋应变在相同荷载下都小于未加固梁相应的应变值,说明CFRP能与原梁共同工作,减轻了梁中钢筋的负荷;相对有粘结碳纤维布加固梁而言,端锚无粘结碳纤维布加固作用较小,其参与工作的效率较低,这与试验过程中碳纤维布的初始状态有关,当碳纤维布在加固梁开始受力时,如因为施工原因并没完全的张拉到位的话,则其参与工作的速度将会延缓,因此它在开始阶段并不能很好的承担加固梁中钢筋的负荷。中给出的是三类加固试验梁跨中截面CFRP应变与荷载的关系曲线。从曲线中可以看出:加固梁碳纤维布应变在相同荷载作用下,100mm宽CFRP加固梁应变小于50mm宽CFRP相应的应变值,说明碳纤维布能及时参与梁的抗弯工作中,碳纤维布中产生的应力也得到到均匀的分配:端锚无粘结碳纤维布加固梁两者的差别不明显,其原因在于梁工作的初始阶段两者都没有完全
的参与。从图2—24、2.23可明显得知三类加固梁中碳纤维布的参与程度高低依次为DMJ、DM、DMW,说明碳纤维布参与工作程度的好坏取决于碳纤维布与梁的结合效果,粘结和锚固措施越多或越牢固则其加固效果越明显。
所有端锚加同粱柑对于试验对比粱不管是糠服荷载还足极限荷载都有了一定程度的提高,起到了一定的加固效果,尤其对于混凝土强度较高的粱,加同效果更为显著:端锚CFRP加同混凝土梁处理方式的不同,对混凝十梁的破坏形式有一定的影响,不带胶端锚拿长粘贴CFRP的加固粱易发生剥离破坏.而带胶端锚全睦粘贴CFRP加固梁和带胶端锚无粘结CFRP加固粱对剥离破坏的抗性更好;对于端锚带胶的粱,全K粘jl|占CFRP和无粘绵相比,加固效果要巫为显著:在混凝上强度为C20的试验梁。p,碳纤维布加固最大小的不对于加固梁极限荷载并没有太大的影响,由试验结果可以得知,试验梁的破坏形态都归结为梁中钢筋屈服后受压区混凝土出现压碎,而没有出现钢筋屈服后碳纤维布的拉断的情况,因而没有能完全利用上碳纤维布的性能,所以试验中真正起到控制作用的是混凝土的强度,而并非碳纤维布的用量,因而碳纤维布的用量大小对于梁极限荷载大小的提高并没有起到很大的作用,相对而言,混凝土强度为C30试验梁在不同碳纤维布用量加固下其极限比较明显的变化。
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加固梁跨中截面应变分布试验中对跨中截面的CFRP布及钢筋的应变进行了测量,七根试验梁加载后的应变变化情况。比较试验梁跨中截面钢筋应变与荷载的关系曲线可以看出:在相同荷载作用下,三类加固梁中钢筋应变在相同荷载下都小于未加固梁相应的应变值,说明CFRP能与原梁共同工作,减轻了梁中钢筋的负荷;相对有粘结碳纤维布加固梁而言,端锚无粘结碳纤维布加固作用较小,其参与工作的效率较低,这与试验过程中碳纤维布的初始状态有关,当碳纤维布在加固梁开始受力时,如因为施工原因并没完全的张拉到位的话,则其参与工作的速度将会延缓,因此它在开始阶段并不能很好的承担加固梁中钢筋的负荷。
给出的是三类加固试验梁跨中截面CFRP应变与荷载的关系曲线。从曲线中可以看出:加固梁碳纤维布应变在相同荷载作用下,100mm宽CFRP加固梁应变小于50mm宽CFRP相应的应变值,说明碳纤维布能及时参与梁的抗弯工作中,碳纤维布中产生的应力也得到到均匀的分配:端锚无粘结碳纤维布加固梁两者的差别不明显,其原因在于梁工作的初始阶段两者都没有完全的参与。可明显得知三类加固梁中碳纤维布的参与程度高低依次为DMJ、DM、DMW,说明碳纤维布参与工作程度的好坏取决于碳纤维布与梁的结合效果,粘结和锚固措施越多或越牢固则其加固效果越明显。
三类加固试验梁跨中截面钢筋和CFRP应变比较曲线。从曲线中可以看出:所有加固梁在受力钢筋屈服前,CFRP中应变大致呈线性增加,且加固梁碳纤维布应变的急速增长都是在钢筋应变开始屈服后说明碳纤维布真J下完全承担工作的时候是钢筋开始退出工作时。得知钢筋应变与CFRP应变在荷载增长过程中几乎相同,说明两者参与工作的时间和程度接近一致,尤其对于50mm宽的加固梁碳纤维布应变在相同荷载下比钢筋要稍大,其参与工作的能力更为显著。
对于端锚无粘结加固梁,碳纤维布在初始阶段参与工作不如其它两种加固方式,这与利用碳纤维布加固时在试验中碳纤维初始状态的张拉松紧程度有很大的关系,但在钢筋屈服后碳纤维布很快的参与了工作,完全承担了梁的负荷,一直到混凝土被压碎后梁退出工作状态,起到了一定的加固效果。端锚碳纤维布加固试验梁在加载过程中跨中截面实测荷载一挠度曲线由,端锚碳纤维布加固梁的荷载一挠度曲线和普通钢筋混凝土梁一样,大致也可以分为三个线性阶段。
在混凝土开裂前,各试验梁的荷载一挠度曲线基本呈线性关系,在混凝土强度相同的情况下,各梁的丌裂荷载相差不大。这主要是因为在荷载较小的情况下,试验梁均处于弹性工作阶段,碳纤维布还没有充分发挥作用。加固梁丌裂至屈服阶段,从实测荷载一挠度曲线来看,曲线仍基本成线性关系。在这一阶段,和基准梁相比较其屈服荷载和基准梁相比均有较大的提高,但提高的幅度与加固方式相互联系,相对而言,端锚带胶粘贴加固的屈服荷载比端锚带胶无粘结提高幅度要大,其原因在于有粘结能使碳纤维布更快的参与加固梁的承载过程。
加固梁屈服以后,荷载增长的幅度减小,但挠度急剧增长,试验梁开始进入破坏阶段,总体上来看,该阶段各试验梁的荷载一挠度曲线仍接近线性关系。相比较而言,基准梁在这一阶段的荷载一挠度曲线比较平坦,呈现明显的延性特征。端锚碳纤维布加固后的梁虽然也表现了一定的延性特征,但其延性明显下降。端锚碳纤维布加固梁的极限荷载较基准梁均有较大的提高,在混凝土强度相同的条件下,端锚带胶粘贴碳纤维布加固梁极限荷载要大于端锚带胶无粘结加固梁。
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裂缝的开展及分布
在试验全过程中,也对端锚加固试验梁裂缝开展情况进行了观察。随着荷载的增加,所有的试验梁均在纯弯段出现明显的弯曲裂缝。基准梁的裂缝发展迅速顺畅,主裂缝明显(图2.6)。端锚碳纤维布加固的试验梁,在加载初期裂缝的出现和开展和基准梁相似,出现主裂缝,裂缝丌展高度和宽度随着荷载的增加而不断增口,但它相对于未加固的试验梁而言,裂缝出现略晚、开裂倚载略大一些,并且裂缝的发展比较缓慢;但当荷载增加到一定程度后,主裂缝的高度增长变缓,但在裂缝的底部出现若干条分叉的次生裂缝,梁腹部裂缝比梁受拉区最外边缘处的裂缝宽度要小,且裂缝最大宽度明显低于基准梁,说明碳纤维布参与受力,抑制了裂缝的开展。由节各加固梁的裂缝图和中可明显看出,在对试验梁进行加固后,试验梁裂缝间距和裂缝宽度都较小。,后四根试验梁中各组试验梁的开裂荷载相差不大,可以做如下分析:端锚带胶粘贴碳纤维布加固梁和端锚带胶无粘结加固梁从实测裂缝结果来看,前者的最大裂缝宽度和平均裂缝间距基本上都比后者要小,这说明粘贴碳纤维布加固试验梁中碳纤维布起到了很好的限裂效果,碳纤维布的利用程度较高。
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