趙良科 黃 靚,* 曾令宏 許 頎 許仲遠(yuǎn) 高 暢

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410082; 2.中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,長沙410021; 3.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,廣州 510010)

0 引 言

FRP(Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前土木工程學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域和建筑業(yè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要方向之一。FRP材料具有抗拉強(qiáng)度高,密度小,耐久性好,耐腐蝕性強(qiáng),熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)[1-3],并已應(yīng)用于工程實(shí)例,美國、日本、歐洲等國已有相關(guān)FRP加固規(guī)范[4]。1982年,在瑞士聯(lián)邦材料實(shí)驗(yàn)室首次進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土的試驗(yàn)研究,開啟了FRP在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)展的序幕。隨后玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics)等其他FRP材料在結(jié)構(gòu)加固方面的研究也逐漸開展,并取得了諸多成果。BrenA S F等[5]和Alagusundaramoorthy P等[6]均對CFRP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:CFRP加固能夠明顯增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的承載能力。徐志勝[7]采用CFRP加固,明顯提高了構(gòu)件的承載力,單層與雙層加固梁承載力相比對比梁能夠分別提高15%和26%。吳剛[8]研究了CFRP加固混凝土梁的抗彎和抗剪試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),鋼筋混凝土梁經(jīng)CFRP加固后,梁截面應(yīng)變?nèi)苑掀浇孛婕俣?并且CFRP加固能夠在一定程度上提高梁的抗剪承載力。甘賢軍[9]采用GFRP加固混凝土梁。結(jié)果表明,梁裂縫發(fā)展緩慢,剛度和延性均有較大提高。Bahn B Y等[10]對CFRP和GFRP加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了端部錨固,試驗(yàn)表明:端部錨固能夠有效地避免纖維布的端部剝離破壞,從而更加充分地利用纖維布的加固效果。

FRP加固混凝土梁是目前工程應(yīng)用較廣泛的加固方法之一,其破壞有彎曲破壞、剪切破壞、粘結(jié)破壞。為充分發(fā)揮FRP材料的優(yōu)異性能,在采用FRP加固時,一般會避免加固梁出現(xiàn)剪切破壞和粘結(jié)破壞,Sebastian W M[11]通過研究粘結(jié)破壞模式及其影響得出粘結(jié)破壞為脆性破壞。這種粘結(jié)破壞沒有破壞征兆,而且不能達(dá)到適筋破壞梁的承載力,甚至低于未加固梁的承載力[12]。因此FRP加固梁的承載力一般是指梁彎曲破壞時的承載力。基于以上分析,本文對聚酯纖維增強(qiáng)塑料(PFRP)加固鋼筋混凝土梁常見的彎曲破壞模式進(jìn)行了分析,并推導(dǎo)出了抗彎承載力計算公式。

目前采用的FRP加固材料主要為CFRP、GFRP等。這些FRP材料雖然有優(yōu)異的物理力學(xué)性能,但其基體為樹脂,且生產(chǎn)成本較高,并為不可再生材料。其中,碳纖維材料主要由日本生產(chǎn),美國其次,其他國家產(chǎn)量很少,碳纖維國產(chǎn)化還有很大難度[13-15]。因此，傳統(tǒng)的人造纖維在大規(guī)模推廣應(yīng)用方面有很大不足,并且不符合國家節(jié)能環(huán)保的要求。聚酯纖維(Polyester Fiber)是新型的人造纖維,是一種綠色可再生材料。聚酯纖維織物適用于衣著、室內(nèi)裝飾織物和地毯等方面。2009年,世界聚酯纖維產(chǎn)量3 190萬噸[16],2010年,世界聚酯纖維產(chǎn)量為3 730萬噸[17],2015年聚酯纖維產(chǎn)量達(dá)到5 800萬噸。因此聚酯纖維的來源十分廣泛。PFRP盡管在力學(xué)性能方面不及CFRP和GFRP,但因其較高的性價比以及良好的物理力學(xué)性能使之能夠在結(jié)構(gòu)加固中起到重要作用[18]。本文通過試驗(yàn)研究了PFRP加固混凝土梁的抗彎性能,同時將承載力試驗(yàn)值與理論值進(jìn)行了對比。

1 PFRP軸向拉伸材性試驗(yàn)

用濕粘法分別制作4層和6層聚酯纖維布試件。每組5個試件,共10個。試件總長度170 mm,試件測試長度90 mm。在構(gòu)件成型后并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)開始前,量取試件的厚度和寬度。

環(huán)氧樹脂相對于聚酯樹脂和乙烯基樹脂而言,其擁有良好的力學(xué)性能和化學(xué)耐久性,固化收縮率較小且與纖維之間粘結(jié)性能好。因此,本試驗(yàn)的膠粘劑采用湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)的JN-C3P改性環(huán)氧膠粘劑。其物理和力學(xué)性能如表1所示。

表1環(huán)氧樹脂的物理和力學(xué)性能

Table 1Physical and mechanical properties of the epoxy adhesive

PFRP軸向拉伸材性試驗(yàn)在湖南大學(xué)建材試驗(yàn)室進(jìn)行,采用型號為C43.304的MTS微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。加載時,采用位移控制的加載方式。加載速率為0.05 mm/min。在試驗(yàn)過程中,當(dāng)施加的荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時,試件開始出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的輕微響聲。隨著荷載的不斷增大,響聲也逐漸增大且連續(xù)不斷,直至試件發(fā)生斷裂。試件拉斷時,纖維布斷裂成幾條,并伴有清脆的撕裂聲,斷裂位置基本位于試件中部。通過試驗(yàn)得到的PFRP試件拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率見表2。PFRP試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1。

由表2可知,4層和6層PFRP試件的拉伸強(qiáng)度平均值分別為42.9 MPa、44.3 MPa,彈性模量平均值分別為6.6 GPa、6.5 GPa,斷裂伸長率為1.7%左右。

表2PFRP拉伸試驗(yàn)結(jié)果

Table 2Tensile test results of PFRP

圖1 PFRP應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curves of PFRP

2 PFRP加固梁彎曲破壞模式及承載力分析

外貼FRP加固鋼筋混凝土梁的破壞模式主要有以下幾種類型:①FRP被拉斷;②受壓區(qū)混凝土壓碎;③FRP纖維布剝離破壞;④梁底混凝土保護(hù)層剝離破壞;⑤梁斜截面剪切破壞。其中,①②屬于彎曲破壞,③④屬于剝離破壞,⑤屬于剪切破壞。

如果在FRP加固鋼筋混凝土梁的端部進(jìn)行可靠的錨固,那么FRP加固梁的承載能力極限狀態(tài)將主要取決于FRP被拉斷或受壓區(qū)混凝土壓碎。剝離破壞主要是因?yàn)椴牧腺|(zhì)量或施工質(zhì)量不過關(guān)而引起的。本文采用的PFRP的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CFRP,并且保證了材料質(zhì)量和施工質(zhì)量。因此,PFRP加固鋼筋混凝土梁最常見的彎曲破壞模式主要有以下2種:①PFRP未拉斷,受壓區(qū)混凝土被壓碎;②PFRP被拉斷,受壓區(qū)混凝土未壓碎。

本文中所有材料性能均采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[19]中的有關(guān)規(guī)定。

文中,h為梁截面高度,b為梁截面寬度,h0為受拉鋼筋合力作用點(diǎn)到梁受壓邊緣的距離,as為受拉鋼筋合力作用點(diǎn)到梁受拉邊緣的距離,x0為梁截面中和軸高度,εcu為混凝土極限壓應(yīng)變(本文取0.003 3),εc為混凝土壓應(yīng)變,εs為受拉鋼筋應(yīng)變,εf為PFRP纖維布應(yīng)變,C為梁受壓區(qū)混凝土合力,Es為受拉鋼筋彈性模量,Ef為PFRP纖維布彈性模量,Ts為受拉鋼筋合力,Tf為PFRP纖維布合力,fc為混凝土抗壓強(qiáng)度,fy為受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度,As為受拉鋼筋橫截面積,Af為PFRP纖維布橫截面積,Mu代表梁橫截面彎矩。

2.1 破壞模式(1)

當(dāng)PFRP加固鋼筋混凝土梁的鋼筋和PFRP配置量適中時,可能會發(fā)生PFRP未拉斷,受壓區(qū)混凝土被壓碎的破壞模式。此時,εf<εfu,εc=εcu,εs≥εy。截面的應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖2所示。

由平截面假定得:

εcu

(1)

受壓區(qū)混凝土合力可采用等效的矩形應(yīng)力圖來進(jìn)行計算,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[19],α1=1.0,β1=0.8。

由軸向方向力的平衡可得:

(2)

式(2)為關(guān)于x0的一元二次方程,可求解出混凝土梁截面中和軸高度x0,進(jìn)而可求解出εf。因而可得此破壞模式下,PFRP加固鋼筋混凝土梁的極限承載為

圖2 破壞模式(1)應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.2 Stress-strain distribution of failure mode (1)

(3)

2.2 破壞模式(2)

當(dāng)PFRP加固鋼筋混凝土梁的鋼筋和PFRP配置量較少時,可能會發(fā)生PFRP被拉斷,受壓區(qū)混凝土未壓碎的破壞模式。此種破壞模式下,截面的應(yīng)力-應(yīng)變圖如圖3所示。此時,εf=εfu,εs≥εy。由平截面假定得:

(4)

由軸向方向力的平衡可得:

α1β1fcbx0=fyAs+ffAf

(5)

文獻(xiàn)[20]根據(jù)混凝土本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)出了此種破壞模式下任意εc所對應(yīng)的α1和β1的值,并繪制成了速查表。

先將x0賦值,根據(jù)式(4)計算出εc,然后根據(jù)速查表查出α1和β1的值,并將α1和β1代入式(5),判斷等號兩邊是否相等。若相等,則此時x0即為所求值;若不相等,則不斷調(diào)整x0,重復(fù)上述計算,直至等號兩邊相等為止,即可求出x0。求出x0后,可得PFRP加固鋼筋混凝土梁的極限承載力為:

(6)

圖3 破壞模式(2)應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.3 Stress-strain distribution of failure mode (2)

3 PFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)測試了3根試件梁。試件梁底粘貼PFRP進(jìn)行加固。加載方式為四點(diǎn)彎曲加載。試件詳細(xì)信息如表3所示。加載裝置如圖4所示。鋼筋的材料特性如表4所示。

3.2 加載及破壞

在鋼筋屈服前采用荷載控制的加載方式,加載速率為5kN/級。鋼筋屈服后,采用位移控制的加載方式,加載速率為2 mm/級。試驗(yàn)中,3根試件梁的彎曲裂縫開展過程基本相同。加載初期,整個試件梁處于彈性工作狀態(tài),鋼筋、混凝土、PFRP協(xié)同工作。加載至0.25Pu時,跨中梁底開裂,受拉區(qū)混凝土失去作用。隨著荷載的不斷增大,裂縫逐漸開展,并伴有新的裂縫產(chǎn)生。加載至0.5Pu時,受拉鋼筋屈服。繼續(xù)加載,加固梁PFRP時而出現(xiàn)細(xì)微響聲。最終B-1的破壞模式為豎向裂縫過寬,不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[19]第3.4.5條的要求。B-2出現(xiàn)清脆響聲,破壞模式為PFRP被拉斷。B-3破壞模式為受壓區(qū)混凝土被壓碎。

表3試件參數(shù)

Table 3Details of specimens

圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test Setup

表4鋼筋物理力學(xué)性能

Table 4Material properties of steel bars

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 驗(yàn)證平截面假定

平截面假定是鋼筋混凝土梁理論分析中被廣為接受的基本理論之一。本文中PFRP加固混凝土梁的承載力計算即在平截面假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此,驗(yàn)證平截面假定是十分必要的。本文在鋼筋混凝土梁側(cè)等間距布置了5個應(yīng)變片,用來監(jiān)測混凝土應(yīng)變,部分荷載等級下試件的混凝土應(yīng)變情如圖5所示。

圖5 梁側(cè)混凝土應(yīng)變分布圖Fig.5 Concrete strain distribution diagram

由圖5可知,試件梁在加載時,混凝土應(yīng)變與截面高度基本接近于一條直線,因此試件梁符合平截面假定,因而可采用理論推導(dǎo)的計算公式進(jìn)行預(yù)測PFRP加固梁的承載力。

4.2 承載力分析

試件梁的抗彎極限承載力如表5所示。其中,Pu代表承載力試驗(yàn)值,Pp代表承載力預(yù)測值。根據(jù)不同的破壞模式選取相應(yīng)公式預(yù)測其抗彎承載力。從表5可知,承載力預(yù)測值比試驗(yàn)值略小,因而采用本文中公式計算PFRP加固梁的抗彎承載力是安全的,并且是合理可行。由于PFRP、混凝土等試驗(yàn)參數(shù)有一定誤差,因此承載力理論計算值與試驗(yàn)值有一定誤差屬于正常現(xiàn)象。此外,B-1承載力相比于對比梁CB-1提高了22.3%,B-2承載力相比于對比梁CB-1提高了23.9%。因此,采用PFRP加固能夠提高鋼筋混凝土梁的承載能力。

表5

試件破壞模式及抗彎承載力理論值與計算值對比

Table 5Failure modes and comparison between calculation values and experiment values of bending capacity

未配置FRP的梁CB-1破壞模式為豎向裂縫過寬,不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[19]中的規(guī)定。雖然這種破壞模式屬于適筋延性破壞,但CB-1的延性性能較差,并且跨中撓度較低,裂縫間距也較大,因此其耗能能力較差。對于B-1來說,其破壞模式為PFRP被拉斷,類似于少筋破壞。雖然其最終破壞模式并不滿足延性破壞的要求,但相比于CB-1,其破壞過程中的豎向裂縫寬度大為減小,并且裂縫更加密集,裂縫間距較小,跨中撓度有較大增加,表現(xiàn)出更好的耗能能力和延性發(fā)展的能力。因此B-1雖為脆性破壞,但其破壞前的延性發(fā)展更為明顯,抗彎性能也得到了很大提高。在工程應(yīng)用中,關(guān)于梁破壞模式的設(shè)計有相關(guān)的規(guī)定,但對于FRP加固梁來說,也應(yīng)注重其破壞前的性能提高。因此,對于PFRP加固梁,應(yīng)設(shè)計成綜合性能最優(yōu)的梁B-2。

此外,對于B-1來說,因?yàn)楸驹囼?yàn)采用了較高強(qiáng)度的混凝土,因而采用4層PFRP加固鋼筋混凝土梁的破壞模式為PFRP被拉斷,此種破壞模式雖屬于彎曲破壞,但由于其破壞表現(xiàn)出明顯的脆性,應(yīng)用中應(yīng)避免出現(xiàn)這種破壞模式。鋼筋混凝土梁的配筋率對其延性有著很大的影響。配筋率越高,梁延性越小,此時采用PFRP加固,PFRP變形較小,因此PFRP可在保持部分塑性的同時發(fā)揮其強(qiáng)度。因此,當(dāng)采用4層PFRP加固時,為防止發(fā)生PFRP被拉斷的脆性破壞,應(yīng)適當(dāng)提高鋼筋混凝土梁的配筋率或用于加固較低混凝土強(qiáng)度鋼筋混凝土梁。除此之外,還可適當(dāng)增加PFRP的層數(shù),以避免出現(xiàn)脆性破壞,如B-2所示。

5 結(jié) 論

本文對PFRP進(jìn)行了軸向拉伸材性試驗(yàn),并通過試驗(yàn)研究了PFRP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能,推導(dǎo)出了PFRP加固鋼筋混凝土梁常見破壞模式下的承載力計算公式。根據(jù)本文分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) PFRP的軸向拉伸性能較為穩(wěn)定,離散性小。

(2) PFRP加固梁的梁側(cè)混凝土應(yīng)變符合平截面假定。

(3) PFRP加固能夠提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載力。4層PFRP加固能夠提高22.3%,6層PFRP加固能夠提高23.9%。

(4) PFRP加固梁極限荷載試驗(yàn)值與理論值較為吻合,并且偏于安全。同時對PFRP加固鋼筋混凝土梁的設(shè)計提出了建議。