周 樂(lè), 吳佳奇
(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)
社會(huì)發(fā)展遵循的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提高了新增建筑物的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)有建筑物的使用年限各不相同,部分建筑物在前期設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中可能存在不合理問(wèn)題及后期維護(hù)使用不當(dāng)和自然因素作用的不利影響,導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)承載能力降低而提前進(jìn)入衰退期.為使建筑物保持原有使用功能,采取在原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加固的方法既可以節(jié)省拆除重建的成本,又實(shí)施了節(jié)能環(huán)保的理念.此方法要求對(duì)需加固的建筑物進(jìn)行可靠性鑒定,若鑒定結(jié)果不滿(mǎn)足要求則考慮在原有的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加固[1].
纖維復(fù)合增強(qiáng)材料(FRP)在工程加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,將FRP材料與鋼筋的力學(xué)性能作比較,其強(qiáng)度是鋼筋的幾倍到十幾倍,當(dāng)選用FRP材料對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí),加固構(gòu)件在破壞形態(tài)、極限承載力、可靠性等方面出現(xiàn)了新的值得探討的問(wèn)題[2].中國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)及混凝土規(guī)范與歐洲的相應(yīng)規(guī)范是同一種計(jì)算體系,在構(gòu)造方面的要求相似,而中國(guó)組合結(jié)構(gòu)規(guī)范的構(gòu)造要求與歐洲的規(guī)范卻不是同一種計(jì)算體系[3].因此,在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)不能完全參考規(guī)范,需根據(jù)工程實(shí)際情況綜合考量建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和造價(jià)因素調(diào)整設(shè)計(jì)方案[4].
周樂(lè)等[5]探討了FRP材料在建筑物結(jié)構(gòu)加固中的運(yùn)用,完善了構(gòu)件在承載方面的不足,結(jié)果表明FRP材料顯著提高了建筑構(gòu)件的承載能力,該結(jié)論可應(yīng)用于工程實(shí)踐.導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大部分破壞性損傷的環(huán)境因素離不開(kāi)凍融循環(huán)[6].凍融作用是降低混凝土構(gòu)件承載力的原因之一,反復(fù)凍融作用會(huì)引起混凝土部件凍脹和面層掉渣,甚至粗骨料外露等不良現(xiàn)象,從而降低混凝土部件的承載力.混凝土構(gòu)件的抗凍性能與受凍齡期有關(guān),凍齡期越長(zhǎng),抗凍性越好,這是因?yàn)榛炷敛考膬鳊g越長(zhǎng)越有助于試件中的水泥進(jìn)行充分的水化作用,綜上分析,在氣候變化顯著的地區(qū),考慮凍融作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響是非常有必要的[7].
混凝土材料因其取材方便、抗壓性能高、耐腐蝕性能好、可塑性強(qiáng)及施工方法多樣等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)中被普遍使用,但由于其組成材料的多樣性及施工過(guò)程的多變性使得其存在一定的不足[8],對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能和壽命都有一定的影響.從20世紀(jì)50年代至今,結(jié)構(gòu)加固成為快速成長(zhǎng)的一門(mén)新領(lǐng)域,其中運(yùn)用在混凝土結(jié)構(gòu)中的防震加固、危舊建筑物維護(hù)及施工過(guò)程中的緊急意外處置等許多現(xiàn)實(shí)案例功效顯著[9].混凝土結(jié)構(gòu)加固的主要方法有4種.
(1) 截面增大法.此方法是直接對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固,采取在混凝土受壓構(gòu)件周?chē)蚴軓潣?gòu)件受壓區(qū)澆筑混凝土或采用鋼筋混凝土材料進(jìn)行加固的施工方法,達(dá)到增大建筑物構(gòu)件的截面積或受壓區(qū)高度的目的,但與此同時(shí)也限制了原建筑物凈空間的利用,施工完成后通過(guò)現(xiàn)加固部分與原待加固部分二者的聯(lián)合作用獲得增大原來(lái)混凝土構(gòu)件承載能力使其得到加固的理想結(jié)果[10].
(2) 粘鋼法.此方法是一種直接加固方法,采用專(zhuān)用膠將鋼板或其他型鋼粘貼在素混凝土構(gòu)件或鋼筋混凝土構(gòu)件的外面層.外粘貼鋼板法只適用在不小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[11]中最小縱筋配筋率規(guī)定值的建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件中[12].此方法較其他加固方法優(yōu)越,施工快速,加固之后幾乎不影響凈空間的使用,而且構(gòu)件的承載力提高明顯.
(3) 粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料法.FRP材料中GFRP、CFRP和AFRP應(yīng)用最為普遍,具有抗拉能力高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、與混凝土材料協(xié)同作用好等優(yōu)點(diǎn),因此未來(lái)在建筑物結(jié)構(gòu)修補(bǔ)增強(qiáng)和加固之中得到更普遍的應(yīng)用.在具體施工操作時(shí)首先要處理建筑物構(gòu)件的外表面,之后粘貼纖維材料.此種方法操作簡(jiǎn)便,但是在設(shè)計(jì)中需要考量建筑物的防火等級(jí)要求[13].
(4) 預(yù)應(yīng)力法.是一種當(dāng)待加固建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件不易卸載時(shí)采用的非直接進(jìn)行加固的方法.此方法集卸荷、調(diào)整混凝土構(gòu)件內(nèi)力和補(bǔ)強(qiáng)加固3種形式于一體.此種方法加固的構(gòu)件具有強(qiáng)度高、耐久性?xún)?yōu)越、構(gòu)件截面尺寸較小等優(yōu)點(diǎn).但對(duì)于施工技術(shù)方面要求較高,需要有專(zhuān)業(yè)設(shè)備、操作人員等,而且預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉時(shí)要考慮張拉值的大小,張拉值與待加固建筑物的使用齡期、混凝土自身徐變及鋼筋生銹等方面因素有關(guān)[10].
混凝土試件因存在微裂縫和孔隙,浸水吸收水分后會(huì)膨脹,在經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)的凍融作用之后,試件自身微裂縫和孔隙浸入的水分會(huì)結(jié)成冰,造成混凝土試件上原有的裂縫和孔隙體積變大,隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的不斷增加,導(dǎo)致混凝土試件出現(xiàn)不同程度的損傷[14].本文采用CFRP布全包加固損傷混凝土試件后進(jìn)行抗彎試驗(yàn),觀察試件的破壞形態(tài),分析承載力等參數(shù).通過(guò)理論推導(dǎo)分析,將經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的理論值與試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證公式的合理性.
本試驗(yàn)中的CFRP布由遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院制造,基本的力學(xué)特性參數(shù)如表1所示,黏結(jié)劑采用建筑結(jié)構(gòu)用膠,由遼寧省建筑研究院制造,基本力學(xué)特性參數(shù)如表2所示.
表1 CFRP布力學(xué)特性參數(shù)表
表2 黏結(jié)劑力學(xué)特性參數(shù)表
(1) 凍融后混凝土試件的表層處理.本文主要研究對(duì)象為經(jīng)過(guò)加固后的凍融損傷混凝土試件的抗彎承載力,因?yàn)樵嚰诮?jīng)過(guò)凍融作用后,試件的表層會(huì)有不同程度的凍裂、蜂窩和剝落,所以在粘貼CFRP布之前需對(duì)試件的表面進(jìn)行仔細(xì)處理,以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.首先用角磨機(jī)處理混凝土試件表面的凹凸部分和倒角位置,直到露出新的混凝土平整表面,并用砂紙去除混凝土梁表面的油污和粉塵,使混凝土梁表面平整、清潔.最后用酒精擦拭表面,不再用手觸碰,方便后續(xù)CFRP布的粘貼.
(2) CFRP布的粘貼.首先需要調(diào)配黏合劑,根據(jù)JGN碳纖維黏合劑(A級(jí))的用法說(shuō)明,將甲、乙膠按質(zhì)量比為3∶1的比例配合,并用木棍攪勻,將碳纖維布提前進(jìn)行清洗保持清潔并檢查CFRP布表面是否有缺失,在CFRP布完整的前提下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,確定尺寸后裁剪.之后用小刷子將黏合劑均勻涂抹于混凝土試件梁上,將CFRP布放在指定的位置,用刮板或滾筒在CFRP布表面沿同一方向涂刮、滾壓以去除氣泡,不得來(lái)回刮,最后使CFRP布充分浸透黏合劑,膠層平均厚度2 mm,整體的貼補(bǔ)過(guò)程在1 h內(nèi)完成.
本試驗(yàn)連續(xù)澆筑了15根混凝土梁,試驗(yàn)分為4組,每組3個(gè)試件.為了減小試驗(yàn)的誤差,試件成型脫模在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d后,隨機(jī)選取3個(gè)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,符合標(biāo)準(zhǔn)后開(kāi)始凍融試驗(yàn),將凍融試驗(yàn)之后受損傷的混凝土試件用CFRP布進(jìn)行全包加固,作為試驗(yàn)中的抗彎試件,其基本參數(shù)見(jiàn)表3.試件編號(hào)中字母W代表未采用CFRP布進(jìn)行全包加固;L代表梁試件;數(shù)字代表凍融次數(shù).
表3 加固試件的基本參數(shù)
模型試驗(yàn)采用速凍法,凍融次數(shù)分別定為0、50和200次.每次在快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中凍融循環(huán)2~4 h, 之后進(jìn)行CFRP布單層全包加固,將凍融后的加固混凝土小梁試件在300 kN的壓力機(jī)上進(jìn)行抗彎試驗(yàn).試驗(yàn)期間混凝土試件被壓斷、受拉區(qū)CFRP布被拉斷都看作混凝土抗彎試件達(dá)到承載能力極限狀態(tài),同時(shí)將反復(fù)凍融次數(shù)為0、50和200次的混凝土抗彎試件的抗彎承載力記錄下來(lái).
本測(cè)試采用兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)力加載方法,采取300 kN的壓力機(jī)施載至分配梁上分荷,具體操作是在混凝土小梁抗彎試件需要加載的位置安放直徑為30 mm的鋼軸,壓力機(jī)加載時(shí),壓力機(jī)頂板施加的載荷傳遞到鋼軸上,由鋼軸將載荷傳遞到混凝土小梁抗彎試件,完成分荷,加載位置即鋼軸位置,距離支座90 mm,兩個(gè)對(duì)稱(chēng)加載點(diǎn)即兩鋼軸的距離,為180 mm,具體加載方式見(jiàn)圖1.采用控制載荷加載法單調(diào)連續(xù)加載,具體加載位置見(jiàn)圖2,具體步驟如下.
圖1 壓力機(jī)加載圖Fig.1 Loading diagram of pressure machine
圖2 抗彎構(gòu)件示意圖(單位:mm)Fig.2 The schematic diagram of flexural member (unit: mm)
(1) 保證儀器處于正常工作的狀態(tài),將壓力機(jī)卸載至壓力為零,操作步驟按沈陽(yáng)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室壓力機(jī)的操作規(guī)程進(jìn)行.
(2) 抗彎試驗(yàn)施行逐級(jí)持續(xù)加載的方式,起初使壓力機(jī)的加載速度為50 N·s-1,在持續(xù)加載過(guò)程中要仔細(xì)觀察混凝土小梁抗彎試件的開(kāi)裂變形和CFRP布的變化情況,當(dāng)載荷達(dá)到估量極限載荷的80%時(shí),加載速度變?yōu)?0 N·s-1,持續(xù)至試件出現(xiàn)破壞特征.
(3) 保留試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)照片.
凍融200次,但未經(jīng)過(guò)CFRP布加固的混凝土小梁試件突然斷裂破壞,破壞載荷僅為0.049 kN·m,表4記錄了加固凍融損傷混凝土小梁抗彎試件的試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞載荷.
表4 抗彎試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果和破壞情況
CFRP布全包加固的混凝土小梁試件正截面抗彎承載力按下列基本假設(shè)進(jìn)行推導(dǎo):
(1) 適用于平截面假說(shuō);
(2) 試件達(dá)到極限承載力狀態(tài)時(shí),混凝土部分開(kāi)展裂縫較深,所以不考慮受損混凝土部分的抗拉強(qiáng)度;
(3) 由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]的原則定義混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;
(4) 由混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[15],CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系選取直線式;
(5) CFRP布與混凝土面層之間沒(méi)有黏結(jié)剝離現(xiàn)象發(fā)生.
根據(jù)文獻(xiàn)[15],CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系選取直線式,當(dāng)εcf<εcfu時(shí),
σcf=εcfEcf.
(1)
根據(jù)文獻(xiàn)[11],給出混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式,當(dāng)εc≤ε0時(shí),
(2)
當(dāng)ε0≤εc≤εcu時(shí),
式(1)~式(6)中:σcf為CFRP布的拉應(yīng)變?yōu)棣與f時(shí)的拉應(yīng)力;σc為混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時(shí)的混凝土壓應(yīng)力;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ε0為混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fc時(shí)的混凝土壓應(yīng)變,當(dāng)計(jì)算的ε0值小于0.002時(shí),取0.002;εcu為正截面的混凝土極限壓應(yīng)變,當(dāng)處于非均勻受壓且按式(6)的計(jì)算值大于0.003 3時(shí),取0.003 3,當(dāng)處于軸心受壓時(shí)取ε0;fcu,k為混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度;n為系數(shù),n≤2.
對(duì)于加固受損混凝土小梁試件而言,承載力是由CFRP布、結(jié)構(gòu)黏結(jié)劑和混凝土3部分協(xié)同工作的,當(dāng)試件達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí),理想的破壞狀態(tài)是受拉區(qū)損傷,混凝土被壓碎,且CFRP布斷裂.
(1) CFRP布抗拉強(qiáng)度修正.由文獻(xiàn)[16]可知,CFRP布參加工作的程度會(huì)隨著粘貼層數(shù)的增加而降低,因?yàn)镃FRP布層數(shù)增多后,各層CFRP布之間的協(xié)同承載能力會(huì)降低;另外,CFRP布只能有限地提高試件抗彎剛度,施加載荷后期CFRP布加入受力工作部分時(shí),試件的撓度迅速增加,有可能導(dǎo)致CFRP布還未完全承載試件就已破壞;根據(jù)謝劍等[16]的研究,CFRP布在承載過(guò)程中會(huì)突然破壞.綜合以上原因,應(yīng)對(duì)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固中的CFRP布進(jìn)行強(qiáng)度上的折減修正,見(jiàn)式(7).
fcf=1 800εβγ.
(7)
式中:fcf為CFRP布抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ε為環(huán)境折減系數(shù), 對(duì)于處于室內(nèi)環(huán)境的CFRP布,ε取值為0.95[17];β為CFRP布層數(shù)折減系數(shù), 單層β取值為1;γ為CFRP布強(qiáng)度折減系數(shù), 取值為0.85.
(2) 凍融損傷混凝土受壓區(qū)高度的修正.試件在理想破壞狀態(tài)時(shí),文獻(xiàn)[18]根據(jù)平截面假說(shuō)下混凝土和CFRP布的應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)出折算后的受壓區(qū)高度,見(jiàn)式(8).
(8)
由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]規(guī)定,
x=β1x0.
(9)
式(8)、式(9)中:x為等效矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高度;x0為適用于平截面假說(shuō)的中和軸高度;β1為系數(shù),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)取0.8,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)取0.74,混凝土強(qiáng)度等級(jí)介于C50與C80之間時(shí)按線性插值法取值;εcfu為CFRP布極限拉應(yīng)變.
由于選用的試件是在凍融循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備中經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融循環(huán)后,經(jīng)CFRP布單層全包加固后進(jìn)行試驗(yàn),所以在計(jì)算抗彎承載力時(shí)要確定與未經(jīng)過(guò)凍融損傷試件壓力等效的矩形應(yīng)力圖.因?yàn)樵嚰诩庸桃郧耙呀?jīng)受零至多次不等的反復(fù)凍融作用,所以在計(jì)算受壓區(qū)混凝土的抗壓承載力時(shí)應(yīng)對(duì)受凍融損傷的混凝土小梁試件的受壓區(qū)高度進(jìn)行修正.文獻(xiàn)[19]從應(yīng)力圖等效原理出發(fā),提出受壓區(qū)混凝土等效矩形應(yīng)力圖中的受壓區(qū)高度x在經(jīng)過(guò)N次凍融循環(huán)之后與中和軸高度x0的比例系數(shù)μn,取值見(jiàn)表5.
表5 受壓區(qū)高度修正系數(shù)
(10)
(3) CFRP布加固凍融損傷混凝土梁的極限抗彎承載力公式.首先需要考慮凍融損傷作用下混凝土界面與CFRP布的黏結(jié)力,Gangarao等[20]通過(guò)采用試驗(yàn)的方法研究了纖維布外包加固混凝土梁在凍融循環(huán)作用下纖維布與混凝土試件二者接觸面的黏結(jié)強(qiáng)度,指出加固試件經(jīng)過(guò)凍融作用后二者的黏結(jié)強(qiáng)度降低了16%;任慧韜等[21]的試驗(yàn)研究表明,凍融環(huán)境中的FRP-混凝土界面黏結(jié)力變化較大,所以在設(shè)計(jì)FRP布加固混凝土構(gòu)件的承載力時(shí),需充分考慮凍融環(huán)境對(duì)降低加固構(gòu)件承載力的影響因素,其中主要原因是受凍后的混凝土強(qiáng)度縮減,自身內(nèi)部的微裂縫發(fā)展等.綜上所述,FRP-混凝土接觸面粘結(jié)作用主要考慮混凝土受凍后的強(qiáng)度修正.
參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]中的正截面抗彎承載力的計(jì)算公式和計(jì)算圖,由文獻(xiàn)[22]得到經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融作用之后修正的混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)dc與未經(jīng)凍融作用的混凝土抗壓強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系,見(jiàn)式(11).通過(guò)引用相關(guān)系數(shù)來(lái)修正混凝土經(jīng)過(guò)凍融損傷作用對(duì)承載力的影響,可以推導(dǎo)出CFRP布全包加固凍融損傷混凝土小梁試件的正截面抗彎承載力,見(jiàn)式(12),計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.
(11)
綜合以上分析,由∑Mcf側(cè)=0可得出CFRP布全包加固后凍融損傷混凝土小梁的極限抗彎承載力公式,
式中:α1為系數(shù),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)取1,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)取0.94,混凝土強(qiáng)度等級(jí)介于C50與C80之間時(shí)按線性插值法取值;fdc為混凝土經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融作用之后修正的抗壓強(qiáng)度;fcf為CFRP布的抗拉強(qiáng)度;Acf為CFRP布的截面面積;b為混凝土小梁的寬度;hf為混凝土受壓區(qū)邊緣距底層CFRP布的高度.
圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Calculation diagram
由式(11)得到凍融0、50、200次的混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表6.
由式(12)計(jì)算得出本文試驗(yàn)中CFRP布單層全包加固混凝土小梁試件的極限彎矩值見(jiàn)表7,可見(jiàn)通過(guò)式(12)得出的計(jì)算值均小于試驗(yàn)值,試驗(yàn)值與式(12)的計(jì)算值誤差在10%以?xún)?nèi),驗(yàn)證了公式的合理性.
表6 混凝土抗壓強(qiáng)度修正表
表7 極限彎矩理論值與試驗(yàn)值對(duì)比
(1) 對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的損傷混凝土小梁試件全包加固后進(jìn)行抗彎試驗(yàn),觀察其破壞現(xiàn)象并分析可知:采用CFRP布加固對(duì)凍融損傷混凝土試件的抗彎承載力影響很大;選取CFRP布全包加固凍融損傷混凝土試件能有效提高其承載力;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為200次時(shí),加固試件較未加固的試件抗彎承載力提高了84.5%.
(2) 加固試件在不同次數(shù)凍融作用下存在臨界載荷值,在臨界值之前仍能適用于平截面假定,但隨著凍融次數(shù)的不斷增加,試件的極限承載力迅速降低,經(jīng)歷的凍融次數(shù)越多,試件越來(lái)越快地不符合平截面假定.
(3) 本文通過(guò)CFRP布加固凍融損傷混凝土小梁的抗彎模型試驗(yàn),得到了試件極限抗彎承載力的試驗(yàn)數(shù)據(jù),考慮凍融循環(huán)作用的影響對(duì)混凝土受壓區(qū)高度提出修正,綜合分析推導(dǎo)出式(12),將式(12)得出的承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,誤差控制在10%以下,驗(yàn)證了公式的合理性.
(4) 本文的模型試驗(yàn)變量比較少,后續(xù)應(yīng)該展開(kāi)其他變量對(duì)凍融損傷混凝土梁試件抗彎效果影響的試驗(yàn)研究,比如CFRP布的粘貼長(zhǎng)度、粘貼層數(shù)、膠體厚度等.