袁嬌嬌 林軍 侯新宇 嵇曉雷

摘要： 纖維與基層混凝土界面的層間剝離主要是由于界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力集中造成的。因此，對(duì)于研究纖維（FRP）與混凝土界面黏結(jié)性能而言，界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力的研究至關(guān)重要。雖然已有大量學(xué)者對(duì)碳纖維（CFRP）與混凝土界面性能進(jìn)行了深入研究，但是芳綸纖維（AFRP）與混凝土界面性能研究較少。通過試驗(yàn)研究了芳綸纖維-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并將試驗(yàn)結(jié)果與已有的界面黏結(jié)剪應(yīng)力模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Lorenzis模型精確度較高?；贚orenzis模型提出了改進(jìn)的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力計(jì)算模型。研究成果可以為修復(fù)后構(gòu)件的界面黏結(jié)性能評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞： 纖維修復(fù)混凝土; 芳綸纖維; 黏結(jié)局部剪應(yīng)力; 界面性能

中圖法分類號(hào)： ?TU528.572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.029

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國的建設(shè)目標(biāo)，滿足人民日益增長的出行需求。國內(nèi)各大城市的橋梁、隧道建造數(shù)量不斷增加。部分橋梁、隧道處于海水等容易侵蝕的惡劣環(huán)境之中，容易出現(xiàn)銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)在服役期的安全使用。FRP纖維片材具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在工程加固修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于FRP與混凝土界面的有效黏結(jié)。良好的界面黏結(jié)性能是保證FRP與混凝土共同工作的基礎(chǔ)。剝離破壞主要是由于界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力集中造成的，因此，界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力的研究至關(guān)重要。

目前關(guān)于FRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力的研究中，纖維片材主要集中在碳纖維片材和玻璃纖維片材。芳綸纖維具備FRP纖維片材的常見優(yōu)點(diǎn)，因此，也適合用于加固或者修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)[2-5]。芳綸纖維還具有良好的耐疲勞性能、耐腐蝕性能和抗沖擊性能，特別適合加固對(duì)耐疲勞性能有一定要求的結(jié)構(gòu)。此外，與碳纖維和玻璃纖維相比，芳綸纖維絕緣，不導(dǎo)電，可用于加固修復(fù)有電絕緣性要求的結(jié)構(gòu)，比如電氣化鐵路中相關(guān)結(jié)構(gòu)。因此，芳綸纖維和其他纖維相比，有著自己獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，這表明芳綸纖維在土木工程結(jié)構(gòu)加固或者修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力主要受纖維片材剛度和混凝土強(qiáng)度控制。現(xiàn)有文獻(xiàn)已證實(shí)，黏結(jié)剪應(yīng)力與FRP剛度成正比[6-10]。文獻(xiàn)[7-12]的研究結(jié)果表明，黏結(jié)剪應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度成正比。文獻(xiàn)[13-15]的研究結(jié)果表明，黏結(jié)剪應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度成正比。一些學(xué)者認(rèn)為界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力不受混凝土強(qiáng)度的影響[6，16-19]，還有一些學(xué)者認(rèn)為界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力與纖維黏結(jié)長度有關(guān)[16-17]。因此，對(duì)于界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力，學(xué)者們的研究結(jié)論是不一致的。

鑒于以上情況，本文設(shè)計(jì)制作了33個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究AFRP（芳綸纖維）-混凝土界面剪應(yīng)力。本文將采用統(tǒng)計(jì)、歸納、分析等方法，在前人的研究成果基礎(chǔ)上，分析AFRP（芳綸纖維）-混凝土界面局部剪應(yīng)力。

1 試驗(yàn)制作

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

首先澆筑2個(gè)混凝土試塊，試塊的尺寸分別為100 mm×100 mm×250 mm和100 mm×100 mm×230 mm。混凝土試塊中間預(yù)埋鋼筋，預(yù)埋鋼筋直徑為22 mm，一側(cè)伸出長度為10 mm，另一側(cè)伸出長度為150 mm。制作中間木隔板，木隔板尺寸為100 mm×100 mm×20 mm，木隔板中間鉆孔，孔尺寸為25 mm。將兩混凝土塊預(yù)埋鋼筋伸出長度為10 mm的一側(cè)鋼筋，從木隔板左右兩側(cè)分別伸入木隔板中，拼成一個(gè)整體。然后，在拼成的整體試件兩側(cè)，縱向?qū)ΨQ粘貼修復(fù)材料。修復(fù)材料在加載端粘貼長度為200 mm，保證加載時(shí)只有雙面纖維片材對(duì)稱承擔(dān)拉力，如圖1所示。為了保證破壞發(fā)生在加載端，將長度為250 mm的試塊環(huán)向纏繞3層纖維布，作為錨固端，如圖1所示。試件制作以及材料粘貼細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[20]。

本文設(shè)計(jì)制作11組共33個(gè)試件，試件編號(hào)分別為L50-1，L50-2，L50-3;L80-1，L80-2，L80-3;L110-1，L110-2，L110-3;L140-1，L140-2，L140-3;L200-1，L200-2，L200-3;2L200-1，2L200-2，2L200-3;3L200-1，3L200-2，3L200-3;B25-1，B25-2，B25-3;B100-1，B100-2，B100-3;C40-1，C40-2，C40-3;C50-1，C50-2，C50-3。

試件編號(hào)L50-1代表芳綸纖維長度為50 mm，寬度為50 mm，層數(shù)為1層，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30;試件編號(hào)2L200-1代表芳綸纖維長度為200 mm，纖維寬度為50 mm，纖維層數(shù)分別為2層，試件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30;試件編號(hào)B25-1代表芳綸纖維長度為200 mm，寬度為25 mm，層數(shù)為1層，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30;試件編號(hào)C40-1代表芳綸纖維長度為200 mm，寬度為50 mm，層數(shù)為1層，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40。

制作混凝土試塊150 mm×150 mm×150 mm，與試件在相同工況下養(yǎng)護(hù)，測(cè)得設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30、C40和C50的試塊抗壓強(qiáng)度分別為32.1，43.7 MPa和51.6 MPa。芳綸纖維力學(xué)性能厚度為0.18 mm，彈性模量為1.188×102 GPa。

1.2 試驗(yàn)加載裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在試件錨固端兩側(cè)面對(duì)稱布置位移計(jì)，用于測(cè)量加載端位移。加載端位移取值為兩側(cè)位移平均值。在試件端部鋼筋上布置荷載傳感器，用于測(cè)量試件加載過程中的荷載值，加載裝置如圖2所示。

為了盡可能多地得到纖維表面應(yīng)變分析情況，應(yīng)變片尺寸選為3 mm×5 mm。從加載端開始布置，每隔15 mm布置一個(gè)應(yīng)變片，位置如圖3所示。

加載采用MTS動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)，為了能夠更好地測(cè)得纖維表面的應(yīng)變值，控制試驗(yàn)加載速度為0.2 mm/min。

2 AFRP-混凝土界面性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 AFRP片材表面應(yīng)變分析

試驗(yàn)所得11組共33個(gè)試件的AFRP片材應(yīng)變規(guī)律相似，以典型試件2L200-1進(jìn)行應(yīng)變分析。當(dāng)荷載較小時(shí)，隨著水平坐標(biāo)值的增加（即從加載端到自由端），應(yīng)變逐漸減小到約為零，如圖4所示。此時(shí)，AFRP中的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力主要通過黏合劑中最靠近加載端的一段長度傳遞到混凝土中。這是因?yàn)樵趹?yīng)變?yōu)榱愕膮^(qū)域，纖維與混凝土界面是沒有界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力的。因此，在加載時(shí)，只有部分黏結(jié)長度是有效的，學(xué)者們可以對(duì)此開展深入研究，用應(yīng)變來定義有效黏結(jié)長度。有效黏結(jié)長度上的纖維應(yīng)變值，可以用于計(jì)算FRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力。隨著荷載增大，應(yīng)變向自由端移動(dòng)，表明FRP-混凝土界面受力黏結(jié)區(qū)的移動(dòng)。同時(shí)隨著荷載增大，靠近加載端，應(yīng)變?cè)龃蟮綐O大值，出現(xiàn)了應(yīng)變水平段。應(yīng)變水平段代表纖維與混凝土發(fā)生了剝離。

2.2 AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力分析

FRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力公式推導(dǎo)過程參考文獻(xiàn)[20]。試驗(yàn)所得11組共33個(gè)試件的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力規(guī)律相似，以典型試件2L200-1進(jìn)行界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力分析，其他試件規(guī)律類似。如圖5所示，在加載初期，界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力位于加載端，隨著荷載增大，在加載端達(dá)到最大值之后迅速減小。隨著荷載的進(jìn)一步增大，加載端界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力約為零。界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力最大值向自由端移動(dòng)，這表明剝離損傷隨著荷載的增大不斷向自由端移動(dòng)。由前文可知，在整個(gè)芳綸纖維黏結(jié)長度范圍內(nèi)，只有部分長度有界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有模型預(yù)測(cè)值比較

通過參考文獻(xiàn)[20]的公式，可計(jì)算出試件L50、L80、L110、L140、L200、2L200、3L200、B25、B100、C40、C50的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力值平均值分別為4.8，4.1，4.2，3.5，2.8，4.2，4.7，4.5，2.2，3.4，3.5 MPa。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：試件L200、2L200、3L200的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力值分別為2.8，4.2，4.7 MPa，表明當(dāng)纖維布黏結(jié)層數(shù)增加時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力增大;試件B25、L200、B100的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力值分別為4.5，2.8，2.2 MPa，表明當(dāng)纖維布黏結(jié)寬度增加時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力減小;試件L200、C40、C50的界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力值分別為2.8，3.4，3.5 MPa，表明當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力增大。

現(xiàn)有研究關(guān)于剪應(yīng)力的結(jié)論差異極大。本文為了評(píng)估已有模型的準(zhǔn)確性，采用變異系數(shù)IAE來衡量，它通常用于評(píng)估模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的偏差[21]，變異系數(shù)IAE如式（1）所示。為了便于理解分析，本文取試件L200進(jìn)行試驗(yàn)值和模型值的對(duì)比分析，誤差分析結(jié)果如表1所列。

IAE= ?[ 試驗(yàn)值-模型值 2]1/2 ??試驗(yàn)值

（1）

表1中各模型平均IAE和最小IAE分別為16.51%和4.28%。Pellegrino模型IAE最大，高估達(dá)197.10%。Hiroyuki&Wu模型計(jì)算值最小，低估74.10%。Lorenzis模型IAE最小，準(zhǔn)確性最高。一般來說，由于模型的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致理論結(jié)果顯示出相對(duì)較高的離散性。通過統(tǒng)計(jì)歸納分析，總結(jié)各學(xué)者模型與試驗(yàn)結(jié)果的偏差，可以推薦采用Hiroyuki&Wu模型作為試驗(yàn)結(jié)果的下限值，采用Pellegrino模型作為試驗(yàn)結(jié)果的上限值。實(shí)際工程中，由于試驗(yàn)者試驗(yàn)方法、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)環(huán)境的不同，試驗(yàn)結(jié)果差異性很大。各模型計(jì)算出的上限值和下限值，可以作為試驗(yàn)人員試驗(yàn)結(jié)果合理性判斷的依據(jù)，也可以作為工程設(shè)計(jì)人員偏于安全設(shè)計(jì)時(shí)參考的數(shù)值。

Lorenzis的模型如公式（2）所示[18]：

τu=0.0182（nEftf）0.5 （2）

本文基于該模型進(jìn)行修正，修正模型如公式（3）所示：

τu=α（nEftf）0.5 （3）

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，確定常數(shù)α為0.019。因此，式（4）可用于預(yù)測(cè)AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力。

τu=0.019（nEftf）0.5

（4）

式中：Ef，tf，n分別為纖維片材彈性模量，厚度和層數(shù)。

3 結(jié) 論

（1） 當(dāng)纖維布黏結(jié)層數(shù)增加時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力增大;當(dāng)纖維布黏結(jié)寬度增加時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力減小;當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時(shí)，AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力增大。因此在實(shí)際修復(fù)工程中，修復(fù)層數(shù)在兩層以上時(shí)，修復(fù)效果較一層效果好;修復(fù)條帶寬度窄時(shí)修復(fù)效果好。

（2） ?本文采用變異系數(shù)IAE評(píng)估現(xiàn)有模型的準(zhǔn)確性。各模型平均、最小、最大IAE分別為16.51%，4.28%和197.10%。通過歸納，總結(jié)出各學(xué)者模型與試驗(yàn)結(jié)果的偏差，推薦采用Hiroyuki&Wu模型作為試驗(yàn)結(jié)果的下限值，而Pellegrino模型作為試驗(yàn)結(jié)果的上限值。

（3） Lorenzis提出的模型顯然是最精確的，其模型IAE低估了4.28%。本文對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，基于該模型進(jìn)行修正，提出了改進(jìn)的AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力。

（4） 本文研究的混凝土強(qiáng)度最高為C50，對(duì)于C50以上混凝土和動(dòng)態(tài)荷載下AFRP-混凝土界面局部剪應(yīng)力沒有研究。今后可以對(duì)更高標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行深入研究，并提出相關(guān)模型。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

袁嬌嬌，林軍，侯新宇，等.AFRP-混凝土界面局部黏結(jié)剪應(yīng)力分析

[J].人民長江，2021，52（8）：194-197，243.

Evaluation on local bond shear stress of AFRP-concrete interface

YUAN Jiaojiao1，2，LIN Jun 1，HOU Xinyu1，JI Xiaolei1

（ 1.School of Construction Engineering，Jiangsu Open University，Nanjing 210036，China; 2.School of Civil Engineering and Transportation，Hohai University，Nanjing 210036，China ）

Abstract：

The debonding failure between FRP and concrete is mainly derived from the local concentration of bond shear stress.Therefore，it is very important to study the local bond shear stress of FRP-concrete interface.Although a large number of scholars have carried out in-depth studies on the interface performance between carbon fiber and concrete，there are few studies on the interface performance between aramid fiber（AFRP）and concrete.In this paper，the experiment was taken to study the local bond shear stress between AFRP and concrete.Through regression analysis on the experimental data，we compared the existed bond models with the experimental data，and the Lorenzis model was found to be a well-fitted model.Based on the Lorenzis model，an improved calculation model of local bond shear stress is established.The research results can provide a theoretical basis for the evaluation of the interface bonding performance of retrofitted structures.

Key words：

FRP concrete;aramid fiber;local bond shear stress;interface performance