cfrp板條加固足尺混凝土梁抗彎性能試驗研究

cfrp板條加固足尺混凝土梁抗彎性能試驗研究

frp與效率隨著fpr外涂層技術(shù)的廣泛應(yīng)用，fpr材料更新的應(yīng)用形式已成為土木工程界的研究重點。內(nèi)嵌(Near-SurfaceMounted,簡稱為NSM)FRP加固技術(shù)便是其中有代表性的一種新的應(yīng)用形式,施工時將FRP筋或板條放入結(jié)構(gòu)表面預(yù)先開好的槽中,并向槽內(nèi)注入黏結(jié)材料使之形成整體,以此來改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,達到加固修復(fù)的目的。由于FRP和膠粘劑主要處于構(gòu)件內(nèi)部,故能有效地抵抗火災(zāi)的高溫作用、避免車輪和重物的直接輾壓和沖擊,尤其適合于橋面板和樓面板負(fù)彎矩區(qū)域的加固。近幾年來,國外一些學(xué)者已相繼開展了內(nèi)嵌FRP加固技術(shù)有關(guān)的試驗研究、理論分析和工程應(yīng)用[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。在國內(nèi),內(nèi)嵌FRP加固技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。本文通過6根6.2m長足尺混凝土梁的抗彎加固試驗研究,對內(nèi)嵌CFRP板條加固梁的破壞過程、受力性能、截面應(yīng)變分布和撓度變形規(guī)律進行分析探討,并根據(jù)試驗結(jié)果和結(jié)構(gòu)加固理論提出相應(yīng)的抗彎承載力計算方法。1試驗梁及加載方案本次試驗共設(shè)計了6根矩形截面簡支試驗梁,如表1所示,其中C1為基準(zhǔn)梁;M1和M2為加固前無預(yù)加載的內(nèi)嵌CFRP板條加固梁,M3為有預(yù)加載(加載到0.7Mu(250kN)再卸載到0.4Mu(140kN)時)的內(nèi)嵌CFRP板條加固梁;U1和U2分別為用于M1、M2和M3對比的外貼CFRP板條梁。試驗梁基本參數(shù)如圖1所示:梁截面尺寸b×h=300mm×600mm;混凝土強度等級按C30設(shè)計;縱向受拉鋼筋為425(HRB335級),ρ=1.2%;架立筋為2準(zhǔn)10(HPB235級);箍筋為準(zhǔn)10@150(HPB235級);加固用CFRP板采用Sika公司產(chǎn)品。各材料實測性能參數(shù)見表2。準(zhǔn)考慮到試件尺寸和重量較大,同時為了便于觀察試驗梁的開裂、失黏等現(xiàn)象,本試驗采用中部梁底兩點簡支、外伸梁端正位加載的等效方案(圖2):中央2m為純彎區(qū),兩側(cè)彎剪段長度均為2m,離梁端0.1m處同步向下施加集中荷載,相當(dāng)于跨度6m、中部兩點對稱反位加載的簡支梁。在分級加載試驗過程中,量測跨中、支座及加載點處的豎向位移,跨中截面不同高度處的混凝土應(yīng)變、縱向受拉鋼筋及CFRP板的應(yīng)變,測點布置見圖1。試驗時還對裂縫開展、CFRP失黏和混凝土壓碎等現(xiàn)象進行了觀察。各梁的開裂、屈服和極限彎矩及破壞形態(tài)見表3。2主要試驗結(jié)果2.1抗彎強度與外貼加固梁的關(guān)系所有試驗梁均表現(xiàn)為受拉鋼筋屈服后受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞模式,破壞時CFRP板條未拉斷,如表3所示。相對基準(zhǔn)梁而言,CFRP板條加固梁(無論外貼還是內(nèi)嵌)的屈服荷載和極限荷載都有不同程度的提高,且極限荷載提高的幅度高于屈服荷載提高的幅度。和外貼加固相比,內(nèi)嵌CFRP板條加固梁的極限承載力要高于相應(yīng)的外貼加固梁。這主要是因為內(nèi)嵌板條的兩個面均與混凝土槽相黏結(jié)而外貼板條僅單面與混凝土表面黏結(jié),因此,即使內(nèi)嵌板條在瀕臨破壞時發(fā)生了較大的端部滑移(見圖3),也不會如外貼板條一樣出現(xiàn)界面剝離而局部喪失承載能力(見圖4),從而內(nèi)嵌板條強度的利用程度相對更充分一些。有預(yù)載加固梁(U2和M3)的屈服荷載及極限荷載均高于基準(zhǔn)梁,但低于相應(yīng)的無預(yù)載加固梁,這是因為有預(yù)載加固梁在粘貼CFRP以前已承受了一定荷載,CFRP只有在繼續(xù)加載后才開始發(fā)揮作用,存在著應(yīng)變滯后現(xiàn)象,導(dǎo)致在縱筋屈服前CFRP發(fā)揮的作用較小,即使瀕臨破壞時其強度也不如無初載加固梁發(fā)揮充分。需要說明的是,本文試驗梁的抗彎承載力提高幅度為(20~30)%,遠不如低配筋小梁,這不僅是因為本文試件配筋率較高,更是由于其CFRP配置率很低。如果CFRP用量與截面尺寸成比例增加,承載力提高幅度應(yīng)該會更大些。但是,隨著CFRP用量的增多,出現(xiàn)黏結(jié)破壞的可能性同樣會增大,其抗彎增強效率將有所下降。2.2混凝土平均拉應(yīng)變圖5為試件M1和M3跨中截面實測應(yīng)變分布圖?？梢?無預(yù)加荷載時,內(nèi)嵌加固梁跨中CFRP板條拉應(yīng)變、受拉鋼筋的平均拉應(yīng)變和混凝土平均壓應(yīng)變沿截面高度基本符合線性分布規(guī)律;對加固時已承受荷載的構(gòu)件,把加固梁面處應(yīng)變?nèi)樵撎幊跏紤?yīng)變與CFRP板條實際應(yīng)變之和(名義拉應(yīng)變),則加固后上述線性分布規(guī)律依然成立。2.3荷載-跨中撓度曲線加固梁荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖可見,內(nèi)嵌CFRP板條加固梁的撓度變形規(guī)律和外貼加固梁類似,也可分為3個階段來進行描述。在混凝土開裂前,各試驗梁的荷載-跨中撓度曲線基本呈線性關(guān)系,且各梁的開裂荷載相差不大。這是因為在荷載較小時,試驗梁大致處于彈性工作階段,由于CFRP板條應(yīng)變小,面積也不大,其抗裂作用有限。開裂時截面剛度降低,荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)較明顯的轉(zhuǎn)折,撓度增長加快?；炷脸趿岩院?雖然該裂縫繼續(xù)延伸和加寬,并有新裂縫不斷出現(xiàn),但在縱向受拉鋼筋屈服之前,同一試件的荷載-跨中撓度曲線斜率變化不大。不過,加固梁的荷載-跨中撓度曲線的斜率均較基準(zhǔn)梁相應(yīng)曲線的斜率有不同程度的增大,但內(nèi)嵌和外貼兩種方式的曲線基本接近,說明兩者對梁剛度的提高作用基本相同。當(dāng)受拉鋼筋屈服以后,荷載增長趨緩,但撓度增長迅速,試驗梁開始進入破壞階段。比較而言,基準(zhǔn)梁在這一階段的荷載-跨中撓度曲線頗為平坦,呈現(xiàn)明顯的塑性特征。CFRP板條加固后的梁雖然也表現(xiàn)出一定的塑性,但其延性有所下降,尤其是外貼加固梁的延性下降更為明顯。由于鋼筋屈服后荷載仍在爬坡,CFRP加固梁的極限荷載較基準(zhǔn)梁有明顯提高。圖6(b)為加固時有預(yù)加荷載作用的內(nèi)嵌和外貼CFRP板條加固梁(M3和U2)的荷載-跨中撓度曲線對比圖。由圖可知,有預(yù)加荷載加固梁的荷載-跨中撓度曲線和無預(yù)載加固梁類似,只是其屈服荷載和極限荷載提高的幅度略低于相應(yīng)的無預(yù)載加固梁。此外,由M3和U2加固前預(yù)加荷載的卸載和再次加載曲線基本重合的規(guī)律來看,短期的加載和卸載行為對加固梁的受力性能無明顯的影響。3混凝土基彈性材料在進行內(nèi)嵌CFRP抗彎加固混凝土梁承載力分析時,采用如下基本假定:(1)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2003)的基本計算假定;(2)無滑移假定,即認(rèn)為所考慮的截面上FRP與混凝土之間黏結(jié)可靠,不發(fā)生相對位移;(3)CFRP為理想的線彈性材料;(4)考慮預(yù)加荷載的影響,并根據(jù)加固時的預(yù)加荷載大小計算CFRP的滯后應(yīng)變εi。3.1混凝土的開裂彎矩由于混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線受拉時的彈性范圍比受壓時小得多,因此隨著荷載的增大,受拉區(qū)混凝土首先出現(xiàn)塑性變形,其應(yīng)力圖形呈曲線分布,而此時受壓區(qū)混凝土尚處于彈性階段。為簡化計算,當(dāng)受拉區(qū)混凝土處于將裂未裂的臨界狀態(tài)時,可近似取受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力為矩形,而受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力為三角形分布,如圖7(b)所示。這時截面應(yīng)變關(guān)系滿足:對受壓區(qū)混凝土合力Cc作用點取矩,則內(nèi)嵌CFRP加固梁的開裂彎矩Mcr為:式中:xcr為梁受拉區(qū)混凝土開裂時的截面中和軸高度;αEs=Es/Ec,αEp=Ep/Ec分別為縱向受拉鋼筋、CFRP板條與混凝土的彈性模量比;εc、εs、εp分別為混凝土受壓邊緣的壓應(yīng)變、縱向受拉鋼筋的拉應(yīng)變和內(nèi)嵌CFRP板條的名義拉應(yīng)變;h、h0、hp分別為混凝土梁的截面高度、截面有效高度和內(nèi)嵌板條中和軸到受壓區(qū)邊緣的高度;As和Ap分別為縱向受拉鋼筋和CFRP板條的截面面積。3.2混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征為了簡化計算,假定開裂截面拉力全部由縱向鋼筋和內(nèi)嵌板條承擔(dān),如圖7(c)所示。當(dāng)縱向鋼筋受拉屈服時,有:則軸力平衡方程可寫成:其中,受壓區(qū)混凝土合力Cc及其作用點至該區(qū)邊緣的距離yc可根據(jù)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征分段表達如下:當(dāng)0≤εc<ε0=0.002時,當(dāng)ε0≤εc≤εcu=0.0033時,由式(4)~式(6)得到關(guān)于受拉鋼筋屈服時截面中和軸高度x0的方程:由于式(7b)較易求解,計算時可先從中解出ξ0及x0,再由式(4)得到εc,如果ε0≤εc≤εcu,則所得x0和εc有效;否則應(yīng)按式(7a)重算x0和εc。然后計算εp和yc,則屈服彎矩My可按式(8)求出:3.3混凝土壓碎和片材未拉斷的情況根據(jù)鋼筋是否屈服、混凝土是否壓碎和CFRP片材是否拉斷,內(nèi)嵌CFRP板條加固梁的彎曲破壞可呈現(xiàn)出受拉鋼筋屈服前混凝土壓碎、屈服后混凝土壓碎和屈服后FRP拉斷等3種不同的破壞形態(tài)。如圖7(d)所示,當(dāng)加固試件的破壞特征為鋼筋屈服后混凝土壓碎而片材未拉斷時,則截面的幾何關(guān)系和平衡方程簡化成為:當(dāng)混凝土強度等級不超過C50時,α1=1.0,β1=0.8。聯(lián)立式(9)、式(10)可得:由式(11)解得ξ及x后,可由式(12)直接確定極限彎矩Mu:若加固試件表現(xiàn)為受拉鋼筋屈服前混凝土壓壞而內(nèi)嵌FRP片材未拉斷的破壞特征時,由截面幾何關(guān)系和靜力平衡條件同樣可以得到如式(11)所示的有關(guān)ξ的一元二次方程,但此時系數(shù)Ks和Kp分別為:相應(yīng)的極限彎矩Mu為:當(dāng)加固試件的破壞特征為鋼筋屈服后片材拉斷而混凝土未壓碎時,根據(jù)受壓區(qū)邊緣混凝土壓應(yīng)變εc的大小以及截面靜力平衡條件和幾何關(guān)系可得到關(guān)于受壓區(qū)混凝土高度xu的方程為:將xu替代式(6a、6b)中的x0即可得到受壓區(qū)合力作用點至受壓邊緣的距離yc,則相應(yīng)的極限彎矩為:3.4加固梁抗彎承載力采用上述公式對本文以及其他文獻中發(fā)生彎曲破壞的內(nèi)嵌CFRP加固梁的抗彎承載力進行了計算,其結(jié)果如表3所示。對比分析表明本文公式計算所得的承載力及破壞形態(tài)與試驗結(jié)果吻合較好,其中極限彎矩計算值與實測值之比的平均值為1.011。4加固梁的受彎承載力(1)內(nèi)嵌CFRP板條加固能夠顯著改善構(gòu)件的受力性能,有效避免板條的黏結(jié)