張 峰,牛平霞,李樹忱,孫秋彥

(1.山東大學 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,濟南 250061;2.華北水利水電學院 土木與交通學院,鄭州 450011)

利用纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic Polymer,簡稱FRP)對混凝土構(gòu)件進行加固、改造和維修在工程實際中得到了廣泛的認可。外貼FRP加固法(EB-FRP加固法)是目前使用最廣泛、操作最為靈活、同時也是最易掌握的一種加固方法[1-3]。但是外貼FRP加固法有2個致命的缺陷:一是FRP材料與原結(jié)構(gòu)的過早剝離[4-5],使得FRP的利用率僅有15%～35%[6];二是這種加固方法的破壞模式趨近于脆性[7-8]。為了解決這2個問題,香港城市大學提出了FRP-錨釘聯(lián)合加固(HB-FRP)的方法,該技術(shù)通過在混凝土構(gòu)件中FRP兩側(cè)打設(shè)鋼釘,并通過機械緊固件與FRP粘結(jié)在一起,以阻止FRP與梁底的分離,進而改善脆性的破壞模式[9]。

FRP加固構(gòu)件早期剝離的界面應(yīng)力傳遞狀態(tài)之一就是中部彎曲裂縫引起的界面剝離[4],因此中部剝離問題在FRP加固混凝土構(gòu)件中是非常重要的。目前主要通過正拉試驗、單剪試驗、雙剪試驗、修正梁、壓剪試驗等研究外貼FRP加固法、表面內(nèi)嵌法等加固方法的中部剝離問題[9-10],對于FRP-螺栓聯(lián)合加固技術(shù)中部剝離問題的研究非常罕見。該文通過對17根留有預(yù)切縫的試驗梁進行跨中加載試驗,研究FRP-螺栓聯(lián)合加固技術(shù)的粘結(jié)性能、錨固間距和合理錨固長度。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

共設(shè)計了17根混凝土試件,分為2組?；炷敛捎肅40,縱向鋼筋和箍筋均采用H RB335級鋼筋,具體截面尺寸及配筋見圖1。所有試件均用梁底外貼法粘貼2層尺寸為0.167mm×60mm(厚度×寬度)的CFRP布,具體粘貼的長度情況見表1。試驗的主要變化參數(shù)有研究段的粘貼長度和錨固件的間距。加固方式中“EB-FRP”是指試驗梁采用外貼FRP的加固方式、“HB-FRP”是指FRP-螺栓聯(lián)合加固同時鋼板也粘貼的加固方式?！癊B-FRP”試驗梁采用間隔100mm的應(yīng)變片間距來測量FRP的應(yīng)變分布,其余的試件相鄰2個扣件的兩端和中部視具體情況粘貼應(yīng)變片,詳細位置見圖2。錨固件的鋼板采用尺寸為60mm×60mm×5mm的高耐候性鋼板;螺栓采用直徑為12mm的35號高強螺栓,詳細尺寸見圖3。

圖1 矩形梁截面尺寸及配筋圖

圖2 應(yīng)變片布置圖

表1 FRP-螺栓聯(lián)合加固技術(shù)試驗試件參數(shù)

圖3 錨固件尺寸詳圖

1.2 試件的制作

1.2.1 EB-FRP試驗梁的制作 EB-FRP試驗梁按照濕貼法進行安裝。首先對試件表面進行處理,用打磨機將混凝土表面打磨平整,用吹風機除掉表面的雜質(zhì),并保持干燥;根據(jù)生產(chǎn)商提供的工藝規(guī)定配置底層膠(采用2651-A和2651-B以2:1的比例調(diào)和均勻),采用滾筒刷將底層膠均勻的涂抹在混凝土表面,靜候約0.5 h,保證下一步工序施工時底層膠指觸干燥;在底層樹脂表面指觸干燥后用找平膠(2614-A和2614-B以2:1的比例調(diào)和均勻)補平混凝土表面的凹陷部位;待找平膠指觸干燥后于粘貼部位涂抹浸漬膠(2654-A和2654-B以2:1的比例調(diào)和均勻),然后將裁好的碳纖維布用手(帶塑料手套)輕壓粘貼于需要粘貼的部位,接著采用專用的滾筒順纖維方向多次滾壓,擠除氣泡,使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布;第1層FRP浸漬膠指觸干燥后再重復上一步驟,并在第2層FRP條上均勻涂抹浸漬膠;加固完成7 d后,即可進行加載試驗,完成圖見圖4。

圖4 EB-FRP試件完成圖

1.2.2 HB-FRP試驗梁的制作 HB-FRP試驗梁的制作包括濕貼法及錨固件的安裝,EB-FRP試件的環(huán)氧樹脂干燥后即可進行錨固件的安裝。首先在需要安裝錨固件的預(yù)孔位置放線定位,用直徑為14mm鉆頭的沖擊鉆預(yù)先鉆孔,深度約8mm;清除孔內(nèi)雜質(zhì);向預(yù)鉆孔灌注環(huán)氧樹脂(將環(huán)氧樹脂和固化劑以1:1的比例調(diào)和),保證FRP與緊固件的粘結(jié)區(qū)域有一定厚度的環(huán)氧樹脂;迅速將螺栓置于預(yù)鉆孔內(nèi),并順序放置鋼板、墊片、螺帽;用手動的扭矩扳手對螺栓施加55 N?m的扭矩,使鋼板與FRP緊密連接;根據(jù)環(huán)氧樹脂規(guī)定的養(yǎng)護條件養(yǎng)護至終凝時間,即可進行試驗,完成圖見圖5。

圖5 HB-FRP試件完成圖

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用梁剪試驗方法,在加載梁的底部粘貼FRP,通過控制梁的構(gòu)造和鋼筋配置來保證梁的裂縫首先出現(xiàn)在跨中,即在梁的跨中截面縱筋不連續(xù),并在受拉區(qū)切縫,以精準控制裂縫位置。FRP布條在研究半跨內(nèi)按設(shè)計粘結(jié)長度粘貼錨固,在另半跨內(nèi)通長粘貼錨固,見圖6。所有試驗均為簡支,采用錨索測力計(BGK4 900/1 000 kN)作用的跨中靜力加載(見圖7),通過DT615自動記錄各項變化的參數(shù),并用相應(yīng)的程序計算出荷載值。試驗量測內(nèi)容包括加載大小、撓度、CFRP的應(yīng)變,試驗應(yīng)變及撓度(通過安裝百分表測得)的數(shù)據(jù)全部由日本產(chǎn)的DTS602數(shù)據(jù)采集儀自動采集。加載采用手動千斤頂,通過錨索測力計控制加載的大小。

圖6 試驗示意圖

圖7 試驗裝置圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 荷載-跨中撓度曲線

圖8 荷載-跨中撓度曲線

由圖8知,對于跨中有預(yù)切縫的EB和HB加固梁,FRP在預(yù)切縫處開始剝離時荷載會略有下降,撓度持續(xù)增加;對于相同的FRP錨固長度,HB試件的初始剝離荷載與EB試件的極限荷載非常接近;HB-FRP梁相對于EB-FRP梁荷載、撓度增量非常顯著,這是因為:EB-FRP梁預(yù)切縫處界面剪切力較粘結(jié)力大,出現(xiàn)應(yīng)力集中,使得梁出現(xiàn)局部剝離,且迅速向一側(cè)端部擴展(常為較近端);對于HB-FRP試件,FRP在預(yù)切縫處發(fā)生剝離時,鄰近的鋼扣件會迅速阻止剝離的發(fā)展,且鋼扣件的正壓力減緩了FRP板的整體縱向滑移,使得試件整體荷載持續(xù)增長,若其產(chǎn)生的粘結(jié)強度超過了界面剝離的剪切應(yīng)力,則破壞表現(xiàn)為其它方面,如FRP的拉斷、受壓區(qū)混凝土被壓碎及試件的剪切破壞等,這也是試驗結(jié)果所表現(xiàn)出來的破壞形式,參見表2。

表2 FRP-螺栓聯(lián)合加固技術(shù)試驗結(jié)果

2.2 FRP應(yīng)變分析

試件梁底FRP應(yīng)變在各荷載階段沿全梁的分布見圖9,試驗梁在極限荷載作用下FRP的應(yīng)變分布見圖10。由分布圖知,FRP在預(yù)切縫處的應(yīng)變最大,所以可認為跨中截面為最危險截面,即控制截面,但是由于試件部分截面存在著應(yīng)力集中,使得應(yīng)變分布圖有一定的突變,但是這并不影響FRP的整體趨勢。由表2知相同的FRP錨固長度,在試件破壞之前,HB-FRP體系跨中截面的最大剝離應(yīng)力有較大的提高(129%～415%),平均提高約246%。

2.3 破壞形式

根據(jù)對 FRP與混凝土粘結(jié)性能問題的研究[11-13],FRP與混凝土粘結(jié)界面的破壞形式主要有5種:1)混凝土的剪切破壞;2)FRP的拉斷破壞;3)粘結(jié)膠層的剪切破壞;4)FRP與粘結(jié)膠界面的剝離破壞;5)混凝土與粘結(jié)膠界面的剝離破壞。該試驗的破壞形式表明,HB和EB試件的破壞形式實質(zhì)上是一致的,與前期的研究結(jié)果非常吻合,參見表2,試驗破壞圖見圖11。

FRP加固混凝土構(gòu)件的一個重要特點是其存在一個有效粘結(jié)長度,當粘結(jié)長度超過該有效長度時,FRP的承載力不再提高[3]。因此對于該試驗,可認為當FRP的錨固長度超過其合理的錨固長度時,EB試件的剝離方向具有不確定性;對于 HBFRP,當鋼板的錨固間距一定時,可預(yù)測出也應(yīng)存在一個較為合理的錨固長度,當超過這個長度后,FRP的大面積剝離方向具有不確定性,但是隨著FRP的持續(xù)剝離,當HB試件產(chǎn)生的粘結(jié)強度比剪切應(yīng)力大時,就會出現(xiàn)FRP的拉斷、試件的剪切破壞等破壞形式。根據(jù)上面的分析,由第一組的試驗結(jié)果知,EB構(gòu)件的合理錨固長度為300mm,HB構(gòu)件的合理錨固長度為450mm。同樣,也可預(yù)測出對于FRP的某一錨固長度,必然存在一個最為合理的錨固間距,使得FRP的利用率最高,即FRP被拉斷,試驗結(jié)果表明,錨固間距為150mm(錨固長度的1/4)時,FRP得以充分利用。

圖9 試件的FRP板全梁應(yīng)變分布

圖10 試驗梁極限荷載作用下的FRP應(yīng)變分布

圖11 試驗破壞圖

3 中部裂縫引起的剝離強度的計算公式

3.1 EB-FRP中部裂縫引起的剝離強度的計算公式

EB-FRP中部裂縫引起的剝離可采用修正的Chen and Teng模型[3],根據(jù)試驗結(jié)果重新確定 α值,以滿足工程實際的需要。中部剝離應(yīng)力公式如下:

式中:Ef為FRP片材的彈性模量;tf為FRP片材的名義厚度(不考慮樹脂基質(zhì)的厚度);Ld為FRP片材從其充分利用截面到截斷位置的長度;βL為FRP片材長度影響系數(shù);Leff為FRP有效粘結(jié)長度;La為錨固長度;βf為FRP片材寬度影響系數(shù);bf為FRP片材的寬度;bc為混凝土梁底的寬度;fcu為混凝土立方體抗壓強度設(shè)計值。

由試驗結(jié)果知合理錨固長度為300mm,根據(jù)合理的錨固長度公式376mm,實測值與計算值的比值為0.8,可見試驗值與計算值較為吻合。根據(jù)試驗及要求的保守程度,并考慮數(shù)據(jù)的離散型,取α=0.55,試驗值及計算值如表3。

表3 EB-FRP試件中部剝離應(yīng)力的試驗值與計算值的比較

由表3知,除了一個計算值略大于試驗值外,其它所有的計算值都是安全的,所以取α=0.55用于計算EB-FRP中部裂縫引起的剝離應(yīng)力下限值是合適的。

3.2 HB-FRP中部裂縫引起的剝離強度計算公式

HB-FRP系統(tǒng)的傳力機制與EB-FRP的不同,它不僅包括 FRP-混凝土界面層間剪力,還包括FRP-機械緊固件間的層間剪力和剝離混凝土-混凝土基底摩力,見圖12。前期的資料表明[11-13]:FRP-機械緊固件間的層間剪力不是很大,可是剝離剝離混凝土-混凝土基底摩擦力是提高FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的最主要的因素。

圖12 HB-FRP加固作用機理示意圖

由荷載-跨中撓度曲線的對比可知,對于跨中有預(yù)切縫且縱向鋼筋在跨中被切斷的混凝土梁,HBFRP系統(tǒng)較EB-FRP系統(tǒng)的荷載增長值可認為是從前者的初始剝離(HB的初始剝離荷載與相應(yīng)的EB極限荷載非常接近)開始的,因此可近似的認為HB-FRP體系的粘結(jié)強度包含了EB-FRP體系的粘結(jié)強度以及緊固件體系增長的粘結(jié)強度。因此,HB-FRP體系承載力計算可分為2個步驟:1)按EB-FRP加固梁中部剝離公式計算破壞時FRP板剝離應(yīng)力σf,EB計算;2)推導錨固件個數(shù)與FRP剝離應(yīng)力增長值 Δ關(guān)系。

步驟1)可按修正的Chen and Teng模型,但是在HB-FRP體系中EB-FRP的粘結(jié)強度僅是其中的一部分,當達到EB-FRP粘結(jié)強度的粘結(jié)強度時,試件并不會立即破壞,因此需對公式的系數(shù)進行修正,以滿足計算的需要。建議取α=1.0,由試驗結(jié)果知HB-FRP體系的合理錨固長度為450mm。因此應(yīng)注意公式中FRP長度影響系數(shù)βL的選取。

參考單剪試驗的分析方法[14],對第二組試驗梁的結(jié)果進行分析,見圖13。由圖13知,HB-FRP加固梁FRP應(yīng)力增長值基本與緊固件的個數(shù)呈線性關(guān)系,由斜率可知,每個扣件的增長量為1 013.1mPa。

圖13 FRP應(yīng)力增量同研究段錨固件個數(shù)的關(guān)系

通過以上的分析,可初步建立HB-FRP的中部剝離極限應(yīng)力公式:

式中:α取1.0;k取0.9;n為研究段的錨固件的個數(shù)。試驗值與計算值的比較見表4。

由表4知,除了BM10(該試件沒有經(jīng)過大面積的FRP剝離,而是FRP直接被拉斷)外,其它所有的計算值都是安全的,所以取α=1.0,k取0.9,用于計算HB-FRP中部裂縫引起的剝離應(yīng)力下限值是合適的。由于公式推導的基礎(chǔ)是跨中裂縫引起的剝離,因此該公式僅適用由中部裂縫剝離(至少是大面積剝離)導致的試件破壞的情況。

表4 HB-FRP試件中部剝離應(yīng)力的試驗值與計算值的比較

4 結(jié)論

通過對17根留有預(yù)切縫的試驗梁進行跨中加載試驗,研究FRP-螺栓聯(lián)合加固技術(shù)的粘結(jié)性能、錨固間距和合理錨固長度。在試驗數(shù)據(jù)及理論分析的基礎(chǔ)上得出以下結(jié)論:

1)對于跨中有預(yù)切縫的EB和 HB試件,FRP在預(yù)切縫處開始剝離時荷載會略有下降,撓度持續(xù)增加,在荷載-撓度曲線里表現(xiàn)為明顯的突變。

2)FRP的錨固長度相同時,HB試件的初始剝離荷載與EB試件的極限荷載非常接近;HB-FRP梁相對于EB-FRP梁荷載、撓度增量非常顯著。

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