李恒通

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院　廣東　廣州　510010）

端錨碳纖維布加固混凝土試件試驗(yàn)研究

李恒通

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院廣東廣州510010）

外貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固技術(shù)常常出現(xiàn)CFRP過早剝離導(dǎo)致其強(qiáng)度得不到充分利用的問題。針對(duì)此種情況，本文采用了一種新型的自鎖式緊湊型超薄端部錨固裝置，通過6組試件的雙剪試驗(yàn)，主要研究了該端錨系統(tǒng)錨固的可靠性以及端錨CFRP加固混凝土試件的破壞過程及破壞形態(tài)等。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該端錨能顯著提高CFRP的利用率，加固試件的延性亦得以改善，該端錨裝置錨固可靠，具有良好的工程應(yīng)用前景。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；自鎖；端錨；雙剪試驗(yàn)；可靠

1　引言

目前，應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)最常用的一種方法是外貼CFRP加固法，即用粘結(jié)劑將CFRP粘貼于結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行加固。該方法操作靈活、容易掌握，但存在明顯缺陷[1～2]∶①CFRP很早就與原結(jié)構(gòu)剝離，CFRP不能充分發(fā)揮其較高的抗拉強(qiáng)度，使得CFRP的利用率僅有15～35%。③加固構(gòu)件破壞過程發(fā)展迅速，破壞模式趨近于脆性破壞。

針對(duì)上述情況，一些學(xué)者提出了一些旨在提高抗剝離能力的技術(shù)措施，以便更好地發(fā)揮材料功效。卓靜[3]等研究開發(fā)出了一種波形齒夾具錨，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP片材強(qiáng)度得到了較為充分的利用，該端錨系統(tǒng)錨固可靠；但由于錨板呈波形狀，會(huì)在一定程度上影響FRP片材的抗拉強(qiáng)度，另外所需錨板厚度偏大，要鑿保護(hù)層才能做到布貼梁面。石昌文[4]等將環(huán)氧樹脂浸潤(rùn)后的CFRP布的兩端纏繞在鐵片上，并利用螺桿把鐵片錨固于混凝土構(gòu)件上對(duì)其進(jìn)行加固；試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效延緩CFRP布的剝離，即使CFRP布在跨中剝離仍可與梁共同受力，直至CFRP布拉斷，從而有效地提高CFRP的利用率；但該方法需要將CFRP在鐵片上纏繞多層，加載時(shí)端部CFRP即會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，對(duì)加固效果產(chǎn)生不良影響?？紤]到上述錨固技術(shù)措施存在的不足，本文采用中南大學(xué)周朝陽教授發(fā)明的自鎖式緊湊型超薄端部錨固裝置，通過6組試件研究CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)對(duì)加固效果的影響以及驗(yàn)證該端錨裝置的可靠性。

2　試驗(yàn)概述

2.1端部錨固技術(shù)方案

2.1.1技術(shù)特點(diǎn)

錨板設(shè)計(jì)考慮到CFRP布是由若干碳纖維細(xì)絲構(gòu)成，為避免較大荷載作用下CFRP布損傷，錨板上纏繞CFRP布的位置應(yīng)做成圓弧狀；為實(shí)現(xiàn)CFRP布繞結(jié)自鎖獲得越拉越緊的錨固效果，應(yīng)將錨具做成開縫板；根據(jù)端錨CFRP布受力特點(diǎn)，錨板上植筋開孔位置宜靠近CFRP受力一側(cè)，錨板實(shí)物見圖1。

2.1.2技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）錨固可靠。大量試驗(yàn)以及工程加固效果表明，傳統(tǒng)的粘貼錨固，CFRP的最大拉應(yīng)力大多是由CFRP-混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力控制，往往剝離早于CFRP斷裂，CFRP的強(qiáng)度得不到充分利用。采用本文錨板后，CFRP剝離后在錨板的作用下還能繼續(xù)工作直至CFRP被拉斷，加固效果良好。

（2）自鎖功能強(qiáng)大。機(jī)械錨固CFRP加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為達(dá)到良好的錨固效果，往往對(duì)機(jī)械錨固裝置與CFRP之間的相對(duì)滑移值要求較高。本文所用錨板具有非常強(qiáng)大的自鎖功能，很好的解決了此類問題，端錨CFRP布受力自鎖示意圖見圖2。

圖1　錨板圖

圖2　端錨CFRP布受力自鎖示意圖

（3）體積較小，外觀精致，錨板厚度可以薄到只要幾個(gè)毫米，CFRP布到構(gòu)件表面的距離可為包括零在內(nèi)的任何值。

（4）制作簡(jiǎn)單，無需拼裝，施工便捷，不影響原結(jié)構(gòu)美觀，綜合成本較低，在實(shí)用性方面均優(yōu)于許多其他類型的錨具。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用雙剪試驗(yàn)方法對(duì)加固試件進(jìn)行研究。試件的尺寸考慮到錨板的錨固要求，并參考了日本混凝土協(xié)會(huì)的建議[6]，每組試件由兩個(gè)相互獨(dú)立的尺寸均為500mm×240mm×240mm（長(zhǎng)×寬×高）的混凝土試塊組成，見圖3。試驗(yàn)中通過沿CFRP布中線均勻布置（間距20mm）的應(yīng)變片來測(cè)量各級(jí)荷載作用下CFRP的應(yīng)變分布。

By the further analysis,it is clearly to see that Eve tries to change the argument to protect herself.After shirking her responsibility entirely to Adam,she begins to deliberately belittle her pride and independence that she had previously gained.For examples,shesays:

圖3　試件尺寸示意圖

2.2.2試驗(yàn)加載

受試驗(yàn)空間等因素限制，本試驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)室既有鋼梁組合試驗(yàn)裝置進(jìn)行手動(dòng)加載。加載速度和荷載大小通過控制螺帽擰動(dòng)快慢和擰動(dòng)圈數(shù)來控制?？紤]到試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載較大，本試驗(yàn)采用分級(jí)加載，具體見圖4。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析[7]

3.1試驗(yàn)結(jié)果與極限承載力影響因素分析

本次試驗(yàn)結(jié)果見表1。

根據(jù)表1可知∶試件SJ-2相比于試件SJ-1，其極限承載力提高了25.4%，這表明增加CFRP寬度，能提高加固試件的極限承載力。

圖4　加載裝置示意圖

表1　試驗(yàn)結(jié)果表

通過試件SJ-4和試件SJ-2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用錨板后，加固試件極限承載力提高了17.9%，CFRP強(qiáng)度得到了較大程度的利用，錨板對(duì)外貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力有較大的提高；CFRP破壞模式亦由CFRP剝離破壞變?yōu)镃FRP先剝離后被拉斷，即CFRP粘結(jié)失效后由于錨板的作用CFRP還能繼續(xù)工作直至被拉斷，錨板的采用顯著改善了加固試件的延性。

試件SJ-6較試件SJ-1的極限承載力提高了8%，這表明隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，極限承載力亦有所增長(zhǎng)，但有關(guān)研究[8～9]指出，CFRP存在一個(gè)有效粘結(jié)長(zhǎng)度，當(dāng)CFRP粘貼長(zhǎng)度超過有效粘貼長(zhǎng)度后其極限承載力不再增長(zhǎng)。

3.2各級(jí)荷載作用下CFRP的應(yīng)變分布規(guī)律

根據(jù)采集到的CFRP表面中心線上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)，可以得到沿CFRP縱向應(yīng)變分布規(guī)律。因篇幅所限，本文選擇部分試件的CFRP應(yīng)變進(jìn)行分析，見圖5。

圖5　各級(jí)荷載作用下CFRP上應(yīng)變分布

由圖5可知，試驗(yàn)加載初期，CFRP的傳力區(qū)域較小，CFRP僅在靠近加載端附近承受拉力，遠(yuǎn)離加載端方向，CFRP上的應(yīng)變趨向于零；隨著荷載的繼續(xù)增加，CFRP的應(yīng)變和傳力區(qū)域不斷增大；試驗(yàn)加載后期，CFRP出現(xiàn)“啪啪”的剝離聲，CFRP迅速?gòu)幕炷两缑鎰冸x。

根據(jù)圖形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用錨板后，試件的極限承載力有較為明顯的提高，同時(shí)也顯著改善了加固試件的延性。加固試件破壞模式發(fā)生改變，當(dāng)加固試件粘結(jié)失效后，由于端錨作用，CFRP繼續(xù)承載，CFRP應(yīng)變沿縱向分布較為均勻，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，CFRP被拉斷，試件破壞。圖中出現(xiàn)粘結(jié)失效后CFRP的應(yīng)變沿縱向局部出現(xiàn)突變，究其原因，可能是粘結(jié)破壞界面間存在的摩擦力等因素對(duì)CFRP受力有一定的影響。

4　結(jié)論

本文通過試驗(yàn)初步探索了端錨CFRP加固混凝土試件的加固效果，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論，供加固設(shè)計(jì)和施工參考。

（1）采用本文錨板后，加固試件的極限承載力得到提高，延性亦得以改善。試件破壞模式由CFRP剝離破壞變?yōu)镃FRP先剝離后拉斷，CFRP的強(qiáng)度得到了較為充分的利用，端錨能顯著改善試件受力性能，端部錨固技術(shù)可靠。

（2）在保證施工質(zhì)量的前提下，粘結(jié)界面的破壞大多發(fā)生在界面下2～5mm的混凝土內(nèi)，即CFRP剝離時(shí)常帶有一層薄薄的混凝土，CFRP加載端附近常拉下一小段三角柱狀混凝土塊。在界面粘結(jié)失效后，由于端錨的作用，試件還能繼續(xù)工作直至CFRP斷裂，破壞為脆性破壞。

（3）隨著CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度、寬度的增加，試件的極限承載力均有所增加。

（4）CFRP布是由若干碳纖維細(xì)絲構(gòu)成，利用CFRP布進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)使CFRP布得到浸漬膠充分浸潤(rùn)以防止加載時(shí)出現(xiàn)受力不均，部分纖維絲被拉斷。

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∶2015-2-18