衛(wèi)軍，杜永瀟，梁家熙，黃敦文，陳濤

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多種纖維層間混雜黏貼對(duì)鋼筋混凝土梁延性影響的試驗(yàn)研究

衛(wèi)軍，杜永瀟，梁家熙，黃敦文，陳濤

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)碳纖維黏貼的鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度增強(qiáng)和延性改善不一致的現(xiàn)象，采用多種纖維層間混雜黏貼方式對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行處理，通過(guò)三分點(diǎn)加載試驗(yàn)研究纖維的種類(lèi)、黏貼順序以及混雜比例對(duì)試驗(yàn)梁抗彎承載力、變形能力以及延性的影響。研究結(jié)果表明：纖維材料的極限拉伸強(qiáng)度越大，配布量越大，對(duì)試驗(yàn)梁極限承載力提高越明顯，與無(wú)加固梁相比提高了38.8%~65.3%；纖維材料的斷裂延伸率越大，加固梁的變形能力就越好；各試驗(yàn)方案中，芳綸/玄武巖/碳纖維層間混雜黏貼的方式對(duì)試驗(yàn)梁的延性提升作用最明顯，其綜合延性指標(biāo)和能量延性指標(biāo)相比于碳纖維梁分別提高了44.8%和125.0%，該混雜纖維加固方式可為有抗震要求的加固設(shè)計(jì)提供參考。

層間混雜纖維；鋼筋混凝土梁；試驗(yàn)研究；變形能力；延性

碳纖維(CFRP)黏貼加固技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，雖然經(jīng)CFRP加固后受彎構(gòu)件的承載能力能夠顯著提升，但其延性卻沒(méi)有獲得同比例的增加，難以滿足抗震設(shè)防需求[1]。由此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將碳纖維與其他高延伸率纖維混雜(HFRP)加固鋼筋混凝土梁，延性均有了一定的提高[2?9]，但效果不明顯。目前，針對(duì)纖維的種類(lèi)、混雜比例以及黏貼順序?qū)κ軓潣?gòu)件延性影響的研究仍存在較多的空白和不足?；诖?，本文以碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維、玄武巖纖維以及芳綸纖維為原材料，制作了16組不同組合的層間混雜纖維，通過(guò)縱向拉伸試驗(yàn)來(lái)研究混雜規(guī)律對(duì)材料延性的影響[10]。挑選具有代表性的6組混雜方式黏貼鋼筋混凝土梁，擬通過(guò)三分點(diǎn)加載試驗(yàn)遴選最佳延性增強(qiáng)方案，并對(duì)比研究纖維的種類(lèi)、混雜比例以及黏貼順序?qū)︿摻罨炷亮嚎箯澇休d力、變形能力以及延性的影響，以期為HFRP加固技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 延性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.1 傳統(tǒng)的延性系數(shù)

傳統(tǒng)的延性系數(shù)是在鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能基礎(chǔ)上建立的，為極限變形與屈服變形之比，針對(duì)所研究的情況，可分為曲率延性系數(shù)、轉(zhuǎn)角延性系數(shù)和位移延性系數(shù)。對(duì)于受彎構(gòu)件，曲率是對(duì)應(yīng)截面變形，轉(zhuǎn)角一般是針對(duì)構(gòu)件局部，撓度是針對(duì)整個(gè)構(gòu)件。能量延性系數(shù)為極限變形能與屈服時(shí)變形能之比。它不僅反映構(gòu)件的變形儲(chǔ)備還能反映承載力儲(chǔ)備。但對(duì)于無(wú)明顯屈服點(diǎn)的材料和構(gòu)件，延性的定義都無(wú)法直接應(yīng)用。

1.2 改進(jìn)的延性系數(shù)

由于傳統(tǒng)延性系數(shù)對(duì)無(wú)明顯屈服點(diǎn)的構(gòu)件不適用，就有學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的延性進(jìn)行了改進(jìn)。Abdelrahman等[11]在研究FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)改進(jìn)的延性系數(shù)：

1.3 變形性系數(shù)及綜合性能指標(biāo)

Mufti等[12]明確提出了變形性的概念，并給出了一套性能指標(biāo)，其中包括一個(gè)反映受彎構(gòu)件綜合性能指標(biāo)[13]：

對(duì)于受彎構(gòu)件，馮鵬等[14]建議采用綜合性能指標(biāo)來(lái)全面反映各種不同類(lèi)型構(gòu)件的受力性能，該指標(biāo)綜合考量了承載力、變形性和吸收能量這3方面的構(gòu)件延性。綜合性能指標(biāo)為：

1.4 基于能量的延性指標(biāo)

FRP加固混凝土梁中反映結(jié)構(gòu)延性或耗能的非彈性殘余變形比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要小得多。因此，采用能量的觀點(diǎn)來(lái)定義FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo)將更適宜[15]：

式中：el和tot(tot=pl+el)的符號(hào)意義見(jiàn)圖1。

對(duì)于HFRP梁，荷載?變形曲線一般可由開(kāi)裂點(diǎn)(1,Δ1)、鋼筋屈服點(diǎn)(2,Δ2)和極限破壞點(diǎn)(u,Δu)來(lái)刻畫(huà)，如圖1所示。為獲得混凝土梁的彈性能以及非彈性能，需要得到極限荷載時(shí)的卸載曲線。本文提出混凝土梁的卸載剛度為：

式中：k為卸載剛度斜率，k1，k2和k3分別為荷載?變形三階段的斜率。

為研究多種纖維層間混雜黏貼對(duì)鋼筋混凝土梁延性的影響，本文采用綜合性能指標(biāo)和能量延性指標(biāo)表征梁的延性，對(duì)HFRP梁進(jìn)行試驗(yàn)研究和 分析。

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 材料力學(xué)性能

表1為單一纖維布復(fù)合材料的力學(xué)性能。表中，C代表碳纖維；S代表高強(qiáng)玻璃纖維；A代表芳綸纖維；B代表玄武巖纖維。

表1 纖維布力學(xué)性能

從上述4種纖維中選取2種或者3種進(jìn)行層間混雜并制成試件，并對(duì)多種纖維層間混雜復(fù)合材料的縱向拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10]。試件尺寸為：寬度15 mm，間距130 mm和夾持長(zhǎng)度50 mm[16]。試驗(yàn)分為16組，每組4個(gè)試件。拉伸試驗(yàn)選用DNS100拉伸試驗(yàn)機(jī)(準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5)、CRIMS引伸計(jì)(標(biāo)距為50 mm)，采用連續(xù)加載直至試件破壞的方式，加載機(jī)制為位移控制，加載速度為2 mm/min。選取部分具有代表性的纖維混雜黏貼方式及其拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2中，混雜方式//表示黏貼，和纖維各一層，其中，和纖維可選C，S，A和B 4種。

表2 混雜纖維加固材料的力學(xué)性能

圖2所示為部分具有代表性的混雜纖維應(yīng)力?應(yīng)變曲線。由圖2可見(jiàn)：在拉伸過(guò)程中，HFRP中的碳纖維首先斷裂，其承載力隨著碳纖維的斷裂而迅速下降，之后緩慢上升，上升階段由延性更好的纖維復(fù)合材料承載，隨后承載力上升直至某一高點(diǎn)后，HFRP被拉斷。由此可預(yù)見(jiàn)，將多種纖維層間混雜應(yīng)用于混凝土梁上，可以充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì)，不同種纖維混雜也會(huì)對(duì)加固梁的延性有不同的影響。

2.2 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)7片矩形截面鋼筋混凝土梁，其中1片為無(wú)纖維黏貼的標(biāo)準(zhǔn)梁，1片為碳纖維黏貼梁，其余5片為不同黏貼方式的HFRP梁。混凝土等級(jí)為C35，試驗(yàn)梁的尺寸、配筋及加載方式如圖3 所示。

(a) S/B/C；(b) A/B/C

單位：mm

2.3 加固方案

梁編號(hào)B-0表示不進(jìn)行加固處理，作為對(duì)照組；梁C-1黏帖2層碳纖維；梁S/C-2黏帖高強(qiáng)玻璃、碳纖維各黏帖一層；梁A/C-3黏帖芳綸、碳纖維各一層；梁B/C-4黏帖玄武巖、碳纖維各一層；梁S/B/C-5黏帖高強(qiáng)玻璃、玄武巖、碳纖維各一層；梁A/B/C-6黏帖芳綸、玄武巖、碳纖維各一層。黏帖順序?yàn)橛衫锏酵饫w維彈性模量逐步增大。加固量見(jiàn)表2。

纖維復(fù)合材料沿梁縱向黏帖至支座邊緣，寬度為150 mm。為減小纖維復(fù)合材料端部的剝離應(yīng)力，黏帖時(shí)采用長(zhǎng)度遞縮的方式，并在梁底纖維材料延伸長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置碳纖維U型箍[17]，最后在U型箍上端黏帖縱向壓條予以錨固，如圖4所示。

2.4 觀測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)觀測(cè)的主要內(nèi)容包括：承載力、荷載-撓度曲線、純彎段及跨中的鋼筋、混凝土和纖維布應(yīng)變等。應(yīng)變片、位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置分別如圖5和圖6所示。靜力加載中及時(shí)記錄應(yīng)變、撓度及裂縫的發(fā)展情況。

單位：mm

單位：mm

單位：mm

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)

圖7所示為試驗(yàn)梁純彎段的破壞形態(tài)圖。無(wú)加固對(duì)比梁B-0為適筋梁破壞，裂縫發(fā)展最充分，受壓區(qū)裂縫貫穿后，混凝土被壓碎。加固試驗(yàn)梁均為纖維加固材料斷裂破壞。受拉鋼筋屈服前加固試驗(yàn)梁的裂縫發(fā)展過(guò)程與無(wú)加固梁接近；受拉鋼筋屈服后裂縫在混凝土受壓區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出不同程度的橫向發(fā)展，裂縫發(fā)展受到明顯的抑制。破壞時(shí)，梁C-1，S/C-2，A/C-3和B/C-4的裂縫并未在混凝土受壓區(qū)有橫向發(fā)展的趨勢(shì)；梁S/B/C-5裂縫已有橫向發(fā)展的趨勢(shì)；梁A/B/C-6裂縫已有橫向發(fā)展并且受壓區(qū)混凝土被局部壓碎，破壞形態(tài)最接近適筋梁破壞。接近破壞時(shí)，受拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展最密集處纖維加固材料與混凝土表面發(fā)生剝離。

3.2 荷載-撓度曲線

加載過(guò)程的荷載?撓度曲線圖繪制如圖8所示，并提煉試驗(yàn)梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載以及受拉鋼筋屈服時(shí)和試驗(yàn)梁破壞時(shí)的跨中位移，如表2所示。

由圖8可知，受拉鋼筋屈服前，梁B-0與HFRP梁的剛度相差不大；受拉鋼筋屈服至梁達(dá)到極限承載力這個(gè)階段，HFRP梁相比于B-0的剛度有明顯的提高；在纖維分層破壞逐步斷裂階段，梁A/B/C-6的剛度與B-0相差不大，在這階段碳纖維已斷裂基本退出工作，僅靠芳綸、玄武巖纖維保持承載力，當(dāng)達(dá)到玄武巖纖維的斷裂延伸率時(shí)，HFRP發(fā)生斷裂，試驗(yàn)梁破壞。

由表2可知，與無(wú)加固梁相比，HFRP梁的極限荷載提高了38.8%~65.3%，但開(kāi)裂荷載無(wú)明顯提高，屈服荷載也僅提高了3.6%~9.5%。

3.3 承載能力分析

結(jié)合表1和表2分析后發(fā)現(xiàn)，纖維材料的極限拉伸強(qiáng)度越高，配布量越大，對(duì)極限承載力的提高作用就越明顯。如A/C的極限拉伸強(qiáng)度與A/B/C相近，但梁A/B/C-6的配布量比A/C-3多35.3%，梁A/B/C-6的極限承載力提高幅度比A/C-3大了18.57%；梁C-1的配布量與B/C-4幾乎相同，但CFRP的極限拉伸強(qiáng)度比B/C高31.0%，梁C-1的極限承載力提高幅度比B/C-4大了21.3%。由此可見(jiàn)，提高HFRP受彎構(gòu)件極限承載力的黏貼方式有2種：1) 在配布量不變的情況下，由混合定則可知，可提高高強(qiáng)高彈模纖維(如碳纖維)的混雜比例以提高纖維材料的極限拉伸強(qiáng)度；2) 在混雜比例不變的情況下，可增大黏貼面積或增加黏貼層數(shù)以增大配布量。

(a) B-0；(b) C-1；(c) S/C-2；(d) A/C-3；(e) B/C-4；(f) S/B/C-5；(g) A/B/C-6

圖8 荷載-撓度曲線

3.4 變形能力分析

結(jié)合表2和圖7分析后發(fā)現(xiàn)，HFRP梁的變形能力大小主要受纖維材料的斷裂延伸率這個(gè)因素的影響。而層間混雜纖維材料的斷裂延伸率主要受纖維種類(lèi)、混雜比例以及黏貼順序的影響。為便于討論，按單一組分纖維加固材料的斷裂延伸率進(jìn)行分類(lèi)，本文將高強(qiáng)玻璃、芳綸纖維歸類(lèi)為高延伸率纖維，將玄武巖纖維歸類(lèi)為中延伸率纖維，將碳纖維歸類(lèi)為低延伸率纖維。

表3 試驗(yàn)梁的抗彎承載力和位移

由表2和圖7可知，梁S/C-2，A/C-3和B/C-4的跨中極限位移和纖維材料的斷裂應(yīng)變與C-1相差不大，說(shuō)明碳纖維層斷裂后HFRP就立即發(fā)生斷裂，中、高延伸纖維層的性能均未得到充分發(fā)揮，高、低延伸率纖維混雜和中、低延伸率纖維混雜的黏貼方式對(duì)HFRP梁變形能力的提高作用并不明顯；梁A/B/C-6的跨中極限位移相比于C-1和A/C-3增大了50.8%和54.3%，纖維材料A/B/C的斷裂應(yīng)變相比于A/C增大了70.2%和78.3%，說(shuō)明玄武巖纖維層在碳纖維層斷裂時(shí)減弱了應(yīng)力集中的影響，使應(yīng)力平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到玄武巖和芳綸纖維層，HFRP能夠繼續(xù)承受荷載，直至達(dá)到玄武巖纖維的斷裂延伸率才發(fā)生斷裂，使HFRP梁的變形能力得到大幅度提高；梁S/B/C-5的跨中極限位移和纖維材料的斷裂應(yīng)變與C-1和S/C-2相差不大，但與A/B/C-6相比跨中極限位移、斷裂應(yīng)變分別降低了43.3%和41.2%，雖然在高、低延伸率纖維層之間有玄武巖纖維層，但由于高強(qiáng)玻璃纖維的抗沖擊韌性差于芳綸纖維，在碳纖維層斷裂時(shí)無(wú)法吸收梁剛度突變所產(chǎn)生的沖擊能，高強(qiáng)玻璃和玄武巖纖維層瞬間一起發(fā)生斷裂，未能有效提高HFRP梁的變形能力。

由此可見(jiàn)，芳綸/玄武巖/碳纖維這3種延伸率不同的纖維混雜的黏貼方式能在碳纖維層斷裂后繼續(xù)承載，提高了纖維材料的斷裂延伸率，從而提高了加固梁的變形能力。

4 延性分析

4.1 綜合性能指標(biāo)分析

依據(jù)式(6)~(8)計(jì)算得到試驗(yàn)梁的綜合性能指標(biāo)如表4所示。根據(jù)定義，綜合性能指標(biāo)越大試驗(yàn)梁的延性就越好。由表3可知，梁A/B/C-6與C-1相比延性提高了44.8%，延性的提高效果十分顯著；梁A/B/C-6與B-0相比延性僅增大了10.1%，其延性已與鋼筋混凝土梁幾乎處于同一個(gè)水平。而其余的混雜纖維黏貼方式的延性提高效果不佳，其余HFRP梁的延性與CFRP梁相差不大。

表4 試驗(yàn)梁的綜合性能指標(biāo)

提高受彎構(gòu)件延性是采用混雜纖維黏貼加固的首要目的，其次才是考慮對(duì)極限承載力、剛度的提高效果。從延性提高效果優(yōu)劣的角度去考慮，芳綸/玄武巖/碳纖維混雜的黏貼方式在本試驗(yàn)中無(wú)疑是最優(yōu)的，這種黏貼方式對(duì)極限承載力和剛度的提高效果也已接近于傳統(tǒng)的碳纖維黏貼方式。由表2可知，從承載力方面看，梁A/B/C-6與B-0相比極限承載力提高了58.8%，且已接近于C-1，3種纖維的混雜黏貼增大了黏貼層數(shù)，使極限承載力有較大的提高；從變形能力方面，芳綸和玄武巖纖維的共同作用使混雜纖維材料的斷裂延伸率有較大的提高，提高了HFRP梁的變形能力。

4.2 能量延性指標(biāo)分析

通常，混凝土梁荷載?變形曲線一般可由開(kāi)裂點(diǎn)、鋼筋屈服點(diǎn)和極限破壞點(diǎn)將曲線分為3階段，而采用芳綸/玄武巖/碳纖維黏貼方式的梁A/B/C-6在碳纖維層斷裂后繼續(xù)承載，故而其荷載?變形曲線由開(kāi)裂點(diǎn)(1,Δ1)、鋼筋屈服點(diǎn)(2,Δ2)、碳纖維層斷裂點(diǎn)(3，Δ3)和極限破壞點(diǎn)(u,Δu)將曲線分為4階段(見(jiàn)圖8)。此時(shí)，梁的卸載剛度由式(11)改寫(xiě)為：

依據(jù)式(10)~(12)計(jì)算得到試驗(yàn)梁的能量延性指標(biāo)如表3所示。根據(jù)定義，能量延性指標(biāo)越大試驗(yàn)梁的延性就越好。由表3可知，梁A/B/C-6與C-1相比能量延性指標(biāo)提高了125.0%，延性的提高效果十分顯著；梁A/B/C-6與B-0相比能量延性指標(biāo)降低了46.4%，而其余的混雜纖維黏貼方式的延性提高效果不佳，其余HFRP梁的延性與CFRP梁相差不大。從能量的角度看，芳綸/玄武巖/碳纖維混雜(A/B/C-6)的黏貼方式的優(yōu)點(diǎn)在于：碳纖維層斷裂后，芳綸/玄武巖纖維能有效地吸收梁剛度突變所產(chǎn)生的沖擊能，使加固梁在繼續(xù)承載的基礎(chǔ)上，提高了其變形能力。

通過(guò)綜合性能指標(biāo)和能量延性指標(biāo)分析，均可以看出，芳綸/玄武巖/碳纖維混雜的黏貼方式能在大幅度提高延性的前提下保證受彎構(gòu)件具有較高的極限承載力和剛度，是本試驗(yàn)中最優(yōu)的黏貼加固方式，其延性相比于CFRP加固梁提高顯著，能為有抗震要求的加固設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)論

1) 本試驗(yàn)中HFRP梁的極限荷載相比于無(wú)加固梁提高了38.8%~65.3%，加固效果顯著。HFRP梁的極限承載力主要受纖維材料的極限拉伸強(qiáng)度和配布量的影響，極限拉伸強(qiáng)度越高，配布量越大，HFRP梁的極限承載力就越高。

2) HFRP梁的變形能力主要取決于纖維材料的斷裂延伸率，斷裂延伸率越大，變形能力就越好。芳綸和玄武巖纖維共同作用下的應(yīng)力平穩(wěn)轉(zhuǎn)移使混雜纖維材料的斷裂延伸率相比于CFRP提高了70.2%，從而使芳綸/玄武巖/碳纖維混雜黏貼方式的HFRP梁的跨中極限位移相比于CFRP梁提高了50.8%。

3) 芳綸/玄武巖/碳纖維混雜的黏貼方式能在大幅度提高延性的前提下保證受彎構(gòu)件具有較高的極限承載力和剛度，是本試驗(yàn)中最優(yōu)的黏貼加固方式，其延性相比于CFRP加固梁提高顯著，能為有抗震要求的加固設(shè)計(jì)提供參考。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Experimental study on the effect on the ductility of multi fiber interlayer hybrid reinforced concrete beams

WEI Jun, DU Yongxiao, LIANG Jiaxi, HUANG Dunwen, CHEN Tao

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In view of the phenomenon that the strength and ductility of the reinforced concrete beam bonded with carbon fiber are inconsistent, the reinforced concrete beam is strengthened by a variety of fiber hybrid methods. The effect of fiber type, pasting sequence, and mixing ratio on the bending capacity, deformation capacity, and ductility of the test beam was investigated by a three-point loading test. The test results show that the greater the ultimate tensile strength of the fiber material and the greater the amount of the distribution, the more significant the ultimate bearing capacity of the test beam is, which is increased by 38.8%~65.3% compared with the non-reinforced beam; the greater the elongation at break of the fiber material, the better the deformability of the reinforcing beam; in all experimental schemes, the aramid/basalt/carbon fiber interlaminar hybrid method has the most obvious effect on the ductility of the test beam. The comprehensive ductility index and energy ductility index increase by 44.8% and 125.0% respectively compared to the carbon fiber beam. The hybrid fiber reinforcement method can provide reference for the reinforcement design with seismic requirements.

interlayer hybrid fiber; reinforced concrete beam; experimental study; deformation capacity; ductility

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.023

TU375

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1282 ? 09

2018?06?15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378501，51578547，51778628)

衛(wèi)軍(1957?)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授，從事土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究；E?mail：juneweii@163.com