唐皇,彭建新,王晗,張建仁
(1. 湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院,湖南 益陽 413000;2. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,長沙 410114;3. 國家電網(wǎng)益陽供電公司,湖南 益陽 413000)
鋼筋銹蝕引起的鋼筋與混凝土粘結(jié)力退化是導(dǎo)致鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)承載性能降低的主要因素之一。利用鋼板和FRP加固銹蝕RC結(jié)構(gòu)是兩種運用廣泛且有效的加固方法。由于鋼板具有加固操作方便、成本低、對結(jié)構(gòu)本身破壞小等優(yōu)點,已廣泛運用于加固工程中。學(xué)者們對于未銹蝕加固結(jié)構(gòu)承載性能和變形性能等方面的研究取得了諸多成果[1-3],但對于鋼板加固銹蝕RC梁力學(xué)性能的研究較少。近年來,筆者通過對30片不同銹蝕程度的RC梁進(jìn)行不同方式的鋼板加固,通過試驗研究得到了鋼板抗彎加固銹蝕RC梁抗力退化、變形性能和破壞特征[4-5],分析了二次銹蝕對于鋼板加固銹蝕RC梁后的承載性能的后續(xù)影響[6],建立了計算鋼板加固銹蝕RC梁的短期撓度計算方法[7],此方法并沒有考慮不同銹蝕狀態(tài)下粘結(jié)應(yīng)力的有效傳遞,而把粘結(jié)力作為定值,最終極限荷載對應(yīng)的撓度值比較合理,但不同荷載等級下的撓度值與試驗值略有差異。
FRP作為比較新型的加固材料,由于其剛度高、縱向拉伸強(qiáng)度大、抗腐蝕性好、熱傳遞率低等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛運用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程中。粘貼FRP布加固RC結(jié)構(gòu)是使用FRP材料增強(qiáng)RC結(jié)構(gòu)性能的方法之一。學(xué)者們對FRP布加固銹蝕后的RC結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行了一系列研究。Al-Saidy等[8-9]通過試驗研究了不同銹蝕率下粘貼CFRP布加固RC梁的短期撓度、破壞模式和承載力等力學(xué)性能。Triantafyllou等[10]通過實驗對比分析了輕度銹蝕、中度銹蝕和嚴(yán)重銹蝕對于粘貼CFRP加固RC梁的撓度、FRP應(yīng)變和承載力等性能指標(biāo)的影響。王曉剛等[11]研究了弱界面對CFRP剝離的影響及傳統(tǒng)U型箍約束的有效性。以上學(xué)者主要是通過試驗研究FRP加固銹蝕RC梁的力學(xué)性能,沒有具體分析從理論上計算不同粘貼方式下FRP加固銹蝕RC梁的變形和承載力的方法。
筆者結(jié)合現(xiàn)有鋼板和FRP加固銹蝕RC梁的試驗和理論成果,考慮不同銹蝕情況下銹蝕鋼筋和混凝土粘結(jié)-滑移導(dǎo)致的粘結(jié)應(yīng)力傳遞以及傳遞前后梁截面應(yīng)變相容性,利用微元法思想,建立不同破壞模式下鋼板和FRP抗彎加固銹蝕RC梁的理論分析模型,并利用筆者和其他學(xué)者的試驗研究結(jié)果驗證理論模型的正確性。
學(xué)者們對于未銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能的研究已經(jīng)較為成熟[12-13]。對于變形鋼筋,采用Haskett等[12]提出的經(jīng)典粘結(jié)-滑移模型,如圖1所示。當(dāng)滑移很小時,粘結(jié)力隨著滑移增加而增加。粘結(jié)力起初是因為混凝土與鋼筋之間的化學(xué)粘附形成的,當(dāng)混凝土內(nèi)部微裂縫出現(xiàn)時,化學(xué)粘附消失,隨著滑移繼續(xù)增加,此時粘結(jié)力主要由混凝土與鋼筋之間的機(jī)械聯(lián)鎖產(chǎn)生。當(dāng)滑移持續(xù)增大導(dǎo)致混凝土開始剪切破壞時,粘結(jié)力最大,之后粘結(jié)力迅速減小,直至混凝土剪切脫落,此時粘結(jié)力稱為殘余粘結(jié)力,并保持不變,由混凝土與混凝土摩擦產(chǎn)生。圖1中,從滑移開始到混凝土剪切脫落前的粘結(jié)力稱為有效粘結(jié)力。
圖1 經(jīng)典粘結(jié)-滑移模型
采用雙均勻模型來描述未銹蝕鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力,這樣可以簡化計算,如圖2所示。基于能量消散的等效性,圖2中將粘結(jié)力分布簡化為平均有效粘結(jié)力(矩形面積)和殘余粘結(jié)力。無銹蝕鋼筋與混凝土的平均有效粘結(jié)應(yīng)力τub由Cairns等[14]提出的模型計算,見式(1)。
圖2 有效粘結(jié)應(yīng)力
(1)
目前,對于銹蝕鋼筋粘結(jié)性能的研究已經(jīng)較成熟。有學(xué)者認(rèn)為鋼筋銹蝕將影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力,銹蝕將導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力退化[15-17]。采用Bhargava等[15]提出的較為簡潔的經(jīng)驗?zāi)P蛠砻枋鲣P蝕鋼筋粘結(jié)力與不銹蝕鋼筋之間的關(guān)系。Bhargava等[15]通過大量的銹蝕構(gòu)件拉拔試驗和銹蝕梁彎曲加載試驗,提出了銹蝕鋼筋與不銹蝕鋼筋平均粘結(jié)力之間的關(guān)系式
τcb=R(η)τub
(2)
式中:R為粘結(jié)強(qiáng)度系數(shù);η為鋼筋的銹蝕損失,%。
對于FRP抗彎加固的銹蝕RC梁,已有學(xué)者通過實驗研究證明FRP材料有一定的阻銹作用[18],同時,粘貼FRP布加固能提高銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度??偨Y(jié)Soudki等[19]、Zhou等[20]、Papakonstantinou等[21]和Wang等[22]針對FRP材料加固銹蝕RC構(gòu)件拉拔試驗結(jié)果,對比同一銹蝕率下構(gòu)件加固前后的最大粘結(jié)應(yīng)力或者拉拔力,見表1,統(tǒng)計獲得了加固后較加固前粘結(jié)應(yīng)力增長率(圖3中的紅框點),并且將增長率取均值(圖3中黑色點),獲得了鋼筋銹蝕率η和加固后粘結(jié)應(yīng)力平均增長率K之間的關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn)兩者服從極值分布關(guān)系,如圖3所示。對于FRP加固銹蝕RC構(gòu)件,鋼筋平均粘結(jié)應(yīng)力在同一銹蝕率下有所增加,見式(3)。
表1 FRP加固構(gòu)件拉拔試驗結(jié)果
圖3 銹蝕率和粘結(jié)應(yīng)力平均增長率的關(guān)系
K=58+119exp(-exp(-z)-z+1)
z=(η-25)/13.1
τcb=KR(η)τcb
(3)
續(xù)表1
殘余粘結(jié)應(yīng)力τcbr比有效粘結(jié)應(yīng)力小,根據(jù)CEB-FIP 規(guī)范[23],殘余粘結(jié)強(qiáng)度為平均有效粘結(jié)強(qiáng)度的40%。
根據(jù)ACI規(guī)范[24],RC梁中變形鋼筋的粘結(jié)錨固長度為
(4)
式中:ld為有效粘結(jié)區(qū)長度,mm;fsy為鋼筋的屈服強(qiáng)度,MPa。
結(jié)合式(3)和式(4)可以獲得銹蝕梁的有效粘結(jié)力Fcb為
Fcb=π×D×ld×τcbr
(5)
從圖4(a)中可以分析得出,鋼筋的拉力Fs小于等于有效粘結(jié)力Fcb時滑移量很小,可以忽略。當(dāng)鋼筋的拉力超過有效粘結(jié)力Fcb時,有效粘結(jié)區(qū)將向梁端轉(zhuǎn)移,如圖4(b)所示,此時,拉力由有效和殘余粘結(jié)力抵抗,直到兩者的和等于拉力時,力傳遞結(jié)束。
圖4 有效粘結(jié)力傳遞
對于不銹蝕梁和輕微銹蝕的RC梁,鋼筋的拉力小于有效粘結(jié)力,沒有明顯的滑移出現(xiàn),如圖5(a)所示。RC梁的承載力和變形計算可以由傳統(tǒng)應(yīng)變相容的方法進(jìn)行。
當(dāng)鋼筋的銹蝕程度不嚴(yán)重時,粘結(jié)力出現(xiàn)退化。RC梁加載過程中,鋼筋的拉力大于有效粘結(jié)力,此時,有效粘結(jié)力將傳遞到梁末端來抵消鋼筋拉力,當(dāng)拉應(yīng)力等于有效粘結(jié)力時,傳遞停止,如圖5(b)所示。同時,鋼筋與混凝土應(yīng)變存在不相容的現(xiàn)象,在計算承載力和變形時要考慮應(yīng)變不相容。
當(dāng)鋼筋出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕時,有效粘結(jié)力很小,并且有效粘結(jié)區(qū)域很快向梁端傳遞,如圖5(c)所示。當(dāng)梁端錨固較好時,梁還可以繼續(xù)承載,此種情況類似于無粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力梁。
圖5 粘結(jié)滑移模型
通過以上分析可以獲得不同銹蝕情況下的銹蝕RC加固梁從加載到破壞過程中的應(yīng)變和受力分析,進(jìn)而獲得加載過程中的荷載-撓度曲線。
1.2.1 有效粘結(jié)力傳遞前的應(yīng)變相容分析 對于不銹蝕和輕微銹蝕梁抗彎加固后,梁各個部分的應(yīng)變是相容的。應(yīng)變分析圖見圖6。對于任意截面i,縱向受拉鋼筋、受壓鋼筋和加固鋼板或FRP材料的應(yīng)變可表示為
圖6 加固梁應(yīng)變分布
(6)
式中:εsi和ε′si分別為受拉和受壓鋼筋應(yīng)變;h為梁高,mm;εcti和εcbi分別為梁頂面和底面的混凝土應(yīng)變;h0和a′s分別為受拉和受壓鋼筋到梁頂面的距離,mm;εpfi為加固材料應(yīng)變;t為加固材料厚度,mm。
銹蝕鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用張偉平等[25]提出的模型,見式(7)。根據(jù)此模型和鋼筋銹蝕率可以獲得任意截面i縱向鋼筋和受壓鋼筋拉力,見式(8)。
(7)
Fsi=(1-η)Asfsi
(8)
式中:εshc和εsuc分別為屈服后的強(qiáng)化應(yīng)變、極限應(yīng)變;Es0為未銹蝕鋼筋的彈性模量,MPa;fyc為銹蝕鋼筋屈服時的鋼筋應(yīng)力,MPa;fuc為銹蝕鋼筋極限應(yīng)力,MPa;As為不銹蝕鋼筋橫截面積,mm2。
圖7為采用的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[26]。圖中εc為受壓區(qū)頂部混凝土應(yīng)變;εc0為混凝土抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變;εcu為混凝土極限應(yīng)變。
圖7 混凝土本構(gòu)關(guān)系
計算模型中忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度?;炷恋膲毫ci可以采用對梁從底面到頂面的有限積分的方式進(jìn)行計算,見式(9)。
(9)
式中:y為梁頂面至截面任意位置的高度,mm。
加固材料的拉力Fpfi可以由式(10)計算。
Fpfi=εpfiEpfApf
(10)
式中:Epf為加固材料彈性模量,MPa;Apf為加固材料橫截面積,mm2。
從梁頂面至混凝土等效合力點的位置高度ybi為
(11)
根據(jù)力學(xué)平衡,可以獲得受拉和受壓縱向鋼筋、混凝土以及加固材料之間的平衡關(guān)系為
Fci+F′si=Fsi+Fpfi
Fci(h0-ybi)+F′si(h0-a′s)+0.5Fpfi(t+as)=Mi
(12)
式中:as為梁底部中部至受拉鋼筋截面中部的距離,mm;F′si為受壓區(qū)鋼筋壓力,N。
1.2.2 有效粘結(jié)力傳遞發(fā)生后的應(yīng)變不相容分析 當(dāng)有效粘結(jié)力傳遞發(fā)生后,鋼筋、混凝土和加固材料的應(yīng)變便不服從平截面假定,但在滑移區(qū)縱向鋼筋與混凝土的滑移總量相等?;诖嗽瓌t,便可分析三者之間總的應(yīng)變關(guān)系以及有效滑移區(qū)長度。將加固梁可能存在的最大滑移區(qū)劃分為1到g段,如圖8。滑移區(qū)長度假設(shè)為Ls,滑移區(qū)內(nèi)的梁節(jié)段從m到n。純彎段長度從e到f。對于給定的荷載P,假設(shè)出現(xiàn)了滑移,在滑移區(qū)兩個末端,鋼筋拉力(Fsm和Fsn)應(yīng)該與有效粘結(jié)應(yīng)力相等,根據(jù)此原理可以求得滑移區(qū)內(nèi)部任意截面鋼筋的拉力,見式(13)。
圖8 梁段單元劃分
(13)
鋼筋的應(yīng)變可以由式(14)獲得。
(14)
進(jìn)而可以獲得受拉鋼筋的縱向總延伸為滑移區(qū)內(nèi)部各節(jié)段延伸與兩個錨固區(qū)內(nèi)的延伸總和,見式(15)。
(15)
式中:ΔLs為滑移區(qū)內(nèi)縱向鋼筋延伸率;li為節(jié)段長度,mm;ss為有效粘貼區(qū)內(nèi)縱向鋼筋的滑移值,mm,如圖1,這個滑移值很小,為簡化計算可忽略。
每節(jié)段鋼筋的拉力Fsi已知,通過式(12)可以獲得混凝土頂部應(yīng)變εcti、底部應(yīng)變εcbi和加固材料的應(yīng)變εpfi,鋼筋周圍混凝土應(yīng)變εcsi為
(16)
滑移區(qū)內(nèi)混凝土的總的延伸長度為
(17)
式中:ΔLc為混凝土在滑移區(qū)的延伸值,mm。
基于應(yīng)變分析,通過編制循環(huán)程序獲得每一級荷載作用下加固梁段鋼筋、混凝土和加固材料的應(yīng)變,進(jìn)而獲得梁的撓度。程序的具體可以分為4個階段:
階段1:計算有效粘結(jié)力Fcb、梁端錨固長度ld,滑移區(qū)長度最大值Lmax。
階段2:有效粘結(jié)區(qū)域傳遞前。1)設(shè)定較小荷載值P,計算每個梁段的彎矩Mi;2)計算鋼筋的拉力Fsi,當(dāng)Fsi大于有效粘結(jié)力Fcb時,轉(zhuǎn)到第3階段。
階段3:有效粘結(jié)區(qū)域傳遞中。1)假設(shè)滑移區(qū)長度Ls;2)計算滑移區(qū)內(nèi)節(jié)段受拉鋼筋拉力Fsi,受拉鋼筋和混凝土延伸長度ΔLs和ΔLc;3)修改Ls直到受拉鋼筋與混凝土的總延伸長度相等,輸出Ls。
階段4:粘結(jié)滑移區(qū)域傳遞完成后。1)Ls已知,其值為最大有效粘結(jié)長度Lmax;2)Fsn和Fsm未知,重新設(shè)定兩者數(shù)值,再進(jìn)行循環(huán)計算;3)以ΔLs=ΔLc為判據(jù)停止循環(huán),同時,根據(jù)加固梁破壞模式確定破壞荷載,并給出撓度曲線。
模型中撓度曲線可以由式(18)、式(19)獲得。
(18)
espi=εspili
(19)
式中:xi為梁支座頂點到i單元的距離,mm;N為單元總數(shù);hsp為加固后梁截面的換算有效高度,mm,即銹蝕后的受拉鋼筋和加固材料合力作用點到梁頂?shù)木嚯x;εspi為每一單元中hsp所對應(yīng)的截面有效平均應(yīng)變,即加固材料和鋼筋的組合應(yīng)變。
程序中考慮了鋼板和FRP抗彎加固銹蝕RC梁的破壞模式。張建仁等[4]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)抗彎加固銹蝕率為5%、10%和15%的RC梁破壞模式為斜截面斜拉破壞,鋼板端部混凝土拉裂。文獻(xiàn)[9-10]中試驗研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)RP加固銹蝕RC梁的破壞模式通常為鋼筋抗彎屈服以后FRP材料在梁中部斷裂或者FRP脫落,因此,當(dāng)獲取FRP加固梁的極限荷載時,前者鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變并且FRP應(yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變,受壓區(qū)混凝土壓碎,后者受拉鋼筋屈服,F(xiàn)RP不一定達(dá)到極限強(qiáng)度,受壓區(qū)混凝土壓碎。
根據(jù)以上步驟,具體的程序框圖見圖9。
圖9 模型程序流程圖
為了驗證提出的理論模型的正確性,選取了唐皇[27]、Al-Saidy等[8]、Triantafyllou等[10]、鄧文明[28]進(jìn)行的銹蝕RC梁鋼板和FRP抗彎加固試驗數(shù)據(jù),利用其短期荷載-撓度曲線與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比,并對比了理論模型和張建仁等[7]提出的模型的精確性。圖10為唐皇[27]進(jìn)行的鋼板抗彎加固銹蝕RC梁試驗與理論分析的對比結(jié)果,圖11為其他學(xué)者進(jìn)行的FRP材料加固銹蝕RC梁試驗與理論分析的對比結(jié)果。表2為理論值與試驗值極限荷載和對應(yīng)的撓度對比,表2中1為模型理論值與試驗值的誤差,2為張建仁模型理論值與試驗值的誤差。
圖10 鋼板抗彎加固不銹蝕和銹蝕RC梁荷載-撓度曲線
圖11 FRP抗彎加固銹蝕RC梁荷載-撓度曲線
表2 銹蝕加固梁試驗值與理論值對比
續(xù)表2
續(xù)表2
續(xù)表2
從表2可以看出,絕大多數(shù)試驗梁理論破壞模式與試驗破壞模式相同,鋼板加固不銹蝕梁S0C25-1的破壞模式卻有差異,其極限撓度試驗值與理論值較其他試驗梁差別大,是由于試驗梁的制作加工問題,試驗出現(xiàn)了提前斜拉破壞的情況,導(dǎo)致?lián)隙绕汀?/p>
從圖10中也可以看出,理論計算值比張建仁模型計算值整體上更加接近試驗值。張建仁等在試驗中發(fā)現(xiàn),鋼板抗彎加固梁破壞時,錨釘與混凝土以及鋼板之間沒有出現(xiàn)滑移,因此,試驗加固銹蝕梁的破壞多為鋼板和受拉鋼筋之間的混凝土拉裂破壞,與本文的加固梁假設(shè)相似。同時,錨釘位于保護(hù)層內(nèi),對鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)影響較小。張建仁等[7]的計算結(jié)果中,在同一荷載作用下?lián)隙戎当仍囼炛灯。湓蚩赡苁悄P椭须m然劃分了若干單元,但縱向鋼筋粘結(jié)力沿梁長每個單元為相同的定值,沒有考慮粘結(jié)力的傳遞,因此,與該模型相比,缺少粘結(jié)應(yīng)力傳遞后的應(yīng)變不相容分析,所有微梁段的應(yīng)變分布相同。對比極限承載力和對應(yīng)的撓度大小,理論模型與試驗值的誤差分別是-0.6%~1.8%、-10.5%~9.1%,張建仁模型理論值與試驗值的誤差分別是1.1%~6.1%、-11.4%~-2.2%。
從圖11中可以看出,無論是CFRP(Al-Saidy等[8]、Triantafyllou等[10])和BFRP(鄧文明[28])加固銹蝕RC梁,模型能較好地預(yù)測其荷載-撓度曲線。從表1中可以看出,極限荷載值的誤差為-3.6%~4.2%,極限撓度誤差為-4.2%~8.3%。
圖10(a)和11(c)中還列出了鋼板和BFRP加固不銹蝕梁的荷載-撓度曲線,其理論計算結(jié)果也可由該模型獲得,程序只需計算階段1和階段2,結(jié)合式(18)和式(19)便可獲得理論的荷載-撓度曲線。從圖10(a)和圖11(c)中可以看出,不銹蝕加固試件S0C25-3 和S1-0的理論荷載撓度-曲線與試驗曲線都比較吻合。由表2中可以看出,鋼板和BFRP加固不銹蝕RC梁極限荷載和對應(yīng)的撓度誤差分別是:2.8%、13.9%、1.6%、8.4%。
從Bhargava等[15]的粘結(jié)力模型中可以看出,當(dāng)鋼筋銹蝕率大于1.5%時,構(gòu)件粘結(jié)力就開始退化,但Zhang等[29]指出,當(dāng)鋼筋的銹蝕率低于7%時,鋼筋與混凝土應(yīng)變不相容現(xiàn)象不明顯,因此,對于銹蝕率低于7%時的試驗梁將不考慮粘結(jié)力傳遞,循環(huán)計算只考慮階段1和2。圖10和圖11所選取的試驗梁中,梁M5S2銹蝕率為5%,其他梁均大于7%。從圖11(b)中可以看出,梁M5S2的撓度在同一荷載下略大于理論值,這可能是因為其鋼筋發(fā)生了輕微的粘結(jié)-滑移,粘結(jié)力傳遞發(fā)生了,但傳遞長度很小,導(dǎo)致同一荷載下的撓度稍微變大,但是增大的幅度很小,基本可以忽略不計。因此,從上述分析中可以看出,該理論模型也能較精確地預(yù)測不考慮粘結(jié)力傳遞的試驗梁(不銹蝕梁和微銹蝕梁)荷載-撓度曲線。
考慮不同銹蝕情況下銹蝕鋼筋和混凝土的粘結(jié)-滑移導(dǎo)致的粘結(jié)應(yīng)力滑移,利用微元法思想,建立不同破壞模式下鋼板和FRP抗彎加固銹蝕RC梁的理論分析模型,并且利用現(xiàn)有試驗結(jié)果對比分析了該模型的精確度,獲得了以下結(jié)論:
1)計算模型考慮了不同銹蝕狀態(tài)下粘結(jié)應(yīng)力傳遞,同時進(jìn)行了應(yīng)力傳遞前后應(yīng)變相容性和不相容性分析,與現(xiàn)有模型相比,能更準(zhǔn)確地模擬了抗彎加固銹蝕RC梁荷載作用下的變形過程,同時也可以較精確地預(yù)測不銹蝕加固梁和微銹蝕加固梁的荷載-撓度曲線。
2)對于鋼板抗彎加固銹蝕RC梁的撓度計算結(jié)果,在不同荷載等級下,考慮粘結(jié)應(yīng)力傳遞模型的結(jié)果與不考慮粘結(jié)應(yīng)力傳遞模型的計算結(jié)果相比,與試驗值更接近。前者極限荷載和對應(yīng)極限撓度的誤差范圍為-0.6%~1.8%和-10.5%~9.1%,后者極限荷載和對應(yīng)極限撓度的誤差范圍為1.1%~6.1%和-11.4%~-2.2%。
3)考慮粘結(jié)應(yīng)力傳遞的計算模型同樣能較為精確地預(yù)測FRP抗彎加固銹蝕RC梁的荷載-撓度曲線,極限荷載值的誤差范圍為-3.6%~4.2%,極限撓度誤差范圍為-4.2%~8.3%。