王海濤,朱長(zhǎng)玉,熊 浩,許國(guó)文,劉賽賽

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200122; 3.上海碳纖維復(fù)合材料土木工程應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,上海 200122)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用引起了有關(guān)學(xué)者廣泛的關(guān)注,特別是碳纖維復(fù)合材料(CFRP)已大量應(yīng)用于鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的加固中[1-5]。最常用的外貼CFRP加固方法雖然能夠提高RC梁的抗彎性能,但CFRP端部易發(fā)生剝離破壞,導(dǎo)致CFRP強(qiáng)度利用率較低,高強(qiáng)特性不能得到有效的發(fā)揮[6-7]。

為解決普通外貼CFRP加固方法的早期剝離問題,通常在CFRP端部施加錨固措施[6-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種端部錨固方法,如纖維布U形箍錨固、機(jī)械錨固、纖維束錨固、復(fù)合錨固、開槽錨固等[6-11],并進(jìn)行了相關(guān)研究。黃麗華等[8]通過數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在碳纖維布加固混凝土梁上施加U形箍錨固能有效提高屈服荷載和極限荷載;董坤等[7]通過碳纖維布-混凝土單剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)機(jī)械錨固雖然可以顯著提高界面承載力和纖維布強(qiáng)度利用率,但仍會(huì)發(fā)生錨固失效;卓靜等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)波形齒夾具錨顯著優(yōu)于碳纖維布U形箍;Wu等[11]和胡程鶴等[6]研究了復(fù)合錨固方法,驗(yàn)證了該方法能顯著提高混凝土梁的承載力和變形。既有文獻(xiàn)大多針對(duì)碳纖維布加固RC梁中的U形箍及新型錨固方法開展研究,而關(guān)于CFRP板加固工程中常用的機(jī)械錨固方法對(duì)CFRP板加固RC梁性能影響的研究則很少。

為了提高CFRP對(duì)RC梁的抗彎加固效果,Piatek等[12-17]結(jié)合體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)和外貼CFRP技術(shù)的優(yōu)勢(shì),開展了預(yù)應(yīng)力CFRP加固RC梁的抗彎性能研究,結(jié)果表明,采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固能夠顯著提高RC梁在正常使用階段以及極限狀態(tài)的受力性能。預(yù)應(yīng)力水平是影響加固效果的一個(gè)重要參數(shù)。Yang等[15]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著CFRP板預(yù)應(yīng)力水平的增加,RC梁的開裂荷載和屈服荷載逐漸增大,但極限荷載基本不變,Piatek等[12]的研究也得到了相似的結(jié)論。然而,Deng等[16]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),開裂荷載、屈服荷載及極限荷載均隨著CFRP板預(yù)應(yīng)力水平的增加而逐漸增大;Wang等[17]通過預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固RC梁的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象。以上研究說(shuō)明,隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高,RC梁的開裂荷載和屈服荷載逐漸增大,但是不同研究者關(guān)于極限荷載變化趨勢(shì)的結(jié)論并不一致,說(shuō)明預(yù)應(yīng)力水平對(duì)加固效果的影響比較復(fù)雜。

為進(jìn)一步理解端部錨固和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)CFRP板加固效果的影響,本文對(duì)CFRP板加固大尺寸RC梁進(jìn)行了抗彎試驗(yàn),對(duì)比了2種端部機(jī)械錨固措施和4個(gè)預(yù)應(yīng)力水平,通過分析失效模式、荷載-撓度曲線、特征荷載、CFRP板強(qiáng)度利用率以及延性等指標(biāo),評(píng)估錨固方法和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)CFRP板抗彎加固效果的影響,為CFRP板在RC結(jié)構(gòu)抗彎加固中的高效利用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)6根大尺寸混凝土T梁,梁全長(zhǎng)為6000mm,高度為500mm,腹板寬度為350mm,翼緣高度和寬度分別為100mm和500mm;梁底配有2根直徑為22mm和1根直徑為25mm的受拉鋼筋,翼緣配有5根直徑為10mm的受壓鋼筋,箍筋直徑為8mm,在彎剪段和純彎段的箍筋間距分別為120mm和150mm。試件的幾何尺寸和配筋如圖1所示。

圖1 試件幾何尺寸和配筋示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of beam geometry and steel rebar (unit:mm)

試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。試件B0為未加固對(duì)比梁。試件BS-0-1和BS-0-2為非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁,其中BS-0-1采用鋼板進(jìn)行端部錨固,鋼板尺寸為200mm × 200mm × 12mm,并在梁中部布置兩道U形箍,每個(gè)U形箍粘貼2層碳纖維布,每層厚度為0.167mm,寬度為200mm;BS-0-2采用與預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件一樣的楔形錨具進(jìn)行錨固。試件BS-0.3、BS-0.4和BS-0.5為預(yù)應(yīng)力CFRP板加固梁,以研究預(yù)應(yīng)力水平對(duì)加固效果的影響。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力分別為CFRP板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk的0.3、0.4和0.5倍,其中fpk根據(jù)GB50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》取為2400MPa。各加固試件的CFRP板寬度為100mm,厚度為1.4mm,粘貼長(zhǎng)度為4000mm,以保證具有相同的加固量。

表1 試件設(shè)計(jì)

1.2 材料性能

試件采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的商品混凝土澆筑,將邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊放置在與試驗(yàn)梁相同的室外自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d后,實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度平均值為26.8MPa。鋼筋均為HRB400級(jí)。CFRP板為單向拉擠板材,采用雙組分結(jié)構(gòu)膠將CFRP板粘貼在混凝土表面,實(shí)測(cè)的受拉鋼筋、CFRP板及廠家提供的結(jié)構(gòu)膠力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 材料的主要力學(xué)指標(biāo)

1.3 錨具及預(yù)應(yīng)力張拉

CFRP板錨具為天津卡本公司生產(chǎn)的楔形夾片式錨具,錨具與固定在梁上的張拉端支座和固定端支座連接,如圖2所示。使用液壓千斤頂施加預(yù)應(yīng)力,張拉應(yīng)力通過CFRP板表面粘貼的應(yīng)變片監(jiān)測(cè)。首先進(jìn)行預(yù)張拉,預(yù)張拉應(yīng)力為0.15σcon,以檢查儀表及錨具等能否正常工作,其中σcon為CFRP板的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。預(yù)張拉完成后在梁表面涂抹結(jié)構(gòu)膠,然后分5級(jí)進(jìn)行正式張拉,每級(jí)張拉0.2σcon,完成后持荷5min。為了彌補(bǔ)可能的預(yù)應(yīng)力損失,最終超張拉至1.05σcon。張拉結(jié)束后,清理多余的結(jié)構(gòu)膠并在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)一周。

圖2 錨具及預(yù)應(yīng)力張拉Fig.2 Anchors and prestress tensioning

1.4 加載及測(cè)量方案

利用液壓伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載,如圖3所示,梁凈跨為5600mm,兩個(gè)加載點(diǎn)之間的距離為1000mm。采用分級(jí)加載制度和位移控制模式,鋼筋屈服前的加載速率為0.015mm/s,其中開裂前和開裂后每級(jí)分別加載2kN和10kN;鋼筋屈服后的加載速率為0.05mm/s,每級(jí)加載10mm直至試件完全失效。在試件的跨中、加載點(diǎn)及支座位置各布置一個(gè)位移計(jì),在CFRP板上沿長(zhǎng)度方向每隔250mm布置一個(gè)電阻應(yīng)變片,通過應(yīng)變儀采集位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖3 加載裝置Fig.3 Test device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及失效模式

未加固試件B0在加載至大約193.3kN時(shí),縱向受拉鋼筋屈服,當(dāng)加載至221.3kN時(shí)受壓區(qū)混凝土壓碎,表現(xiàn)出典型的適筋梁破壞特征,具有很好的延性,如圖4(a)所示。

圖4 典型的失效模式Fig.4 Typical failure modes

對(duì)于非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件BS-0-1和BS-0-2,在受拉鋼筋屈服后,很快就發(fā)生了由彎曲裂縫引起的CFRP板跨中剝離。隨后,試件BS-0-1在246.9kN時(shí)發(fā)生了端部錨固失效,表現(xiàn)為CFRP板在一端鋼錨板處滑出并伴隨U形箍撕裂(圖4(b));而試件BS-0-2在約305kN時(shí)發(fā)生混凝土壓碎失效。可見錨固方法對(duì)CFRP板加固RC梁的失效模式有很大影響。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件,試件BS-0.3在受拉鋼筋屈服后出現(xiàn)跨中剝離,但試件BS-0.4和BS-0.5的跨中剝離均發(fā)生在受拉鋼筋屈服前。隨著剝離的不斷擴(kuò)展,3個(gè)試件均未發(fā)生端部錨固失效,最終試件BS-0.3發(fā)生混凝土壓碎失效(圖4(c)),而試件BS-0.4和BS-0.5發(fā)生CFRP板拉斷失效(圖4(d)),表明預(yù)應(yīng)力水平影響CFRP板加固RC梁的失效模式。

2.2 荷載-跨中撓度曲線

圖5為各試件的荷載-跨中撓度曲線?？梢钥闯?B0的荷載-撓度曲線顯示出適筋梁典型的三階段特征,CFRP板加固試件也主要包含了3個(gè)發(fā)展階段。在混凝土開裂前,由于CFRP板剛度相比于梁截面剛度很小,錨固方法和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)開裂前的剛度影響較小。在混凝土開裂后,由于CFRP板對(duì)裂縫開展的限制,加固試件的剛度明顯大于未加固試件,錨固方法對(duì)這一階段的剛度基本沒有影響,但預(yù)應(yīng)力CFRP板比非預(yù)應(yīng)力CFRP板具有更好的剛度提高效果。在鋼筋屈服后,由于CFRP板的線彈性特性,加固試件的荷載-撓度曲線具有明顯的屈服后剛度,雖然預(yù)應(yīng)力CFRP板和非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件屈服后的剛度近似,但各試件屈服后的曲線長(zhǎng)度相差很大,說(shuō)明錨固方法和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)試件的變形能力影響顯著。

圖5 荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves

2.3 特征荷載

試件的主要特征荷載見表3,其中Pcr、Py和Pu分別為開裂荷載、屈服荷載和極限荷載,ηcr、ηy和ηu分別為加固試件的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載與未加固試件的比值,即相對(duì)特征荷載。由表3可知,CFRP板的錨固方法和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)特征荷載有明顯的影響。

表3 主要特征荷載

2.3.1 錨固方法的影響

由表3可以看出,端部錨固方法對(duì)開裂荷載和屈服荷載基本沒有影響,兩個(gè)試件的開裂荷載分別為26kN和28kN,屈服荷載分別為222.6kN和219.6kN。這主要是由于在鋼筋屈服前,CFRP板與混凝土梁表面黏結(jié)良好,未出現(xiàn)剝離,此時(shí)兩個(gè)試件的CFRP板均能與混凝土梁協(xié)同工作。然而,端部錨固方法對(duì)極限荷載有重大影響,兩個(gè)試件的極限荷載分別為246.9kN和305.0kN,試件BS-0-2的極限荷載比BS-0-1提高了23.5%,即兩個(gè)試件發(fā)生了不同的失效模式,相比于混凝土壓碎失效,端部錨固失效發(fā)生的更早,對(duì)應(yīng)CFRP板的加固作用更小。

2.3.2 預(yù)應(yīng)力水平的影響

圖6(a)對(duì)比了試件相對(duì)特征荷載隨預(yù)應(yīng)力水平的變化?？梢钥闯?隨著預(yù)應(yīng)力水平從0增加到0.5,開裂荷載和屈服荷載逐漸增大,相比于未加固試件,加固試件的開裂荷載提高幅度從75%增加到237.5%,屈服荷載提高幅度從13.6%增加到55.3%。這是因?yàn)殡S著預(yù)應(yīng)力水平的提高,預(yù)應(yīng)力對(duì)受拉區(qū)混凝土和鋼筋產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力逐漸增大。然而,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)極限荷載并未隨著預(yù)應(yīng)力水平的增加而逐漸增大,當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平從0增加到0.3時(shí),試件的失效模式均為混凝土壓碎,極限荷載提高幅度從37.8%增加到46%,但當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平從0.4增加到0.5時(shí),極限荷載受預(yù)應(yīng)力水平的影響很小,分別提高了37.6%和37.7%。

圖6 預(yù)應(yīng)力水平對(duì)特征荷載的影響Fig.6 Effect of prestressing level on characteristic loads

為了進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)應(yīng)力水平對(duì)極限荷載的影響,圖6(b)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中發(fā)生混凝土壓碎和CFRP板拉斷失效模式的試驗(yàn)結(jié)果,為了方便比較,縱坐標(biāo)為相對(duì)極限荷載值?？梢园l(fā)現(xiàn),在混凝土壓碎失效模式下,極限荷載隨著預(yù)應(yīng)力水平的增加有較為明顯的提高[16,18-20],但當(dāng)失效模式為CFRP板拉斷時(shí),預(yù)應(yīng)力水平對(duì)極限荷載的影響并不明顯[15,21-22],說(shuō)明預(yù)應(yīng)力水平對(duì)極限荷載的影響與試件的失效模式相關(guān)。

2.4 CFRP板應(yīng)變分布

圖7為試件BS-0-1和BS-0.3在不同荷載下CFRP板應(yīng)變沿長(zhǎng)度的分布,其中試件BS-0.3的應(yīng)變未包括初始張拉應(yīng)變?？梢钥闯?在鋼筋屈服前,CFRP板應(yīng)變?cè)诩儚澏巫畲?在彎剪段呈降低趨勢(shì),該階段CFRP板與混凝土黏結(jié)完好,CFRP板應(yīng)變與梁彎矩的分布趨勢(shì)基本一致。在鋼筋屈服后,由于截面增加的拉力主要由CFRP板承擔(dān),在屈服位置處的CFRP板應(yīng)變顯著增加。隨著CFRP板剝離現(xiàn)象的出現(xiàn),在剝離段CFRP板與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力基本消失,導(dǎo)致CFRP板的應(yīng)變重分布,造成CFRP板應(yīng)變?cè)趧冸x段基本分布均勻。在CFRP板完全剝離后,有黏結(jié)加固系統(tǒng)變成了無(wú)黏結(jié)加固系統(tǒng),CFRP板應(yīng)變沿整個(gè)長(zhǎng)度基本不變,而應(yīng)變值隨著荷載的增加而快速增大。

圖7 CFRP板應(yīng)變分布Fig.7 Strain distributions of CFRP plate

2.5 CFRP板利用率

表4為加固試件的初始張拉應(yīng)變、在屈服和失效時(shí)CFRP板跨中總應(yīng)變及利用率,其中利用率為相應(yīng)荷載下CFRP板應(yīng)變與極限應(yīng)變(17000×10-6)的比值。由表4可以發(fā)現(xiàn),非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件在屈服時(shí)CFRP板的利用率非常低,兩個(gè)試件的利用率僅約17%;在失效時(shí),試件BS-0-1 CFRP板的利用率僅為30%,而錨固可靠的試件BS-0-2的CFRP板利用率達(dá)到了59%,說(shuō)明當(dāng)采用非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固時(shí),在正常使用階段CFRP板的強(qiáng)度遠(yuǎn)不能發(fā)揮,可靠的端部錨固雖然可以提高承載能力極限狀態(tài)下的利用率,但對(duì)正常使用階段的利用率基本沒有影響。相比而言,預(yù)應(yīng)力CFRP板的利用率得到了顯著提高,在屈服時(shí)3個(gè)試件的利用率隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高而提高,達(dá)到了45.9%～55.4%,在失效時(shí)的利用率均達(dá)到73%以上,CFRP板的高強(qiáng)特性得到了較好的發(fā)揮。以上分析表明,僅采用錨固措施不能提高正常使用階段的CFRP板強(qiáng)度利用率,而施加預(yù)應(yīng)力是提高正常使用階段和承載能力極限狀態(tài)下CFRP板強(qiáng)度利用率的有效措施。

表4 CFRP板應(yīng)變及利用率

2.6 延性

表5為各試件的位移延性系數(shù),其中Δy和Δu分別為受拉鋼筋屈服及試件失效時(shí)的梁跨中撓度?？梢钥闯?未加固試件具有很好的延性,而加固試件的延性受錨固措施以及預(yù)應(yīng)力水平的影響很大。試件BS-0-1由于發(fā)生錨固失效,延性系數(shù)顯著降低,比未加固試件降低了約65.5%;而試件BS-0-2采用可靠的錨具錨固,具有很好的延性,延性系數(shù)與未加固梁相當(dāng)。這進(jìn)一步說(shuō)明,采用外貼CFRP板加固時(shí),CFRP板端部的有效錨固非常重要。整體上,預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件的延性相比于未加固試件明顯降低,而且隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高,延性越來(lái)越差,3個(gè)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固試件的延性系數(shù)分別降低至未加固試件的65.7%、48.2%和41.9%。以上分析表明,在采用CFRP板加固時(shí),要采用可靠的端部錨固以及合理的預(yù)應(yīng)力水平來(lái)保證加固后的結(jié)構(gòu)仍有足夠的延性以滿足變形要求。

表5 延性系數(shù)

3 結(jié) 論

a.端部錨固和預(yù)應(yīng)力水平影響RC梁的失效模式。采用鋼板和楔形錨具錨固的試件分別發(fā)生了CFRP板錨固失效和混凝土壓碎失效;隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高,失效模式從混凝土壓碎轉(zhuǎn)變?yōu)镃FRP板拉斷。

b.端部錨固和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)加固效果有很大影響。相比于鋼板錨固,楔形錨具雖然對(duì)開裂荷載和屈服荷載基本沒有影響,但可以將極限承載力提高23.5%。開裂荷載和屈服荷載隨著預(yù)應(yīng)力水平的增大而提高,預(yù)應(yīng)力加固比非預(yù)應(yīng)力加固的開裂荷載提高57.1%～92.9%,屈服荷載提高22.9%～32.8%;而極限荷載在混凝土壓碎模式下隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高而提高,在CFRP板拉斷模式下受預(yù)應(yīng)力水平的影響并不明顯。

c.端部錨固和預(yù)應(yīng)力水平影響CFRP板的強(qiáng)度利用率?？煽康亩瞬垮^固雖然可以提高失效時(shí)CFRP板的利用率,但對(duì)正常使用下的利用率基本沒有影響;而對(duì)CFRP板施加預(yù)應(yīng)力可以顯著提高整個(gè)受力階段的強(qiáng)度利用率。

d.端部錨固和預(yù)應(yīng)力水平對(duì)延性影響很大?？煽康亩瞬垮^固是確保CFRP板加固RC梁延性的必要條件,而延性隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高不斷降低。