復(fù)合內(nèi)嵌碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋加固混凝土梁試驗(yàn)

任振華,曾憲桃,劉漢龍,周豐峻

(1.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,湖南湘潭 411104;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098;3.總參工程兵科研四所,北京 100850)

就加固方式而言,纖維增強(qiáng)塑料(FRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)通常有外貼FRP加固混凝土構(gòu)件、外貼預(yù)應(yīng)力FRP加固混凝土構(gòu)件、內(nèi)嵌FRP加固混凝土構(gòu)件、內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力FRP加固混凝土構(gòu)件等[1-8]。以往的試驗(yàn)研究表明,內(nèi)嵌碳纖維筋加固混凝土梁雖能明顯提高混凝土梁的抗彎極限承載力[9],但由于碳纖維筋強(qiáng)度高,而膠黏劑的強(qiáng)度和混凝土的強(qiáng)度相對(duì)較低,三者強(qiáng)度不協(xié)調(diào),導(dǎo)致碳纖維筋強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。為克服上述缺點(diǎn),并考慮碳纖維增強(qiáng)塑料筋施加預(yù)應(yīng)力錨具目前還不完善的特定情況,本文采取先對(duì)高強(qiáng)度的螺旋肋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力,然后將螺旋肋鋼筋和非預(yù)應(yīng)力的碳纖維筋同時(shí)嵌入到混凝土梁受拉區(qū)混凝土保護(hù)層中,對(duì)其進(jìn)行彎曲試驗(yàn),以分析其承載力[10-14]。這樣充分利用了螺旋肋鋼筋的高強(qiáng)度,同時(shí)解決了碳纖維筋不易張錨的難題,在梁反拱的情況下,加固梁在受力過(guò)程中碳纖維筋的應(yīng)變幅值會(huì)加大,從而也間接加大了碳纖維筋強(qiáng)度的利用率,既保證了被加固梁在使用階段的適用性,延緩裂縫的開(kāi)裂,又使梁在屈曲后具有足夠的延展性。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中采用的碳纖維筋是南京華浩復(fù)合材料有限公司提供的碳纖維筋材,其成型工藝是將進(jìn)口日本東麗碳纖維絲浸漬于專(zhuān)用樹(shù)脂基體后在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化,經(jīng)牽引連續(xù)拉擠成型,其直徑為7.00mm,抗拉強(qiáng)度為2764MPa,拉伸彈性模量為110.8GPa。試驗(yàn)中采用的螺旋肋鋼筋是河南省向陽(yáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲有限公司提供的低松弛螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲,直徑為7.00mm,抗拉強(qiáng)度為1570MPa。螺旋肋鋼筋錨固性能優(yōu)良,強(qiáng)度高,有良好的握裹力及較好的連接性能。

結(jié)構(gòu)膠黏劑選用中國(guó)科學(xué)院大連物理化學(xué)研究所生產(chǎn)的JGN-T型碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)膠。JGNT型建筑結(jié)構(gòu)膠屬A級(jí)膠,在(25±2)℃的檢測(cè)條件下,其軸心抗拉強(qiáng)度為47.1MPa,抗拉彈性模量為3800MPa,拉伸斷裂伸長(zhǎng)率為2.4%,抗壓強(qiáng)度為78.8MPa,彎曲強(qiáng)度為66.9MPa。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)梁的截面為150mm×300mm×2400mm矩形,梁的跨高比為8.0,計(jì)算跨度為2100mm;梁底部的受拉縱筋選用214,架立筋選用2?8,布置?8@150和?8@100的箍筋進(jìn)行抗剪,縱筋的凈保護(hù)層厚度為30 mm,架立筋的凈保護(hù)層厚度為25mm,混凝土梁的有效高度為263mm。共澆筑7根混凝土梁,其中對(duì)比梁(DB梁)1根,加固梁6根。梁的截面及配筋情況如圖1所示。將試驗(yàn)梁分3組：第1組為未加固的對(duì)比梁;第2組為在混凝土梁受拉區(qū)保護(hù)層中沿梁軸向開(kāi)3條槽,中間槽內(nèi)嵌1根預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋,兩邊槽內(nèi)嵌2根非預(yù)應(yīng)力碳纖維筋,編號(hào)為BF2P1,對(duì)螺旋肋鋼筋施加的預(yù)應(yīng)力水平為其極限強(qiáng)度的30%,45%,60%;第3組在兩邊槽內(nèi)嵌2根預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋,中間槽內(nèi)嵌1根非預(yù)應(yīng)力碳纖維筋,編號(hào)為BF1P2,對(duì)螺旋肋鋼筋施加的預(yù)應(yīng)力水平為其極限強(qiáng)度的30%,45%,60%。梁底開(kāi)槽情況及預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋和碳纖維筋嵌入情況如圖2所示。

圖1 開(kāi)槽位置和梁截面及配筋示意圖(單位：mm)Fig.1 Sketch map of groove location,beam section,reinforcement(units：mm)

圖2 梁底開(kāi)槽及嵌筋情況(單位：mm)Fig.2 Groove location and reinforcement(units：mm)

3 試驗(yàn)方法

3.1 預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋的固定和張拉

如圖3所示,將試驗(yàn)梁置于張拉臺(tái)座中間,調(diào)整好位置;把螺旋肋鋼筋放置于槽中(距離槽底約1/3處);安裝錨具,然后對(duì)螺旋肋鋼筋進(jìn)行張拉,達(dá)到要求的預(yù)應(yīng)力大小。圖4為加固后的成品梁。

在試驗(yàn)梁槽中充填樹(shù)脂固化,完成后進(jìn)行放張。放張時(shí)采用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量放張前后預(yù)應(yīng)力螺旋肋筋端部及跨中的應(yīng)變損失,同時(shí)用百分表測(cè)量梁的跨中反拱情況。放張完成后,在相應(yīng)槽中嵌入碳纖維筋材,并在槽中填好樹(shù)脂,約24h后,可將加固梁上試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。

圖3 預(yù)應(yīng)力施加方法Fig.3 Method of pre-stressing

圖4 加固后的試件Fig.4 Strengthened specimens

3.2 量測(cè)及加載

混凝土梁的應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變及螺旋肋鋼筋應(yīng)變用電阻應(yīng)變片測(cè)量,混凝土梁的撓度用位移計(jì)測(cè)量,應(yīng)變數(shù)據(jù)采集使用XL-20101B5數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行自動(dòng)采集。試驗(yàn)梁的加載方案如圖5所示。試驗(yàn)的基本內(nèi)容為：(a)在縱向受拉鋼筋上布置鋼筋應(yīng)變片測(cè)量受拉鋼筋;(b)在跨中受壓區(qū)混凝土頂面、側(cè)面布置混凝土應(yīng)變片,測(cè)量受壓區(qū)混凝土的極限壓應(yīng)變和沿梁高的應(yīng)變分布;(c)在碳纖維筋、螺旋肋鋼筋上布置應(yīng)變片,以測(cè)量筋材在加載過(guò)程中的受力情況;(d)在試驗(yàn)梁的跨中、分載梁支座底部、梁支座處分別布置位移計(jì),用于測(cè)量跨中撓度和支座沉降度;(e)使用顯微測(cè)量?jī)x來(lái)觀察試驗(yàn)過(guò)程中構(gòu)件的裂縫開(kāi)展情況,并記錄開(kāi)裂荷載,標(biāo)注裂縫的分布位置、荷載級(jí)別。

圖5 試驗(yàn)梁加載及儀表布置(單位：mm)Fig.5 Instrumentation used for test beams(units：mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)梁的破壞模式

內(nèi)嵌碳纖維筋加固混凝土梁界面黏結(jié)性能試驗(yàn)中所出現(xiàn)的破壞模式有以下幾種：碳纖維筋被拉斷;碳纖維筋黏結(jié)材料界面破壞,碳纖維筋被拔出;黏結(jié)材料層發(fā)生劈裂破壞;混凝土發(fā)生劈裂破壞;黏結(jié)材料-混凝土界面破壞。在保證不發(fā)生剪切破壞的前提下,加固梁主要發(fā)生以下破壞形式：(a)受拉鋼筋屈服后,受壓區(qū)混凝土破壞,而螺旋肋鋼筋和碳纖維筋未屈服。(b)受拉鋼筋屈服后,螺旋肋鋼筋和碳纖維筋均被拉斷,受壓區(qū)混凝土未破壞。(c)黏結(jié)破壞,包括螺旋肋鋼筋與膠黏劑界面發(fā)生破壞,螺旋肋鋼筋被拔出;碳纖維筋與膠黏劑界面發(fā)生破壞,碳纖維筋被拔出;膠黏劑材料層發(fā)生剪拉錯(cuò)層劈裂破壞;膠黏劑與混凝土界面發(fā)生破壞;內(nèi)嵌槽槽邊混凝土發(fā)生劈裂破壞。(d)黏結(jié)剝離破壞。由于梁中剪切斜裂縫和彎曲裂縫張開(kāi)引起黏結(jié)界面應(yīng)力超過(guò)界面黏結(jié)強(qiáng)度而產(chǎn)生剝離破壞。對(duì)于剪切斜裂縫張開(kāi)引起的界面剝離破壞可通過(guò)提高梁的受剪承載力加以避免;對(duì)于彎曲裂縫張開(kāi)引起界面剝離需要通過(guò)計(jì)算,采用預(yù)應(yīng)力加固后,使螺旋肋鋼筋的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮而避免這種剝離破壞模式。BF1P2-60(60指施加的預(yù)應(yīng)力水平為其極限強(qiáng)度的60%;30,45的含義依此類(lèi)推)梁由于彎曲裂縫張開(kāi)而引起局部剝離破壞。從試驗(yàn)梁破壞時(shí)的撓度、裂縫開(kāi)裂情況看,以上破壞形式為延性破壞。梁體在破壞前,底部混凝土剝落且伴隨較大響聲,其破壞前是有明顯預(yù)兆的。由于對(duì)螺旋肋鋼筋施加了預(yù)應(yīng)力,且螺旋肋鋼筋有良好的錨固性能及握裹力,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加固混凝土梁的破壞模式基本上是第一種破壞形式。

4.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

混凝土梁的主要試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,碳纖維筋、螺旋肋鋼筋與膠層之間未發(fā)生剝離破壞,只有BF1P2-60發(fā)生了混凝土局部剝離破壞。與對(duì)比梁相比,加固梁的開(kāi)裂彎矩和極限彎矩的提高都非常明顯。施加了預(yù)應(yīng)力的加固梁(BF2P1系列梁和BF1P2系列梁)的開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載提高也都非常明顯。BF1P2梁的開(kāi)裂荷載提高了86.70%～133.33%,屈服荷載提高了32.25%～72.04%,極限荷載提高了72.73%～90.00%;BF2P1梁的開(kāi)裂荷載提高了50.00%～133.33%,屈服荷載提高了50.54%～136.56%,極限荷載提高了72.20%～173.60%。從表1中還可看出,荷載提高率并不隨預(yù)應(yīng)力的增加而增加,也不隨施加預(yù)應(yīng)力材料的多少而增減。經(jīng)比較,對(duì)BF2P1系列梁施加的預(yù)應(yīng)力水平為45%時(shí),加固效果最好。

表1 加固梁試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of strengthened beams

4.3 試驗(yàn)梁的變形分析

圖6為DB梁和各系列梁的跨中撓度-荷載曲線(xiàn)。由圖6可以看出,用內(nèi)嵌碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋加固混凝土梁能夠大幅度提高梁的荷載。由于對(duì)螺旋肋鋼筋施加了預(yù)應(yīng)力,放張時(shí)會(huì)使梁產(chǎn)生一定的反拱,所以加載過(guò)程中,一部分荷載首先作為消壓荷載作用于梁上,因此延遲了裂縫開(kāi)裂。隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加,與同一系列梁相比,BF2P1-30梁和BF1P2-30梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載較小;BF2P1-45梁和BF1P2-45梁、BF2P1-60梁和BF1P2-60梁的開(kāi)裂荷載基本相同,但屈服荷載和極限荷載差別較大。在同一預(yù)應(yīng)力水平下,BF2P1系列梁的撓度比BF1P2系列梁的撓度要小,說(shuō)明BF2P1系列梁的剛度比BF1P2系列梁的剛度大;在同一荷載作用下,BF2P1系列梁跨中撓度大小順序?yàn)閒45＜f30＜f60,BF1P2系列梁跨中撓度大小順序也為f45＜f30＜f60。說(shuō)明在同一加固量下施加預(yù)應(yīng)力水平為45%時(shí)為最佳且剛度也最大;在同一荷載作用下,BF2P1系列梁和BF1P2系列梁的撓度大小順序?yàn)?/p>

fBF2P1-45＜fBF1P2-45＜fBF2P1-30＜fBF2P1-60＜fBF1P2-30＜

fBF1P2-60,說(shuō)明在同一加固量下BF2P1-45梁為最佳組合。以上說(shuō)明,施加預(yù)應(yīng)力的大小和施加合適的預(yù)應(yīng)力材料的根數(shù)可以有效地抑制撓度的發(fā)展。施加預(yù)應(yīng)力的梁的跨中撓度比對(duì)比梁的跨中撓度發(fā)展慢,說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力能更有效地提高加固梁的剛度。

圖6 加固梁跨中撓度曲線(xiàn)Fig.6 Mid-span forcevs.defection curves of strengthened beams

當(dāng)梁截面受拉邊緣達(dá)到其極限拉應(yīng)變時(shí),混凝土梁產(chǎn)生第一條裂縫,此時(shí)的裂縫寬度定義為開(kāi)裂時(shí)的裂縫寬度,定義加固梁破壞前的最大裂縫寬度為破壞時(shí)的裂縫最大寬度。表2列出了各試驗(yàn)梁破壞時(shí)的情況,包括開(kāi)裂時(shí)的裂縫寬度、長(zhǎng)度和裂縫條數(shù)。所有試驗(yàn)梁都是以適筋梁的破壞而告終,沒(méi)有出現(xiàn)滑移和黏結(jié)失效現(xiàn)象。與對(duì)比梁相比,加固梁裂縫出現(xiàn)得較晚,對(duì)比梁在荷載加至30kN左右出現(xiàn)裂縫,而加固梁在荷載加至60kN左右時(shí)才出現(xiàn)裂縫,這說(shuō)明用內(nèi)嵌碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋復(fù)合加固混凝土梁,不但能大幅提高開(kāi)裂荷載,還能控制裂縫發(fā)展。BF2P1系列梁破壞時(shí)的裂縫寬度為1.3～1.7mm,BF1P2系列梁破壞時(shí)的裂縫寬度為1～2mm,而且BF2P1-45梁只有1條長(zhǎng)度為5mm的裂縫。從表2還可看出,BF2P1系列梁比BF1P2系列梁的裂縫寬度小,長(zhǎng)度短,開(kāi)裂條數(shù)也少。

表2 各試驗(yàn)梁的裂縫分布Table2 CracKdistributions of test beams

5 結(jié) 論

a.與對(duì)比梁相比,內(nèi)嵌1根或2根螺旋肋鋼筋加固的混凝土梁,其極限承載能力提高了20%～39.5%;內(nèi)嵌碳纖維筋加固的混凝土梁,其極限承載能力提高了50%～70%[12]。與使用某一單一材料進(jìn)行加固相比,用復(fù)合內(nèi)嵌碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋加固混凝土梁是一種更有效的加固方法,具有廣闊的發(fā)展前途。

b.采用復(fù)合碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋加固混凝土梁,能顯著提高混凝土梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載。與對(duì)比梁相比,BF2P1系列梁的開(kāi)裂荷載提高了50.00%～133.33%,屈服荷載提高了50.54%～136.56%,極限荷載提高了72.20%～173.60%;BF1P2系列梁的開(kāi)裂荷載提高了86.70%～133.33%,屈服荷載提高了32.25%～72.04%,極限荷載提高了72.73%～90.00%。

c.在相同預(yù)應(yīng)力水平下,BF2P1系列梁比BF1P2系列梁的撓度小、剛度大,屈服能力和極限破壞能力也高。

d.采用復(fù)合碳纖維筋和預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋加固混凝土梁可以延遲裂縫的出現(xiàn),在一定的預(yù)應(yīng)力水平范圍內(nèi),預(yù)應(yīng)力越大,加固梁的變形越小。

e.由試驗(yàn)分析的結(jié)果看,BF2P1系列梁的加固效果優(yōu)于BF1P2系列梁,且對(duì)螺旋肋鋼筋施加的預(yù)應(yīng)力水平為45%時(shí),混凝土梁的加固效果最佳。對(duì)加固材料施加的預(yù)應(yīng)力并不是越大越好,施加預(yù)應(yīng)力的加固材料的數(shù)量也不是越多越好。

[1]曾憲桃.粘貼玻璃鋼板加固混凝土梁動(dòng)靜載行為研究及其徐變特性分析[D].成都：西南交通大學(xué),1998.

[2]王興國(guó),徐平,丁亞紅,等.預(yù)應(yīng)力CFRP片材加固RC梁荷載-撓度分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2010(3)：7-11.(WANG Xingguo,XU Ping,DING Yahong,et al.Load-capacity analysis of RC beams strenthened with prestress CFRP Laminate[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2010(3)：7-11.(in Chinese))

[3]姚諫,朱曉旭,周延陽(yáng).混凝土表層嵌貼CFRP板條的黏結(jié)承載力[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2008,42(1)：34-38.(YAO Jian,ZHU Xiaoxu,ZHOU Yanyang.The bond load of near-surface mounted CFRPplates[J].Journal of Zhejiang University：Engineering Science,2008,42(1)：34-38.(in Chinese))

[4]王興國(guó),張春生,王文華,等.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土橋梁研究與應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2009(4)：83-85.(WANG Xingguo,ZHANG Chunsheng,WANG Wenhua,et al.Study and application of large-scale concrete beams strengthened with CFRP laminate[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2009(4)：83-85.(in Chinese))

[5]RENZhenhua,ZENG Xiantao.Quasi-plane-hypothesis of strain coordination for RC beam strengthened with external-bonded or nearsurface mounted carbon fiber reinforced plastic strip[J].Advanced Materials Research,2011,255-260：54-58.

[6]RENZhenhua,ZENGXiantao,LIUHanlong.Research on RCbeams strengthened with near-surfacemounted helical rib bar[J].Applied Mechanics and Materials,2011,90-93：1757-1760.

[7]ZENG Xiantao,REN Zhenhua.Quasi-plane-hypothesisof strain coordination for RCbeam strengthened with near-surfacemounted carbon fiber reinforced plastic bar or helical rib bar[J].Advanced Materials Research,2011,243-249：541-545.

[8]曾憲桃.表層內(nèi)嵌碳纖維增強(qiáng)塑料板條混凝土梁彎剪性能研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

[9]曾憲桃,段敬民,丁亞紅.內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力碳纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算[J].工程力學(xué),2006,23(增刊2)：112-116.(ZENG Xiantao,DUAN Jingmin,DING Yahong.Calculation on method for bending capacity of concrete beams strengthened with pre-stressed near surface mounted carbon fiber reinforced plastic bar[J].Engineering mechanics,2006,23(Sup2)：112-116.(in Chinese))

[10]薛偉辰,曾磊,譚圓.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固混凝土梁設(shè)計(jì)理論研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008,29(4)：127-133.(XUEWeichen,ZENG Lei,TAN Yuan.Studies on design theories of concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates[J].Journal of Building Structures,2008,29(4)：127-133.(in Chinese))

[11]丁亞紅.內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力筋材加固混凝土梁彎曲性能研究[D].焦作：河南理工大學(xué),2009.

[12]任振華.內(nèi)嵌CFRP筋預(yù)應(yīng)力螺旋肋鋼筋復(fù)合加固混凝土梁抗彎試驗(yàn)研究[D].焦作：河南理工大學(xué),2009.

[13]曾憲桃,任振華,趙晉,等.表層內(nèi)嵌桁架螺旋肋筋加固混凝土梁抗彎試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(1)：64-69.(ZENG Xiantao,RENZhenhua,Zhao Jin,et al.Experiment of bend performances of RCbeams strengthened with near-surfacemounted truss helical rib rebar[J].China Civil Engineering Journal,2010,43(1)：64-69.(in Chinese))

[14]彭暉,尚守平,劉興彥.預(yù)應(yīng)力碳纖維片材張放后端部黏結(jié)應(yīng)力分析[J].交通科學(xué)與工程,2009,25(2)：66-70.(PENG Hui,SHANG Shouping,LIU xingyan.Analysis of bond extremities interfacial stress of prestressed CFRPlaminate after releasing[J].Journal of Transport Science and Engineering,2009,25(2)：66-70.(in Chinese))