雙粗糙平面夾持和錨固碳纖維板的試驗(yàn)研究

肖 毅，余世剛，將成建，王 月，聶堂鴻，卓 靜

(1.重慶交通大學(xué)，重慶400074;2.重慶市永川區(qū)公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶402160;3.重慶市永川區(qū)公路管理所，重慶402160;4.重慶市永川區(qū)交通局，重慶402160;5.重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶400067)

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reiforced Polymers/Plastics，F(xiàn)RP)被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)的加固中.在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高纖維材料的加固效果，引入了預(yù)應(yīng)力技術(shù).在預(yù)應(yīng)力FRP加固鋼筋混凝土梁中，F(xiàn)RP片材若無(wú)可靠的機(jī)械錨固措施，很容易發(fā)生剝離破壞，甚至在FRP片材張拉完成后放張時(shí)，剝離破壞就開(kāi)始發(fā)生，完全依靠FRP片材與混凝土表面的黏結(jié)力來(lái)實(shí)現(xiàn)FRP片材的錨固是不現(xiàn)實(shí)的［1］.因而，開(kāi)發(fā)FRP片材的機(jī)械錨具和夾具是預(yù)應(yīng)力FRP加固技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容.北京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了預(yù)應(yīng)力芳綸纖維布的永久錨具，能對(duì)FRP布施加高水平預(yù)應(yīng)力(≥1 600 MPa)，該錨具為平板夾具［2］;湖南大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)碳纖維板的平板型夾具［3］.這兩種夾具都采用粗糙平面來(lái)夾持和錨固FRP片材.為了了解這類平板型夾具的錨固效果，筆者開(kāi)展了雙粗糙平面夾持和錨固碳纖維板的試驗(yàn)研究.

1 單面黏結(jié)的試驗(yàn)成果概述

分析單面黏結(jié)碳纖維板的受力特征是研究雙面黏結(jié)的基礎(chǔ).國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)單面黏結(jié)碳纖維板的試驗(yàn)研究得出了黏結(jié)界面的剪切應(yīng)力－滑移(τδ)的本構(gòu)關(guān)系，如圖1 所示［4］.

圖1 單面黏結(jié)剪切應(yīng)力－滑移關(guān)系曲線

從圖1可以看出，在張拉過(guò)程中，黏結(jié)界面前端剪應(yīng)力隨拉力的增大而增大，當(dāng)增大到一定程度(即圖1中的頂點(diǎn))，剪應(yīng)力由前端開(kāi)始向內(nèi)傳遞，前端剪應(yīng)力逐漸減小，其后界面的剪應(yīng)力增大，且剪應(yīng)力的傳遞存在一個(gè)長(zhǎng)度限制，即為有效黏結(jié)長(zhǎng)度.

對(duì)碳纖維板在平板夾具中的受力情況，即碳纖維板雙面黏結(jié)并存在擠壓力的情形下，這些結(jié)論是否成立，目前尚無(wú)公開(kāi)的研究成果.

在結(jié)構(gòu)加固中將碳纖維板預(yù)先張拉，即引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)，能顯著提高加固效果.對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力，錨夾具的研制是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的平板夾具錨，對(duì)碳纖維板都是采用雙面黏結(jié)并施加擠壓力以提高錨固能力.因此，研究和試驗(yàn)碳纖維板在錨夾具中的受力情況對(duì)此類錨夾具的研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義.

2 試驗(yàn)方案

通過(guò)碳纖維板與雙粗糙面平板錨(以下簡(jiǎn)稱平板錨)的拉伸試驗(yàn)，利用不同黏結(jié)長(zhǎng)度的變化推斷碳纖維板在平板錨夾持下的受力特點(diǎn)和錨固能力，并推測(cè)其有效黏結(jié)長(zhǎng)度和最大錨固能力.

2.1 試驗(yàn)夾具

在以往研制的碳纖維板錨夾具中，夾持面基本采用粗糙表面，這種表面可增加黏結(jié)力和摩擦系數(shù).因此，試驗(yàn)亦設(shè)計(jì)了類似的粗糙平板夾具，夾具上、下夾板規(guī)格為:320 mm×100 mm×30 mm，夾持面通過(guò)機(jī)械加工粗糙化.為了使碳纖維板便于對(duì)中，將平板錨前端加工成圓弧狀并做成鉸.

2.2 試件設(shè)計(jì)

采用同一廠家同卷生產(chǎn)且表面無(wú)初始缺陷的碳纖維板，長(zhǎng)度均為1 200 mm，斷面尺寸為50.0 mm×1.4 mm.設(shè)計(jì)了4 個(gè)張拉試件(編號(hào)為:A，B，C，D)，4個(gè)試件在平板錨內(nèi)的碳纖維板黏結(jié)長(zhǎng)度分別為50，100，200，320 mm.碳纖維板的一端采用上述平板錨進(jìn)行夾持和錨固，為試驗(yàn)端.在以往試驗(yàn)過(guò)程中，波形錨在碳纖維板張拉拉力方面遠(yuǎn)超過(guò)平板錨具，所以另一端采用波形錨進(jìn)行夾持和錨固，為固定端.碳纖維板兩端都采用鉸式形式，此種錨具能夠在張拉試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)碳纖維板的自動(dòng)對(duì)中調(diào)整，在一定程度上可減少甚至消除試驗(yàn)中由于碳纖維板偏心受拉對(duì)試驗(yàn)效果的影響.

2.3 試件測(cè)試

由于試驗(yàn)端采用平板錨對(duì)碳纖維板進(jìn)行夾持，無(wú)法在錨具內(nèi)碳纖維板上黏貼應(yīng)變片，為試驗(yàn)的一大難點(diǎn).因此采用在平板錨內(nèi)黏結(jié)不同長(zhǎng)度的碳纖維板進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn).通過(guò)峰值拉力來(lái)推測(cè)平板錨的錨固能力.試驗(yàn)采用高精度壓力傳感器測(cè)試碳纖維板的拉力.試驗(yàn)在碳纖維板中間部位兩側(cè)對(duì)稱黏貼2片應(yīng)變片，一為利用應(yīng)變片應(yīng)變值調(diào)整對(duì)中，減小偏心受拉的影響;二為觀測(cè)碳纖維板的應(yīng)變變化.試驗(yàn)加載設(shè)備為手動(dòng)式500 kN千斤頂，應(yīng)變測(cè)量采用靜態(tài)應(yīng)變儀.試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)加載過(guò)程及破壞形態(tài)

3.1 試件A加載過(guò)程及破壞形態(tài)

試件A在張拉過(guò)程中，碳纖維板及其夾持錨具均無(wú)任何明顯變化，但當(dāng)荷載達(dá)到峰值拉力112.2 kN后，傳感器測(cè)到的拉力值開(kāi)始顯著下降，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)千斤頂，荷載無(wú)法增加，同時(shí)也能明顯觀察到碳纖維板從平板錨中滑出.實(shí)測(cè)拉力與碳纖維板的應(yīng)變變化曲線如圖3所示.

圖3 試件A(錨固50 mm)拉力－應(yīng)變曲線

由圖3可以看出整個(gè)加載過(guò)程碳纖維板保持良好的線性.碳纖維板在峰值拉力時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?0 017 με，此時(shí)碳纖維板的應(yīng)力為1 603 MPa.為了觀察碳纖維板在平板錨中的滑移情況，將平板錨拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，平板錨內(nèi)碳纖維板滑移現(xiàn)象明顯，在碳纖維板、膠體和錨具黏結(jié)界面的末端出現(xiàn)膠體空洞，碳纖維板被抽出.

3.2 試件B加載過(guò)程及破壞形態(tài)

試件B的張拉過(guò)程與試件A基本一樣，其區(qū)別僅在于拉力示值和應(yīng)變的變化，試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的現(xiàn)象基本一致.試件B峰值拉力為139.4 kN，在峰值拉力時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?1 690 με，此時(shí)碳纖維板的應(yīng)力為1 991 MPa.實(shí)測(cè)拉力與碳纖維板的應(yīng)變曲線如圖4所示.平板錨拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，平板錨內(nèi)碳纖維板滑移現(xiàn)象明顯，在碳纖維板、膠體和錨具黏結(jié)界面的末端出現(xiàn)膠體空洞，碳纖維板被抽出.

圖4 試件B(錨固100 mm)拉力－應(yīng)變曲線

3.3 試件C加載過(guò)程及破壞形態(tài)

試件C在張拉過(guò)程中，當(dāng)加載到其峰值拉力的90%(134.0 kN)左右，伴隨著零星的“砰砰”聲，但傳感器測(cè)得拉力值無(wú)明顯變化;繼續(xù)驅(qū)動(dòng)千斤頂，拉力值隨之增加，當(dāng)拉力值增加到147.6 kN，碳纖維板發(fā)出連續(xù)的“砰砰”聲，發(fā)現(xiàn)碳纖維板一側(cè)局部斷裂，其斷裂側(cè)應(yīng)變片破壞，另一側(cè)應(yīng)變值增大，傳感器測(cè)得拉力值急劇下降(如圖5中的突變點(diǎn));進(jìn)行30 s持荷觀察，待拉力值穩(wěn)定后繼續(xù)加載，當(dāng)加載到其峰值拉力149.2 kN后，持荷5 s左右，隨著“砰”的一聲巨響，傳感器測(cè)得拉力值顯著下降，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)千斤頂，荷載無(wú)法增加，同時(shí)觀察到碳纖維板從平板錨中滑出.實(shí)測(cè)拉力與碳纖維板的應(yīng)變曲線如圖5所示.

圖5 試件C(錨固200 mm)拉力－應(yīng)變曲線

由圖5可以看出，整個(gè)加載過(guò)程碳纖維板除了發(fā)生局部斷裂時(shí)產(chǎn)生的突變點(diǎn)外，其余保持良好的線性.碳纖維板突變點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?2 457 με，拉力為147.6 kN，碳纖維板此時(shí)的應(yīng)力為2 109 MPa.由于碳纖維板部分?jǐn)嗔?，在峰值拉力時(shí)碳纖維板最大應(yīng)變?yōu)?3 209 με，按無(wú)局部斷裂時(shí)的材料彈性模量計(jì)算，此時(shí)碳纖維板的應(yīng)力為2 236 MPa.將平板錨拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，平板錨內(nèi)部碳纖維板出現(xiàn)整體滑移，碳纖維板與錨具界面處，碳纖維板部分?jǐn)嗔?

3.4 試件D加載過(guò)程及破壞形態(tài)

試件D在張拉過(guò)程中，碳纖維板及其夾持錨具均無(wú)任何明顯的變化.當(dāng)加載到其峰值拉力的90%(135 kN)左右，伴隨著零星的“砰砰”聲，傳感器測(cè)得拉力值無(wú)明顯變化;繼續(xù)驅(qū)動(dòng)千斤頂，拉力值隨之增加，出現(xiàn)連續(xù)的“砰砰”聲，對(duì)其進(jìn)行30 s持荷觀察，拉力值有少許下降，碳纖維板存在局部斷裂現(xiàn)象;當(dāng)加載到其峰值拉力150.4 kN后，持荷5 s，出現(xiàn)連續(xù)的“砰砰”聲，隨著“砰”的一聲巨響，傳感器測(cè)得拉力值急劇下降，驅(qū)動(dòng)千斤頂，荷載無(wú)法增加.同時(shí)觀察到碳纖維板從平板錨中滑出.實(shí)測(cè)拉力和碳纖維板的應(yīng)變曲線如圖6所示.

圖6 試件D(錨固320 mm)拉力－應(yīng)變曲線

由圖6可看出，整個(gè)加載過(guò)程中，碳纖維板保持良好的線性，峰值拉力時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?2 300 με，此時(shí)碳纖維板的應(yīng)力為2 149 MPa.將平板錨拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)，平板錨內(nèi)部碳纖維板發(fā)生劈裂破壞且裂縫處的部分碳纖維板滑移，碳纖維板與錨具界面處，碳纖維板部分?jǐn)嗔?

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 黏結(jié)長(zhǎng)度－錨固力關(guān)系

此次試驗(yàn)利用高強(qiáng)螺栓施加擠壓力將錨具、結(jié)構(gòu)膠和碳纖維板連接在一起，通過(guò)對(duì)不同黏結(jié)長(zhǎng)度碳纖維板進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同黏結(jié)長(zhǎng)度下峰值拉力的變化規(guī)律，如圖7所示.當(dāng)碳纖維板與平板錨的黏結(jié)長(zhǎng)度從50，100，200 mm增加到320 mm時(shí)，張拉峰值拉力從112.2，139.4，149.2 kN 增加到150.4 kN.同文獻(xiàn)［5］單面黏結(jié)拉力(表1)和文獻(xiàn)［6］未施加擠壓力的雙面黏結(jié)拉力(表2)比較，施加擠壓力的雙面黏結(jié)試件的承載拉力提高顯著.

圖7 不同黏結(jié)長(zhǎng)度碳纖維板的峰值拉力

表1 單面黏結(jié)不同長(zhǎng)度碳纖維板的峰值拉力［5］

表2 雙面黏結(jié)不同長(zhǎng)度碳纖維板的峰值拉力［6］

4.2 雙面黏結(jié)的有效黏結(jié)長(zhǎng)度分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)端拆開(kāi)后的形態(tài)分析可知，碳纖維板與錨具鋼板黏結(jié)部分受力狀態(tài)可分為3個(gè)階段:①?gòu)椥噪A段.當(dāng)承受荷載較小時(shí)，碳纖維板的端部位移與其荷載呈線性，界面剪力和碳纖維板拉力隨外部荷載增大而增加;②局部破壞階段.當(dāng)荷載增加到一定程度后，界面剪應(yīng)力不再增加，錨具與碳纖維板接觸面前端部界面兩側(cè)應(yīng)力較大部位出現(xiàn)微觀裂縫，隨著荷載的繼續(xù)增加，微觀裂縫演變?yōu)楹暧^裂縫，前端部界面產(chǎn)生明顯剝離，有效黏結(jié)長(zhǎng)度內(nèi)移;③界面破壞階段.當(dāng)有效黏結(jié)長(zhǎng)度后移達(dá)到末端，隨著有效黏結(jié)長(zhǎng)度上的微觀裂縫不斷地演變?yōu)楹暧^裂縫，碳纖維板端部的荷載開(kāi)始下降，黏結(jié)界面完全喪失承載能力.

平板錨雙面黏結(jié)夾持碳纖維板并存在擠壓力狀態(tài)下的剪應(yīng)力傳遞特性為:當(dāng)試件承載較小時(shí)，剪應(yīng)力主要存在于一定的傳遞長(zhǎng)度內(nèi)，當(dāng)荷載增大到最先承載的長(zhǎng)度而無(wú)法承載時(shí)，剪應(yīng)力開(kāi)始向內(nèi)傳遞，此時(shí)端部剪力逐漸減小，錨具內(nèi)部的剪應(yīng)力逐漸增大，承力的區(qū)域開(kāi)始向內(nèi)傳遞;當(dāng)承力區(qū)域向內(nèi)傳遞達(dá)到有效黏結(jié)長(zhǎng)度后，剪應(yīng)力不再向內(nèi)傳遞;即使黏結(jié)長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，能承受的剪應(yīng)力也不再增加.由試件C(2 109 MPa)和試件D(2 149 MPa)的破壞應(yīng)力水平和圖7所示實(shí)測(cè)拉力值曲線，可推測(cè)平板錨夾持和錨固碳纖維板的有效黏結(jié)長(zhǎng)度范圍為150～200 mm.

5 結(jié)語(yǔ)

1)雙面黏貼碳纖維板同單面黏貼碳纖維板的受力特征基本相似，依賴于黏結(jié)界面的剪力傳遞，受黏結(jié)剪力－界面滑移的本構(gòu)關(guān)系約束，雙面黏貼同單面黏貼一樣存在一個(gè)有效黏結(jié)長(zhǎng)度，剪切應(yīng)力只能在剪切長(zhǎng)度范圍內(nèi)將碳纖維板的拉力傳遞給錨夾具的鋼板.因此雙面黏結(jié)在有效黏結(jié)長(zhǎng)度上也必然存在一個(gè)剪切應(yīng)力的合力，即雙面黏貼的最大實(shí)測(cè)拉力(或者最大黏結(jié)力)，也就是說(shuō)，當(dāng)雙面黏貼碳纖維板的黏結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)有效黏結(jié)長(zhǎng)度，平板錨的錨固力基本不再增加.

2)受平板錨上、下夾板的擠壓力的影響，雙面黏貼碳纖維板的有效黏結(jié)長(zhǎng)度大于單面黏貼的有效黏結(jié)長(zhǎng)度，對(duì)于該試驗(yàn)用雙粗糙平板夾具錨，夾持和錨固碳纖維板的有效黏結(jié)長(zhǎng)度范圍為150～200 mm，對(duì)于50.0 mm ×1.4 mm 的碳纖維板，其最大實(shí)測(cè)拉力大約在150 kN左右，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維板的可靠錨固.

3)即使黏結(jié)長(zhǎng)度相當(dāng)長(zhǎng)(320 mm，遠(yuǎn)大于碳纖維板的有效黏結(jié)長(zhǎng)度)，該試驗(yàn)的碳纖維板仍然從平板夾具中滑出，表明當(dāng)碳纖維板強(qiáng)度較高時(shí)，此類平板夾具錨不能提供有效的錨固.

4)固定端用的波形錨錨固良好，在試驗(yàn)中未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，表明波形錨錨固能力比平板錨好，相關(guān)試驗(yàn)研究已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn).

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