玻璃纖維布與粘土磚極限粘結(jié)荷載的試驗(yàn)研究

陳 瑩

（廈門(mén)營(yíng)造建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門(mén) 361001）

1 前言

FRP復(fù)合材料與砌體結(jié)構(gòu)結(jié)合面間的粘結(jié)強(qiáng)度是影響結(jié)構(gòu)加固后性能的一個(gè)重要因素，因?yàn)槿魏我鹫辰Y(jié)區(qū)域破壞的因素都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生突然破壞而達(dá)不到加固的預(yù)期效果[1～2]。本文以玻璃纖維布與磚之間的界面為研究對(duì)象，探討其極限粘結(jié)荷載的影響因素，并提出玻璃纖維布與磚之間極限粘結(jié)荷載的計(jì)算公式，為進(jìn)一步深入研究FRP加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置

為了更好的研究玻璃纖維布（GFRP）與磚之間的單面剪切粘結(jié)性能，自行設(shè)計(jì)出一套單剪試驗(yàn)裝置[3～5]，如圖1所示。此試驗(yàn)裝置傳力合理，安裝就位簡(jiǎn)單，易于操作，適用于不同尺寸試件的試驗(yàn)，測(cè)量準(zhǔn)確，能很好地滿(mǎn)足科研試驗(yàn)的需要。

試驗(yàn)中選用南京生產(chǎn)的單向玻璃纖維布，其抗拉強(qiáng)度為1507MPa，彈性模量為93750MPa，延伸率為1.5%，計(jì)算厚度0.169mm。采用的樹(shù)脂為日本產(chǎn)“小西”樹(shù)脂。試驗(yàn)中用磚為MU10普通粘土磚，尺寸為240×115×53mm。將玻璃纖維布粘貼在磚一側(cè)表面形成玻璃纖維布與磚的單面剪切試件，具體試件情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)試件匯總表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 玻璃纖維布與磚發(fā)生剪切粘結(jié)破壞的特征

觀察破壞后的試件，有兩種破壞形式：GFRP剝離和GFRP斷裂，或者同時(shí)發(fā)生。其中GFRP剝離現(xiàn)象又分兩種情況：第一種剝離發(fā)生在粘結(jié)樹(shù)脂層，其剝離下來(lái)的GFRP表面平整光滑，沒(méi)有粘下磚或者僅零星粘有一點(diǎn)磚（見(jiàn)圖2），這種剝離說(shuō)明玻璃纖維布強(qiáng)度沒(méi)有得到充分發(fā)揮，所以是“不成功”的剝離；第二種剝離發(fā)生在磚表層，破壞時(shí)局部磚凹入表面1～4mm，破壞面凹凸不平（見(jiàn)圖3），這就屬于“成功”的剝離。

GFRP斷裂也分為兩種情況：一是GFRP一根一根依次斷裂，拉斷面位于GFRP懸空段，主要原因包括GFRP里每根纖維絲受力不一致、磚的離散性或是加載速率過(guò)快，如圖4（a）所示；二是GFRP在夾具處被拉斷，如圖4（b）所示，應(yīng)該是由于夾具處受到比較集中的應(yīng)力造成的。

2.2.2 粘結(jié)長(zhǎng)度和粘貼層數(shù)對(duì)極限粘結(jié)荷載的影響

表3中第1、2組試件的試驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)圖5。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

1）隨著玻璃纖維布與磚粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，極限粘結(jié)荷載并不是呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度增加到一定的長(zhǎng)度即通常所說(shuō)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度之后，極限粘結(jié)荷載的增幅不大。超過(guò)有效粘結(jié)長(zhǎng)度之后，雖然粘結(jié)力不再增加，但由于已經(jīng)剝離的GFRP與磚之間還存在較弱的剪力傳遞，因此GFRP與磚之間粘結(jié)破壞的延性有所提高。

2）隨著粘貼層數(shù)的增加，極限粘結(jié)荷載有所提高，有效粘結(jié)長(zhǎng)度亦有所差別。在本文所進(jìn)行的單面剪切粘結(jié)試驗(yàn)中，粘貼一層和兩層GFRP的試件的有效粘結(jié)長(zhǎng)度分別是50mm和100mm。

2.2.3 粘結(jié)寬度對(duì)極限粘結(jié)荷載的影響

表3中第1、2組試件的試驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，極限粘結(jié)荷載隨著GFRP粘結(jié)寬度的增加而明顯提高，但粘結(jié)強(qiáng)度稍有降低。

觀察破壞后的試件，磚表面的實(shí)際破壞面大于玻璃纖維布的粘結(jié)寬度，這說(shuō)明玻璃纖維布兩側(cè)的磚對(duì)GFRP提供了有利的約束作用，因此磚的受剪承載力得到提高，而這種有利作用隨著GFRP粘結(jié)寬度的增加而減小。

3 GFRP與粘土磚之間極限粘結(jié)荷載的計(jì)算

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論，并結(jié)合前人的成果，本文提出如下計(jì)算GFRP與磚極限粘結(jié)荷載的計(jì)算公式：

式中：km——與玻璃纖維布粘貼層數(shù)相關(guān)的系數(shù)，一層取0.9，兩層取0.5；

kw——GFRP寬度和磚寬度之比；

kl——與有效粘結(jié)長(zhǎng)度le相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度lf≤le時(shí)，kl＝1.0，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度lf>le

lf——GFRP的粘結(jié)長(zhǎng)度（mm）；

Ef——GFRP的彈性模量（MPa）；

tf——GFRP的厚度（mm）；

fb——磚的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

采用公式（1）計(jì)算的極限粘結(jié)荷載與試驗(yàn)中得到的極限粘結(jié)荷載的對(duì)比見(jiàn)圖7，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合。需要指出的是，公式（1）是根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果得出的，而本文試驗(yàn)的條件是單一的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)總量也比較少，有一定程度的離散性，其統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的研究尚不十分成熟，因此還需要各種不同類(lèi)型的試驗(yàn)資料加以比較和驗(yàn)證。此外，本次試驗(yàn)中僅采用了MU10一種強(qiáng)度等級(jí)的磚進(jìn)行試驗(yàn)，因此磚的抗壓強(qiáng)度對(duì)極限粘結(jié)荷載的影響規(guī)律還有待于進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

1）從所進(jìn)行的玻璃纖維布與55塊粘土磚單面剪切粘結(jié)試驗(yàn)中，得到以下主要結(jié)論：（1）隨著GFRP與磚粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，其極限粘結(jié)荷載不呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，超過(guò)有效粘結(jié)長(zhǎng)度后，極限粘結(jié)荷載和粘結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)趨緩或不再增加；（2）粘貼層數(shù)亦不是越多越好，因?yàn)椴ＡЮw維布的厚度、剛度越大，將導(dǎo)致剝離應(yīng)力增大，反而易于發(fā)生剝離，因此存在一個(gè)合理加固量的問(wèn)題；（3）隨著GFRP粘結(jié)寬度的增加，極限粘結(jié)荷載明顯提高，但粘結(jié)強(qiáng)度稍有降低。

2）通過(guò)對(duì)影響極限粘結(jié)荷載的各種因素的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并參考前人得到的相關(guān)結(jié)論，給出了玻璃纖維布與磚之間極限粘結(jié)荷載的計(jì)算公式，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果說(shuō)明給出的經(jīng)驗(yàn)公式具有一定的合理性。

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