FRP束與砌體材料錨固性能試驗(yàn)研究

陶 毅，鐘靈俊，鄭曉龍，史慶軒，陳建飛

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)，英國(guó) 貝爾法斯特 BT95AG ）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,下文簡(jiǎn)稱FRP)由于其高強(qiáng)、輕質(zhì)及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于加固既有結(jié)構(gòu)或新建結(jié)構(gòu)．目前加固工程中廣泛采用樹(shù)脂膠外貼FRP加固技術(shù)，但通過(guò)樹(shù)脂膠粘貼的FRP材料極易發(fā)生剝離破壞，使得纖維的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，加固效果明顯的降低了[1-2]．此前的研究已表明適當(dāng)?shù)腻^固措施能有效的控制和延緩剝離破壞的發(fā)生．其次，從增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的角度上分析，此前的研究已證明錨固件的采用除了可以延緩剝離破壞的發(fā)生，還能提升結(jié)構(gòu)抗震承載力及耗能能力．

為了延緩和防止剝離破壞的發(fā)生，進(jìn)一步提升FRP加固結(jié)構(gòu)的效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出了一些錨固措施和方法并進(jìn)行了研究．這些措施可以分為四類：

(1) 機(jī)械緊錨固法，即采用機(jī)械緊錨固件實(shí)現(xiàn)對(duì)FRP片材的錨固，但由于FRP材料的局部承壓能力有限以及機(jī)械緊錨固件自身可能產(chǎn)生的的彎曲變形一定程度上限制了這種方法的應(yīng)用[1]．

(2) FRP束或纖維箍錨固法，即利用由FRP布或纖維束制成的錨固件對(duì)片材進(jìn)行錨固[2]，通常是將FRP布或纖維束用樹(shù)脂膠植入預(yù)鉆(留)孔洞，再將未植入部分覆蓋粘貼在FRP材料表面．

(3) 嵌入法，即將FRP材料嵌入到加固結(jié)構(gòu)內(nèi)，然后再用填充材料(如砂漿等)覆蓋填充，此方法由于需要在待加固結(jié)構(gòu)表面鑿刻與FRP對(duì)應(yīng)的凹槽，導(dǎo)致了工程量的進(jìn)一步增加[3-4]．

(4) 組合方法，即利用上述幾種方法的組合對(duì)外貼FRP進(jìn)行錨固[4]．

但此前針對(duì)錨固性能的研究大都集中在錨固件與混凝土材料之間，對(duì)錨固件與砌體材料之間錨固性能的研究還十分匱乏．考慮到機(jī)械緊錨固法及嵌入法的不足，本文將針對(duì)FRP束與砌體材料的錨固性能進(jìn)行研究．首先對(duì)錨固件制作方式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而通過(guò)拉拔試驗(yàn)對(duì)錨固強(qiáng)度、破壞模態(tài)、錨固參數(shù)進(jìn)行分析，最終提出合理的設(shè)計(jì)建議．

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)砌塊的尺寸及FRP束錨固試件的特點(diǎn)，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖1所示的加載裝置，共設(shè)計(jì)制作試件39 個(gè)．

圖1 試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Test setup

試件的制作步驟如下：(1) 在砌塊植入面(240 mm×53 mm)的中心位置進(jìn)行鉆孔；(2) 用壓縮空氣將孔洞及表面浮灰清除干凈，當(dāng)砌體處于潮濕狀態(tài)時(shí)，還應(yīng)對(duì)孔洞進(jìn)行干燥處理；(3) 用針管向孔洞中注入樹(shù)脂膠，同時(shí)攪拌以去除可能產(chǎn)生的氣泡；(4) 向孔洞中植入制作好的FRP束；(5) 室溫中靜置48 h后將自由部分FRP束的末端粘貼于兩塊鋁板之間以便和試驗(yàn)機(jī)上端夾具相連；(6) 室溫中再靜置48 h后進(jìn)行測(cè)試．本次試驗(yàn)采用一個(gè)300 kN的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為1.4 mm/min．加載支座和試驗(yàn)機(jī)下夾具相連, 通過(guò)試驗(yàn)機(jī)上夾具施加拉拔荷載．除了通過(guò)試驗(yàn)機(jī)輸出荷載，本次試驗(yàn)還采用PIV技術(shù)測(cè)量了試件的變形，考慮到文章長(zhǎng)度，PIV測(cè)試的結(jié)果將在后續(xù)文獻(xiàn)介紹．

1.2 纖維束錨固件制作工藝

針對(duì)FRP束的制作方式, 此前的研究多采用滾卷FRP布的方式來(lái)制作[2]．這種制作方式的主要優(yōu)點(diǎn)是纖維束整體性較好，便于纖維束的植入，但纖維束植入后，自由端(未錨固部分)的FRP布很難完全展開(kāi)，尤其是卷芯部分的FRP會(huì)集中在一起．目前解決這一問(wèn)題的方法有：去除編織FRP布時(shí)所用的緯線方向的玻璃纖維，使自由端的FRP形成纖維散束[2]，或?qū)⒆杂啥说腇RP布分切成若干小段從而增大展開(kāi)面積[5]．這些措施雖然可以一定程度上增加自由端的FRP束展開(kāi)面積，但是制作過(guò)程比較繁瑣且纖維分散效果較差．

在綜合考慮制作便易性以及錨固效果后，本研究設(shè)計(jì)采用了三種FRP束制作方式：(1) 傳統(tǒng)的滾卷式FRP束，即把一塊FRP布由兩邊向中間滾卷，然后用細(xì)線進(jìn)行捆扎，形成FRP束；(2) 折疊方式制做FRP束，即采用仿“折扇”的方式折疊FRP布并用細(xì)紗進(jìn)行捆扎來(lái)制作FRP束．這一方式的優(yōu)點(diǎn)是未錨固部分的FRP束無(wú)需任何加工就能完全展開(kāi)，方便錨固FRP加固系統(tǒng)；(3) 預(yù)浸折疊式FRP束，即在需植入孔洞的FRP布區(qū)域預(yù)先刷涂樹(shù)脂膠再進(jìn)行折疊，最后用細(xì)紗進(jìn)行捆扎，在樹(shù)脂膠未固化時(shí)就植入孔洞中．

1.3 材料參數(shù)

本試驗(yàn)所采用的磚砌體為M30的燒結(jié)普通磚，按照《GB2542-2012》[6]測(cè)得的磚砌體抗壓強(qiáng)度為31.1 MPa，其名義尺寸為240×115×53(單位，mm)．

FRP布為日本東麗公司出品的碳纖維布(UT70-30)，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度為4 153 MPa, 彈性模量為242 GPa，厚度為0.167 mm．

樹(shù)脂膠采用Sikadur-330雙組份環(huán)氧樹(shù)脂膠．其名義抗拉強(qiáng)度及彈性模量分別為30 MPa和4.5 GPa．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文將從破壞形態(tài)、極限荷載、試件參數(shù)分析FRP束與砌體材料的錨固性能及其影響因素．表1總結(jié)了本次試驗(yàn)的結(jié)果，圖2匯總了本次試驗(yàn)的破壞形式．

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results

圖2 破壞模式示意圖Fig.2 Scheme of failure modes

2.1 破壞模式

試驗(yàn)結(jié)果表明試件破壞全部呈脆性特征．破壞都發(fā)生在磚砌體，且都包括磚錐體破壞(如圖2所示)．這主要是因?yàn)樵诩虞d過(guò)程中，荷載主要通過(guò)粘結(jié)作用傳遞到砌體磚當(dāng)中．由于磚尺寸的限制，F(xiàn)RP錨固件整體埋深較小，導(dǎo)致只有植入部分發(fā)生磚三棱柱破壞．錨固件周圍有兩邊的砌體材料很少?gòu)亩率馆^易發(fā)生磚劈裂破壞，尤其是當(dāng)植入深度較大(＞20 mm)時(shí)更易發(fā)生磚劈裂破壞．試驗(yàn)中未發(fā)生FRP束拔出或FRP與砌體剝離破壞說(shuō)明砌體中植入FRP束是一種有效的錨固方案．由于錨固件植入面較窄(240×53 mm)，因此破壞時(shí)所形成的錐體并不是圓錐而是似三棱錐，這和FRP束與混凝土試件的錨固破壞有很大區(qū)別．當(dāng)預(yù)鉆孔直徑或深度較小時(shí)，由于對(duì)砌體材料的損傷減弱從而可以阻止沿磚高度方向的通縫出現(xiàn)(圖2(a)、(c))．

2.2 錨固件制作方式對(duì)錨固強(qiáng)度的影響

針對(duì)本文所采用的三種FRP束制作方法，試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)浸折疊式FRP束的錨固強(qiáng)度最高(如圖3所示)．

圖3 FRP束制作方式與錨固強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Effects of FRP anchor type on anchorage strength

相比滾卷式FRP束，折疊式FRP束能使自由端FRP束完全展開(kāi)，由于預(yù)浸樹(shù)脂膠，這種方式能有效減少FRP束與砌體材料之間的滑移，以及折疊制作導(dǎo)致的整體性不好的問(wèn)題．因此，本文將主要分析不同參數(shù)下預(yù)浸折疊式FRP束與砌體材料的錨固性能．

2.3 錨固件參數(shù)影響分析

針對(duì)孔徑d0的影響(如圖4所示)，孔徑對(duì)錨固強(qiáng)度的影響呈非線性關(guān)系．當(dāng)孔徑較小(d0=10～12 mm)時(shí)，孔徑對(duì)錨固強(qiáng)度的影響有限，這可以歸因?yàn)榭锥大w積較小導(dǎo)致的樹(shù)脂膠含量較少．由于預(yù)浸折疊式FRP束的等效直徑(通過(guò)測(cè)量成型FRP束周長(zhǎng)求得)約為9.1 mm，因此當(dāng)孔徑d0=10 mm時(shí)，預(yù)浸折疊式FRP束較難植入孔洞．當(dāng)孔徑增大(d0=14 mm)時(shí)，錨固強(qiáng)度會(huì)明顯提升，這仍然可歸因于樹(shù)脂膠含量的增加．而且當(dāng)孔徑增加時(shí)，大部分試件的破壞都為砌體縱向和三棱柱組合裂縫模式(圖2(a)、(c)、(d))．

圖4 孔徑與錨固強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Effects of diameter on anchorage strength

針對(duì)孔深Lh的影響(如圖5所示)，孔深對(duì)錨固強(qiáng)度的影響呈線性關(guān)系，當(dāng)孔徑一致時(shí)，隨著孔深的增加，錨固強(qiáng)度隨之增大．當(dāng)孔深較淺(Lh=20 mm)時(shí)，大部分試件都不會(huì)形成貫通砌塊的通縫(圖2(a)、(c))．在試件制作時(shí)發(fā)現(xiàn)，若孔徑和孔深同時(shí)增加(如d0=14 mm，Lh=40 mm)，雖然錨固強(qiáng)度得到提升，但較易造成砌體材料破損．因此，在實(shí)際使用此錨固方案時(shí)，需要進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)以確定適合的幾何參數(shù)，或者采取中等孔徑及孔深參數(shù)，增加錨固件個(gè)數(shù)的方式達(dá)到較好的整體錨固效果．

圖5 孔深與極限荷載的關(guān)系Fig.5 Effects of hole depth on anchorage strength

FRP布寬，也即FRP束等效直徑，對(duì)錨固強(qiáng)度的影響(如圖6所示)，隨著布寬的增加，錨固強(qiáng)度得到提升，但隨著布寬的繼續(xù)增加，錨固強(qiáng)度開(kāi)始減小，這主要是因?yàn)椴紝捲黾雍螅現(xiàn)RP束直徑增大，導(dǎo)致樹(shù)脂膠含量減少，從而會(huì)導(dǎo)致錨固強(qiáng)度降低．從本次試驗(yàn)結(jié)果上分析，預(yù)鉆孔徑與等效直徑相差約4 mm時(shí)可帶來(lái)較高的錨固強(qiáng)度．因此，布寬的選擇一是要根據(jù)孔徑的大小確定，二是要考慮自由端覆蓋粘貼的面積．

圖6 FRP布寬與極限荷載的關(guān)系Fig.6 Effects of FRP width on anchorage strength

3 結(jié)論

在結(jié)構(gòu)表面植入FRP束來(lái)對(duì)外貼FRP加固系統(tǒng)進(jìn)行錨固能有效的阻止和延緩剝離破壞的發(fā)生，提升結(jié)構(gòu)的加固效果．由于砌體材料相對(duì)于混凝土材料呈現(xiàn)更明顯的脆性特征，而且其幾何尺寸相比混凝土試件有較大差異．因此本文針對(duì)FRP束與砌體材料之間的錨固性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出了如下結(jié)論：

(1) 采用預(yù)浸折疊式FRP束制作的錨固件具有較好的整體性，便于FRP束的植入，并且能產(chǎn)生較高的錨固強(qiáng)度．

(2) 在保證錨固件施工質(zhì)量的前提下，錨固系統(tǒng)的破壞全部發(fā)生在砌體材料中，主要的破壞模態(tài)為砌塊呈似三角錐破壞，縱向裂縫則和預(yù)鉆孔尺寸有關(guān)．

(3) 預(yù)鉆孔尺寸對(duì)錨固強(qiáng)度影響十分明顯，其中孔徑的影響呈非線性，孔深對(duì)強(qiáng)度的影響呈線性．從本次試驗(yàn)的結(jié)果上分析，大孔徑及大孔深能提升錨固強(qiáng)度，但過(guò)大的孔徑和孔深會(huì)對(duì)磚砌體造成一定的損傷，從而弱化了錨固強(qiáng)度，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)過(guò)早失效．因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)整體錨固性能要求選擇錨固件參數(shù)(包括孔徑、孔深、個(gè)數(shù))．

(4) FRP布寬(即FRP束等效直徑)需要根據(jù)孔徑來(lái)搭配設(shè)計(jì)．在FRP束的植入過(guò)程中，孔洞中需要一定的含膠量來(lái)保證錨固強(qiáng)度．因此，當(dāng)預(yù)鉆孔徑與等效直徑相差約為4 mm時(shí)，即可保證較高的錨固強(qiáng)度．

References

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