FRP筋材嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力研究

郭衛(wèi)彤 蘇建遙 徐永峰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

FRP筋材嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力研究

郭衛(wèi)彤 蘇建遙 徐永峰

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

在FRP筋材嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)的受彎承載力試驗中，發(fā)現(xiàn)部分梁由于抗剪能力不足，在受彎未達(dá)到破壞時發(fā)生了抗剪承載力不足的破壞，基于此文對FRP筋材嵌入式加固混凝土抗剪承載力進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗研究，發(fā)現(xiàn)抗剪區(qū)域嵌入式布置FRP筋材能有效提高混凝土的抗剪承載力，加固區(qū)域破壞遵循混凝土抗剪破壞的規(guī)律，加固承載力受混凝土強(qiáng)度和加固體與混凝土界面的面積影響較大.

FRP；結(jié)構(gòu)加固；抗剪承載力

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、抗磁性、電絕緣性、良好的抗疲勞、等性質(zhì)及施工方便等優(yōu)點，使得FRP筋材正在被越來越多地應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)加固中[1-3].在FRP筋材嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)的受彎承載力試驗中，結(jié)構(gòu)承載力得到了較為明顯的提高.在試驗過程中發(fā)現(xiàn)部分梁由于抗剪能力不足，在受彎未達(dá)到破壞時發(fā)生了抗剪承載力不足的破壞，基于此本文對FRP筋材嵌入式加固混凝土抗剪承載力進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗研究.

1 試件設(shè)計

我們以抗彎試驗試件為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行改造，去掉抗剪區(qū)域的箍筋，只保留抗彎區(qū)域和支座附近的箍筋以削弱其抗剪能力，之后在抗剪區(qū)域外側(cè)進(jìn)行斜向FRP嵌入式加固，完成抗剪加固試件的設(shè)計工作.如圖1、圖2所示.混凝土為C20、?7.4和?11.5 FRP筋材，試件尺寸為長×寬×高為2200×150×200 mm，受拉區(qū)和受壓區(qū)分別配置2?12鋼筋，受拉區(qū)按不同位置開槽配置兩根FRP筋，開槽寬度分別根據(jù)不同F(xiàn)RP直徑為10 mm和15 mm，具體開槽位置見各試件編號表1-1所示.

本次試驗共計設(shè)計采用五根試驗梁，其中KJL1為基礎(chǔ)試件，用于對比，KJL2和KJL3相同，KJL4和KJL5相同，分別按照不同的開槽寬度嵌入直徑為7.4 mm和11.5 mm的FRP筋材.

圖1 試件配筋構(gòu)造示意圖

圖2 試件斜向加固嵌入位置示意圖

試件編號開槽寬度(mm)槽間凈距(mm)FRP直徑(mm)KJL1無無無KJL2101007.4KJL3101007.4KJL41510011.5KJL51510011.5

2 試驗現(xiàn)象與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

KJL1試驗現(xiàn)象：

首先對基礎(chǔ)試件KJL1進(jìn)行加載試驗，并通過加載設(shè)備自動記錄相對時間點的加載值.加載示意圖如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖3 加載示意圖 圖4 KJL1加載數(shù)據(jù)圖

KJL1試驗開始后，如圖2-2所示，隨著時間的推移，荷載逐漸增加，增加速率接近于線性.當(dāng)荷載達(dá)到77.87 KN時，荷載突然出現(xiàn)斷崖式下滑，此時混凝土梁抗剪區(qū)域發(fā)生開裂，之后荷載開始慢慢的降低，說明試件已經(jīng)破壞.在整個加載過程中，破壞形式基本為脆性破壞.在試件梁的受剪區(qū)域出現(xiàn)明顯的剪切裂縫.

KJL1最終破壞荷載為77.87 KN，相比于KWL3極限破壞荷載141 KN，由于抗剪區(qū)域箍筋的欠缺，導(dǎo)致其承載力接近腰斬.

KJL2試驗現(xiàn)象：

對基礎(chǔ)試件KJL2進(jìn)行加載試驗，并通過加載設(shè)備自動記錄相對時間點的加載值.試驗數(shù)據(jù)如圖5所示.

試件KJL2在試驗開始后，荷載增加較快，前期增加成線性增長.荷載增加到115 KN時，出現(xiàn)一個長期的平臺，在115 KN左右小幅度振動，振幅約為5 KN,在這個過程中出現(xiàn)最大峰值為119.8 KN.隨著時間的繼續(xù)推進(jìn)，在相對時間達(dá)到540時，荷載出現(xiàn)斷崖式急速下跌，試件發(fā)生破壞.破壞極限荷載值119.8 KN，試件破壞為延性破壞.破壞過程中首先在受拉區(qū)域出現(xiàn)受彎裂縫，隨著進(jìn)一步加載，在抗剪加固區(qū)開始出現(xiàn)垂直于加載FRP筋材的裂縫.隨著時間推移，斜裂縫逐漸貫通合并，部分抗剪加固筋材在膠體和混凝土界面出現(xiàn)拉裂，脫開，抗剪能力開始喪失，試件完全破壞.KJL2極限荷載為119.8 KN，相比于KJL1最終破壞荷載為77.87 KN增加明顯，但是相比于KWL3極限破壞荷載141 KN，由于抗剪區(qū)域加固用FRP筋材較早的被拉拔脫開，加固后承載力提高雖然明顯，但是仍然沒有達(dá)到原梁141 KN的破壞荷載.

KJL3試驗現(xiàn)象：

對基礎(chǔ)試件KJL3進(jìn)行加載試驗，并通過加載設(shè)備自動記錄相對時間點的加載值.試驗數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖5 KJL2加載數(shù)據(jù)圖 圖6 KJL3加載數(shù)據(jù)圖

試件KJL3在試驗開始后，荷載開始較快增長，前期增加成線性增長.荷載增加到115.9 KN時，開始下降.之后開始在85 KN左右以小振幅振動，在加載曲線上形成一個平臺，試件梁進(jìn)入延性階段，直到最后破壞.破壞過程同KJL2類似，首先在受拉區(qū)域出現(xiàn)受彎裂縫，隨著進(jìn)一步加載，在抗剪加固區(qū)開始出現(xiàn)垂直于加載FRP筋材的裂縫.隨著時間推移，斜裂縫逐漸貫通合并，部分抗剪加固筋材在膠體和混凝土界面出現(xiàn)拉裂，脫開，抗剪能力開始喪失，同時，在試件的上側(cè)受壓區(qū)發(fā)生了混凝土壓碎現(xiàn)象，試件完全破壞.

KJL3極限荷載為115.9 KN，相比于KJL1最終破壞荷載為77.87 KN增加明顯，接近于KJL2的119.8 KN，但是相比于KWL3極限破壞荷載，由于抗剪區(qū)域加固用FRP筋材較早的被拉拔脫開，加固后承載力提高雖然明顯，但是仍然沒有達(dá)到原梁破壞荷載.

KJL4試驗現(xiàn)象：

對基礎(chǔ)試件KJL4進(jìn)行加載試驗，并通過加載設(shè)備自動記錄相對時間點的加載值.試驗數(shù)據(jù)如圖7所示.

圖7 KJL4加載數(shù)據(jù)圖

試件KJL4在試驗開始后，荷載開始較快增長，前期增加成線性增長.荷載增加到140.59 KN時，開始下降.之后開始在80 KN左右以小振幅振動，在加載曲線上形成一個平臺，試件梁進(jìn)入延性階段，直到最后破壞.破壞過程同KJL2和KJL3類似，首先在受拉區(qū)域出現(xiàn)受彎裂縫，隨著進(jìn)一步加載，在抗剪加固區(qū)開始出現(xiàn)垂直于加載FRP筋材的裂縫.隨著時間推移，斜裂縫逐漸貫通合并，部分抗剪加固筋材在膠體和混凝土界面出現(xiàn)拉裂，脫開，抗剪能力開始喪失，同時，在試件的上側(cè)受壓區(qū)發(fā)生了混凝土壓碎現(xiàn)象，試件完全破壞.

KJL4極限荷載為140.59 KN,相比于KJL1最終破壞荷載為77.87 KN增加明顯，高于KJL2的119.8 KN和KJL3的115.9 KN，基本和KWL3相同.考慮原因是抗剪破壞多形式多發(fā)為抗剪FRP筋材膠體材料與混凝土界面發(fā)生剪切破壞，KJL4相比于KJL2和KJL3開槽寬度較大，故KJL4較之于KJL2和KJL3極限荷載也較大.

KJL5試驗現(xiàn)象：

對基礎(chǔ)試件KJL5進(jìn)行加載試驗，并通過加載設(shè)備自動記錄相對時間點的加載值.試驗數(shù)據(jù)如圖8所示.

試件KJL5在試驗開始后，荷載同樣呈現(xiàn)出線性增長.在達(dá)到最大值136.61 KN后，荷載先是發(fā)生了陡降，之后開始緩慢下降.試驗結(jié)束時，施加荷載下降到約70 KN，試件梁進(jìn)入延性階段，直到最后破壞.破壞過程首先在受拉區(qū)域出現(xiàn)受彎裂縫，隨著進(jìn)一步加載，在抗剪加固區(qū)開始出現(xiàn)垂直于加載FRP筋材的裂縫.隨著時間推移，斜裂縫逐漸貫通合并，部分抗剪加固筋材在膠體和混凝土界面出現(xiàn)拉裂，脫開，抗剪區(qū)混凝土剪切開裂，抗剪能力開始喪失，試件完全破壞.

KJL5極限荷載為136.61 KN，相比于KJL1最終破壞荷載為77.87 KN增加明顯，高于KJL2的119.8 KN和KJL3的115.9 KN，基本同KWL3和KJL4接近.考慮原因是抗剪破壞多形式多發(fā)為抗剪FRP筋材膠體材料與混凝土界面發(fā)生剪切破壞，KJL4和KJL5相比于KJL2和KJL3開槽寬度較大，故KJL4和KJL5較之于KJL2和KJL3極限荷載也較大.

2.2 試驗結(jié)果分析

在抗剪加固試驗中，各梁最終都發(fā)生了破壞，最終的破壞形式均為受剪破壞，并伴隨有正彎矩受拉區(qū)拉裂破壞.受剪破壞KJL2-KJL5的破壞形式都伴隨有混凝土的拉裂和壓碎，同時FRP筋材與混凝土相接觸的截面發(fā)生剪切破壞，F(xiàn)RP筋材與混凝土脫離.試件KJL2-KJL5相比于KJL1在承載力方面都有了明顯的提高，各極限荷載整理如圖9所示.

圖8 KJL5加載數(shù)據(jù)圖 圖9 極限荷載對比圖

根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，KJL2和KJL3，KJL4和KJL5的破壞荷載分別接近，且KJL4和KJL5接近于原抗彎梁KWL3.破壞形式多是由抗剪區(qū)域混凝土開裂開始，繼而拉力開始有加固FRP筋材承擔(dān)，最終FRP筋材拉拔同混凝土玻璃破壞，期間伴有混凝土的劈裂，壓碎等現(xiàn)象.故加固效果受混凝土強(qiáng)度和接觸截面的面積大小影響較大.KJL4和KJL5相比于KJL2和KJL3極限荷載增大，也說明了這一點.

3 結(jié) 論

(1)通過試驗發(fā)現(xiàn)，在混凝土梁出現(xiàn)抗剪承載力不足時，在抗剪區(qū)域嵌入式布置FRP筋材能有效提高混凝土的抗剪承載力.

(2)加固區(qū)域破壞遵循混凝土抗剪破壞的規(guī)律，在混凝土開裂退出工作后，加固區(qū)FRP筋材很好的承擔(dān)了抗剪區(qū)域的拉應(yīng)力，最終破壞形式為FRP筋材在與混凝土相連的界面發(fā)生破壞.

(3)加固承載力受混凝土強(qiáng)度和加固體與混凝土界面的面積影響較大.

[1]葉列平,馮鵬.FRP在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木工程學(xué)報,2006,(03):24～36

[2]孫秀紅,徐向東,徐茂波.影響FRP基本力學(xué)性能的因素[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報,2005,(02):18～23

[3]李榮,滕錦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域—嵌入式(NSM)加固法[J].工業(yè)建筑,2004,(04):5～10

Research on the Shear Capacity of Reinforced Concrete Beams with FRP

GUOWei-tong,SUJian-yao,XUYong-feng

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Heibei,075000,China)

During the flexural bearing capacity experiment of concrete structure with embedded FRP reinforcement material,part of the beam is damaged due to insufficient shear capacity without achiving its bending damage extreme.Based on a further experiment of shear capacity of concrete structure with embedded FRP reinforcement material,this article indicates that,to embed FRP reinforcement material in the shear area of the concrete can improve the concrete shear bearing capacity complying with the laws of concrete shear destruction,and that the concrete strength and the rate area of the reinforcement material have a great influence on the concrete reinforcement bearing capacity.

FRP；structure reinforcement；the shear capacity

2016-12-20

河北省交通運輸廳科學(xué)技術(shù)項目(Y-2012051)

郭衛(wèi)彤(1965-)，女，副教授.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.008

TU 4

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