玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪正交試驗(yàn)研究

周 安,朱 寧,蘇小龍,沈凱凱

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪正交試驗(yàn)研究

周 安1,2,朱 寧1,蘇小龍1,沈凱凱1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230009)

文章針對(duì)鋼筋混凝土梁,采用玄武巖纖維布進(jìn)行抗剪承載力加固研究,運(yùn)用正交試驗(yàn)法,選擇L9(34)正交表,考慮配箍率、條帶寬度、條帶間距及纖維布種類4個(gè)因素,設(shè)計(jì)制作了9個(gè)試件。研究表明,玄武巖纖維布加固后梁的抗剪承載力平均提高34%,是碳纖維布加固效果的73%;纖維布條帶越寬、間距越小,梁的抗剪承載力提高得越多。

玄武巖纖維布;鋼筋混凝土梁;正交試驗(yàn);抗剪承載力

玄武巖纖維是我國(guó)自主研發(fā)的一種能自然降解的新型環(huán)保纖維材料,它是以火山爆發(fā)形成的一種玻璃態(tài)的玄武巖礦石為原料,經(jīng)粉碎、高溫熔融后,通過(guò)鉑銠合金漏板拉伸形成的。與其他類型的纖維材料相比,玄武巖纖維的優(yōu)越性[1-4]有:① 相對(duì)高的抗拉比強(qiáng)度；② 高耐腐蝕性與化學(xué)穩(wěn)定性；③ 高熱穩(wěn)定性；④ 與樹脂有很好的親和力；⑤ 原料開采方便、儲(chǔ)量豐富；⑥ 價(jià)格低廉。因此，玄武巖纖維有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，它為加固領(lǐng)域提供了新的發(fā)展空間。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

(1) 混凝土強(qiáng)度。試件采用的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,試驗(yàn)預(yù)留試塊28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=34.5 MPa。

(2) 鋼筋力學(xué)性能?；炷亮褐锌v筋采用HRB400級(jí)鋼筋,箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋,鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)性能見表1所列。

表1 鋼筋力學(xué)性能 MPa

(3) 纖維布性能。根據(jù)纖維布拉伸試驗(yàn),測(cè)得的玄武巖纖維布(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)主要力學(xué)性能見表2所列。

表2 纖維布力學(xué)性能

由表2數(shù)據(jù)可知,2種纖維布材料強(qiáng)度均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取值[5],這可能是由于材料本身強(qiáng)度不夠、試驗(yàn)機(jī)數(shù)值有誤差等造成的。

1.2 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及配筋

表3 因素水平表

注：條帶寬度、條帶間距的單位為mm。

1.3 加載方案

試驗(yàn)采用單調(diào)靜力加載方案[6]。正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載,使構(gòu)件進(jìn)入正常工作狀態(tài),然后分級(jí)加載,每級(jí)加載穩(wěn)定一段時(shí)間,讓構(gòu)件在荷載作用下充分發(fā)展變形,待基本穩(wěn)定后觀察混凝土裂縫開展情況。試驗(yàn)后期,隨著構(gòu)件的臨界裂縫急劇開展,液壓千斤頂繼續(xù)施加壓力,但力傳感器的讀數(shù)不再增加甚至減小,構(gòu)件已經(jīng)不能承受荷載,此時(shí)可以認(rèn)為構(gòu)件失效。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示,實(shí)際加載裝置如圖3所示。

圖2 加載裝置圖

圖3 實(shí)際加載裝置圖

1.4 加固粘貼方式

試驗(yàn)6根加固梁粘貼纖維布層數(shù)均為1層,加固方式都采用U形條帶+壓條,條帶寬度為100、80、50 mm,條帶間距為150、100、50 mm,各構(gòu)件的加固形式如圖4所示。

圖4 梁受剪加固粘貼形式

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 破壞形態(tài)

3根未加固梁的破壞形式均為斜壓破壞。加固梁的破壞形式[7-9]為纖維布剝離之后立即發(fā)生斜壓破壞。在剪彎區(qū)邊緣出現(xiàn)一些垂直裂縫,它們沿豎向延伸一小段長(zhǎng)度后,便斜向延伸形成一些斜裂縫,而后又產(chǎn)生一條貫穿的主要斜裂縫。加載前期,在纖維布的抑制作用下斜裂縫發(fā)展緩慢;加載后期,纖維布開始剝離,斜裂縫迅速延伸,剪彎區(qū)混凝土破壞,斜截面喪失承載能力,加固梁發(fā)生剝離破壞。

試件破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 破壞形態(tài)

2.2 抗剪承載力

各試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表4所列。

表4中數(shù)據(jù)(579,580,606)反映了配箍率對(duì)極限承載力的影響。該組數(shù)據(jù)表明,配箍率對(duì)極限承載力的影響不大。

數(shù)據(jù)(612,581,573)反映了條帶寬度對(duì)極限承載力的影響。該組數(shù)據(jù)表明,加固試件的條帶越寬,梁的極限承載力越大。

數(shù)據(jù)(546,608,612)反映了條帶間距對(duì)極限承載力的影響。該組數(shù)據(jù)表明,條帶間距越小,梁的極限承載力越大。

數(shù)據(jù)(465,621,680)反映了纖維布種類對(duì)極限承載力的影響。與未加固梁相比,玄武巖纖維布加固梁的極限承載力提高了34%,碳纖維布加固梁的極限承載力提高了46%。

極差(27,39,66,215)反映了4個(gè)因素對(duì)極限承載力的影響大小。該組數(shù)據(jù)表明,影響加固梁抗剪性能的因素主次順序?yàn)槔w維布種類、條帶間距、條帶寬度、配箍率。

表4 抗剪正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)與極差分析

注：條帶寬度、條帶間距的單位為mm,R為極差。

2.3 荷載-跨中撓度曲線

各梁的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。

圖6 荷載-撓度曲線

從圖6可以看出,加載前期,在相同荷載下各梁的撓度基本相同。試件開裂以后,由于內(nèi)力重分布,梁的剛度衰減,曲線斜率減小,并且通過(guò)相同配筋的梁之間的比較得知,加固梁的撓度均比未加固梁的撓度小,這是因?yàn)槔w維布可以有效地延緩斜裂縫的發(fā)展,從而提高梁的跨中撓度[10]。加載后期,撓度曲線突降,梁的破壞形式表現(xiàn)為脆性。從圖6可以得出結(jié)論:用玄武巖纖維布和碳纖維布加固均可以提高梁的變形能力,但在相同荷載下,用玄武巖纖維布加固比用碳纖維布加固梁的撓度大。

2.4 荷載與斜裂縫寬度的關(guān)系

各試件在同級(jí)荷載下的斜裂縫寬度見表5所列。

表5 斜裂縫寬度 mm

由表5可知,斜裂縫寬度隨著配箍率的增大而減小,由于配箍率的增加,箍筋對(duì)混凝土的約束力提高,從而限制斜裂縫的進(jìn)一步發(fā)展;玄武巖纖維布和碳纖維布均能很好地限制斜裂縫的發(fā)展,但碳纖維布的效果更好。

2.5 纖維布應(yīng)變的分析

試驗(yàn)梁L2、L3測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置圖

(1) 玄武巖纖維布的應(yīng)變分析。① 荷載很小時(shí),玄武巖纖維布的應(yīng)變也很小,隨著荷載增加,荷載-應(yīng)變曲線斜率開始發(fā)生變化,最先發(fā)生應(yīng)變突增的是位于支座到加載點(diǎn)連線上的點(diǎn);② 相同荷載作用下,各條玄武巖纖維布條帶的應(yīng)變值相差較大,這與斜裂縫是否穿過(guò)纖維布條帶有關(guān),與斜裂縫相交的玄武巖纖維布的應(yīng)變大,遠(yuǎn)離斜裂縫的玄武巖纖維布應(yīng)變較小;③ 因?yàn)榧庸虡?gòu)件最后都發(fā)生剝離破壞,所以玄武巖纖維布不能充分發(fā)揮作用。

(2) 同一條玄武巖纖維布應(yīng)變分布規(guī)律。梁L2上各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變發(fā)展情況如圖8所示。

圖8 L2第2條纖維布各測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線

由圖8可知,應(yīng)變值在裂縫附近較大,并依次向兩端遞減。測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5距離主裂縫較近,其應(yīng)變值大;測(cè)點(diǎn)3距離主裂縫較遠(yuǎn),其應(yīng)變值比測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5處的應(yīng)變值小;測(cè)點(diǎn)6距離主裂縫最遠(yuǎn),其應(yīng)變值也最小。由此可以得出結(jié)論:玄武巖纖維布條帶上距離主裂縫較近的纖維布能更好地發(fā)揮強(qiáng)度,較遠(yuǎn)處發(fā)揮作用較小。

(3) 玄武巖纖維布和碳纖維布應(yīng)變對(duì)比分析。試驗(yàn)梁L2上測(cè)點(diǎn)4和L3上測(cè)點(diǎn)8應(yīng)變對(duì)比情況如圖9所示。

圖9 L2測(cè)點(diǎn)4、L3測(cè)點(diǎn)8的荷載-應(yīng)變曲線

取箍筋間距相同、應(yīng)變片位置類似的試驗(yàn)梁L2測(cè)點(diǎn)4和L3測(cè)點(diǎn)8進(jìn)行分析,可以看出用玄武巖纖維布加固的梁L2先發(fā)生應(yīng)變突增,由此可知玄武巖纖維布對(duì)斜裂縫的限制效果沒(méi)有碳纖維布好。荷載較小時(shí),2種纖維布的應(yīng)變都很小,荷載增大到裂縫出現(xiàn)后,纖維布的應(yīng)變突增,但可以發(fā)現(xiàn)在配箍率相同的條件下,荷載相同時(shí),用玄武巖纖維布加固的L2的應(yīng)變小于用碳纖維布加固的L3的應(yīng)變。

3 結(jié) 論

(1) 在剝離破壞情況下玄武巖纖維布加固后混凝土梁的抗剪承載力平均提高34%,是碳纖維布加固效果的73%。

(2) 加固梁的剪切破壞均緣于玄武巖纖維布的剝離,玄武巖纖維布尚未達(dá)到其材料抗拉強(qiáng)度。

(3) 2種纖維布加固梁的開裂剪力基本相同,但玄武巖纖維布加固梁的裂縫寬度大于碳纖維布加固梁。

安徽夢(mèng)谷纖維材料科技有限公司在試件制作中提供大力支持,在此表示衷心感謝!

[1] RAHIMI H,HUTCHINSON A.Concrete beams strengthened with externally bonded FRP plates[J].Journal of Composites for Construction,2001,5(1):44-56.

[2] UEDA T,YAMAGUCHI R,SHOJI K,et al.Study on behavior in tension of reinforced concrete members strengthened by carbon fiber sheets[J].Journal of Composites for Construction,2002,6(3):168-174.

[3] 謝爾蓋,李中郢.玄武巖纖維材料的應(yīng)用前景[J].纖維復(fù)合材料,2003(3):17-20.

[4] 李志強(qiáng),麻建鎖,李艷芳,等.玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù),2010,41(3):248-250.

[5] 中冶建筑研究總院有限公司.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范:GB 50608—2010[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010:10-30.

[6] 歐陽(yáng)煜,張?jiān)瞥?李翔.玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2009,39(1):134-137.

[7] 孫衍英,劉伊琳,胡海濤.玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的研究[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(1):29-32.

[8] 董江峰,王清遠(yuǎn),朱艷梅,等.外貼纖維布加固鋼筋混凝土梁的抗剪試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2010,42(5):197-203.

[9] 黃知花,林家波,陸佳炯,等.剪跨比對(duì)BFRP筋混凝土梁抗剪性能影響的研究[J].臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào),2013,35(3):43-47.

[10] 歐陽(yáng)煜,黃亦輝,錢在茲.玻璃纖維片材加固混凝土梁的抗剪試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(10):46-49.

ResearchonshearcapacityofRCbeamsstrengthenedwithBFRPsheetsbyorthogonaltest

ZHOU An1,2,ZHU Ning1,SU Xiaolong1,SHEN Kaikai1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

A study of strengthening shear capacity using basalt fiber reinforced polymer(BFRP) sheets for the reinforced concrete(RC) beam is proposed. Orthogonal test method is used and L9(34) orthogonal table is chosen. Nine specimens are designed and fabricated by considering four influencing factors, which are stirrup ratio, striation width, striation spacing and fiber sheet type. The results show that the shear capacity, on average, increases 34% by applying BFRP sheets on the beam, and the shear capacity is 73% of that obtained by using CFRP. The shear capacity of the beam can be more improved as the fiber sheet striation is wider and the striation spacing is smaller.

basalt fiber reinforced polymer(BFRP) sheet; reinforced concrete(RC) beam; orthogonal test; shear capacity

2015-03-23；

2015-05-11

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL14)

周 安(1964-),男,安徽績(jī)溪人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.016

TU375.1

A

1003-5060(2017)11-1515-05

(責(zé)任編輯 張淑艷)