斜向U型箍限制混凝土保護(hù)層剝離的試驗(yàn)研究

林煊譽(yù)，付 兵，劉 鋒

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院廣州510006）

1 研究背景

將樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱“復(fù)材”）以片材的形式外貼于鋼筋混凝土梁底部（形成“復(fù)材加固鋼筋混凝土梁”），是提升其受彎承載能力（即“受彎加固”）的主流技術(shù)之一。復(fù)材加固鋼筋混凝土梁的極限承載能力通常由中部剝離破壞或者混凝土保護(hù)層剝離破壞控制[1-3]。混凝土保護(hù)層剝離以復(fù)材底板端部附近的彎剪裂縫形式進(jìn)行起裂，隨后，一條關(guān)鍵水平裂縫出現(xiàn)在復(fù)材底板端部附近、受拉縱筋高度，并沿受拉縱筋發(fā)展，最終導(dǎo)致復(fù)材底板連同混凝土保護(hù)層從梁體剝離下來[4，5]。相比于中部剝離破壞，混凝土保護(hù)層剝離的破壞過程脆性更為明顯，有時(shí)甚至在鋼筋屈服之前發(fā)生，因此，美國規(guī)范ACI 440.2R-08 和我國《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》均認(rèn)為是必須避免產(chǎn)生的破壞模態(tài)，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右韵拗芠6，7]。較為常見的錨固措施包括金屬螺栓[8]和復(fù)材U型箍[9-17]。相比于金屬螺栓，復(fù)材U 型箍施工更為便捷，耐久性能更優(yōu)越，因此，更受工程人員的青睞。目前，纖維垂直于梁軸線的豎向復(fù)材U 型箍研究和應(yīng)用較為廣泛，而纖維非90°傾斜于梁軸線的斜向復(fù)材U型箍的研究較少。Smith 和Teng[9]完成了一系列端部采用豎向U 形箍錨固的FRP 板加固梁試驗(yàn)，該試驗(yàn)的變量為U 形箍的寬度和位置。試驗(yàn)表明當(dāng)梁底面粘貼同樣長度的FRP 板時(shí)，與不設(shè)U 形箍過早發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離破壞的梁相比，增設(shè)豎向U 形箍對(duì)提升梁的承載能力作用不明顯。Khan 和Ayub[11]研究了100～200 mm 高度的U 形箍的加固效果，并且發(fā)現(xiàn)U形箍的加固效果與高度無關(guān)。除Fu B 等人[12-14]，還有少數(shù)其他學(xué)者研究了斜向U 型箍對(duì)復(fù)材剝離的影響。例如，美國學(xué)者Lee 和Lopez[15]完成了一系列復(fù)材-混凝土搭接接頭單剪試驗(yàn)，其中3 個(gè)配置了斜向U 型箍。他們發(fā)現(xiàn)，斜向U 型箍在提升復(fù)材-混凝土剝離強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于豎向U 型箍，最高提升剝離強(qiáng)度高達(dá)118%。Tajaddini 等人[17]研究復(fù)材加固鋼筋混凝土連續(xù)梁時(shí)，采用端部斜向U 型箍限制或延緩剝離破壞，從而顯著提升了加固梁的彎矩重分布能力。然而，這些研究沒有將斜向U 型箍限制混凝土保護(hù)層剝離破壞作為主要研究目的，更沒有澄清斜向U 型箍與復(fù)材底板之間的傳力機(jī)理。

通過一系列梁的試驗(yàn)，本文研究斜向U 型箍限制混凝土保護(hù)層的效果，試圖澄清配置斜向U 型箍的加固梁的破壞機(jī)理，并未后續(xù)建立相關(guān)設(shè)計(jì)方法提供試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)由3 條鋼筋混凝土梁組成，設(shè)計(jì)沒有配置斜向U 型箍的控制梁發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離破壞。試件具有相同的尺寸和配筋（見圖1），配筋情況為：在受拉區(qū)和受壓區(qū)分別配置2 根φ10 mm Ⅲ級(jí)鋼筋；為了防止該梁發(fā)生受剪破壞，沿著全梁按間距100 mm 布置18 根φ8 mm Ⅰ級(jí)箍筋。復(fù)材底板和U 型箍均由2 層纖維布（各層的名義厚度為0.333 mm）濕粘法成型。其中，復(fù)材底板長為1 100 mm，寬為100 mm。

該系列試驗(yàn)的變量為復(fù)材U 型箍的寬度?？刂圃嚰ㄔ嚰﨏B）只用復(fù)材底板進(jìn)行加固，兩端并沒有配置U 形箍，而其他2 根梁附加寬度為50 mm 或75 mm的45°U 型箍來延緩/限制混凝土保護(hù)層剝離破壞（見圖1），分別為I1L2W50 和I1L2W75。

圖1 梁的幾何尺寸Fig.1 Geometries of Test Beams

2.2 試件準(zhǔn)備

試件由同一批商品混凝土澆筑而成，在養(yǎng)護(hù)28 d后，用氣動(dòng)鑿毛器對(duì)擬粘貼復(fù)材的混凝土表面進(jìn)行處理。表面處理時(shí)，采用管接自來水對(duì)處理表面進(jìn)行濕潤，從而防止灰塵對(duì)實(shí)驗(yàn)室的污染。在貼布之前，利用高壓空氣清理貼布區(qū)域的灰塵，然后采用濕粘法將碳纖維布逐層粘貼于指定區(qū)域。將濕粘的纖維布在相對(duì)干燥的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7 d 以上，再對(duì)試件進(jìn)行加載。

2.3 材料性質(zhì)

混凝土強(qiáng)度通過150 mm×150 mm×150 mm 的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)獲得。所用立方體試件與試驗(yàn)梁由同一批商品混凝土澆筑而成，且在相同的環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。28 d 立方體抗壓強(qiáng)度24.4 MPa。φ8 mm 的Ⅰ級(jí)鋼筋的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為267 MPa 和194 GPa，φ10 mm 的Ⅲ級(jí)鋼筋的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別為420 MPa 和195 GPa。碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為3 920 MPa 和237 GPa。

2.4 試件量測

試件四點(diǎn)受彎，兩個(gè)加載點(diǎn)處分別配置液壓千斤頂進(jìn)行加載。在跨中位置、加載點(diǎn)位置以及支座位置總共布置5 個(gè)位移計(jì)，用于測量試驗(yàn)梁的撓度變化。在試件的跨中受壓區(qū)表面貼1 個(gè)長度為100 mm 的應(yīng)變片，用于測量混凝土受壓區(qū)表面應(yīng)變。加載過程中，每隔2 kN 停1 次，用于觀測和記錄裂縫信息。

復(fù)材底板和U 型箍上布置大量應(yīng)變片，用以測量其應(yīng)變分布和變化。復(fù)材底板的應(yīng)變片間距在應(yīng)變梯度較大的端部區(qū)域或加載點(diǎn)處為25 mm 或50 mm，其他區(qū)域?yàn)?00 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 混凝土保護(hù)層剝離的破壞機(jī)理

CB 梁發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離破壞。當(dāng)加載至30.18 kN 時(shí)，復(fù)材底板端部附近出現(xiàn)一條彎剪斜裂縫，并且隨著荷載的增加，彎剪裂縫變得越來越顯著。當(dāng)加載至37.14 kN 時(shí)，復(fù)材底板大部分區(qū)域的應(yīng)變隨著荷載的增加而增加。但端部附近的應(yīng)變隨著荷載增加反而減小，從而導(dǎo)致板端區(qū)域的應(yīng)變梯度處于較高水平，增加了發(fā)生混凝土保護(hù)層剝離的風(fēng)險(xiǎn)。隨著荷載的繼續(xù)增加，受拉縱筋高度出現(xiàn)了一條水平裂縫，并逐漸向跨中發(fā)展；最終在荷載增加至38.47 kN 時(shí)，混凝土保護(hù)層剝離于梁體。破壞時(shí)，復(fù)材底板的最大應(yīng)變僅為2 166 με。

通過上述試驗(yàn)觀察，混凝土保護(hù)層剝離破壞的過程可以總結(jié)為以下階段：⑴復(fù)材底板端部附近出現(xiàn)彎剪裂縫；⑵復(fù)材底板端部附近的受拉縱筋高度形成一條水平裂縫；⑶水平裂縫隨著荷載的增加沿著受拉縱筋向跨中發(fā)展；⑷水平裂縫的進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝離于梁體，以及試件的最終破壞。

3.2 斜向U 形箍的錨固效果

在配置斜向U 型箍的2 根梁（I1L2W50 和I1L2W75）中，混凝土保護(hù)層剝離破壞得到延緩或成功限制。如圖2 所示，試驗(yàn)梁I1L2W50 在斜向U 型箍發(fā)生剝離后，混凝土保護(hù)層剝離于梁體。試驗(yàn)梁I1L2W75 發(fā)生中部剝離破壞（見圖3），即U 型箍發(fā)生剝離之前，復(fù)材底板已經(jīng)發(fā)生中部剝離，但由于U 型箍的限制作用，試驗(yàn)梁還能繼續(xù)承受荷載的增加至U型箍的剝離。

圖4 是3 根試驗(yàn)梁的荷載位移曲線，其中，荷載為2 個(gè)加載點(diǎn)荷載的平均值，位移值是跨中撓度，即跨中位移減去支座沉降?？刂屏篊B 的極限荷載和極限位移分別為38.47 kN 和5.08 mm。通過使用斜向U形箍，試件I1L2W50 的極限荷載和極限位移得到了明顯的增加，分別為77.65 kN 和12.24 mm，而試件I1L2W75 的這2 個(gè)指標(biāo)得到了更明顯的增加，分別為98.96 kN 和14.94 mm。相對(duì)于控制梁CB，I1L2W50 和I1L2W75 的極限承載力提高了101%和157%；極限位移提高了141%和194%。

圖3 I1L2W75 的破壞模態(tài)Fig.3 Failure Mode of I1L2W75

圖4 荷載位移曲線Fig.4 Load-deflection Curves of Beams

3 根試驗(yàn)梁破壞時(shí)的復(fù)材底板的應(yīng)變分布如圖5所示?？刂屏篊B 在破壞時(shí)的最大應(yīng)變是2 166 με；而配置斜向U 型箍的2 根試驗(yàn)梁破壞時(shí)的最大應(yīng)變分別為6 149 με 和10 581 με，相比于控制試件，分別提高了184%和389%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，斜向U 型箍能夠顯著提升復(fù)材底板的破壞應(yīng)變，且隨著斜向U 形箍的寬度增加，提升效果越明顯。

4 結(jié)論

⑴45°斜向U 型箍能夠有效地限制復(fù)材底板端部的彎剪裂縫和水平裂縫的發(fā)展，從而有效地延緩或限制住混凝土保護(hù)層剝離破壞的發(fā)生。

圖5 I1L2W75 試件FRP 底板應(yīng)變分布曲線Fig.5 Strain Distributions over the FRP Soffit Plate

⑵45°斜向U 型箍能夠顯著提升復(fù)材加固鋼筋混凝土梁的極限承載能力、變形能力和復(fù)材底板的強(qiáng)度利用率。使用一條寬度為50 mm 和75 mm 的U 型箍能夠提升極限承載能力高達(dá)104%和160%，提升破壞時(shí)跨中位移141%和194%，以及提升破壞時(shí)復(fù)材底板最大應(yīng)變184%和389%。

⑶斜向U 型箍是一種施工便捷、耐久性優(yōu)越、能經(jīng)濟(jì)有效地限制復(fù)材加固鋼筋混凝土梁混凝土保護(hù)層剝離破壞的錨固措施，具有很好的工程推廣前景。