帶U型箍的FRP板-混凝土搭接接頭單剪試驗研究

涂 強，劉 鋒，付 兵，湯顯廷

（廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院 廣州 510006）

1 研究背景

纖維增強復合材料（FRP）因具有輕質(zhì)、高強、耐腐及施工便捷等優(yōu)點，因此外貼FRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)在全世界得到廣泛的使用［1］。使用復材加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中主要出現(xiàn)混凝土保護層剝離與復材底板端部附近的彎剪裂縫形發(fā)展，最終導致混凝土保護層剝離破壞。因此，現(xiàn)有試驗主要是針對各種剝離破壞模態(tài)進行設計，目前所完成的試驗研究出現(xiàn)的破壞模態(tài)主要為混凝土保護層剝離破壞［2-4］。

其中，F(xiàn)RP 加固鋼筋混凝土梁通常以混凝土保護層剝離或中部裂縫剝離的模態(tài)破壞而失效。因此，F(xiàn)RP與混凝土之間的粘結(jié)強度是控制FRP 加固結(jié)構(gòu)中各種形式破壞模態(tài)的關(guān)鍵因素。目前有大量關(guān)于FRP 與混凝土粘結(jié)強度的試驗及理論工作正在進行?，F(xiàn)有的試驗工作包括使用單剪試驗［5-9］、雙剪試驗［10］及 FRP加固鋼筋混凝土梁試驗［11］。

現(xiàn)有的研究認為，在剪切試驗中FRP 與混凝土之間的主要破壞模態(tài)是混凝土在受剪狀態(tài)下的開裂，通常發(fā)生在混凝土粘結(jié)面。因此，粘結(jié)強度（即極限載荷）通常取決于混凝土強度，此外，F(xiàn)RP 與混凝土構(gòu)件的寬度比也有一定的影響［12］。但是，由于實際應用中所需加固的構(gòu)件混凝土強度并不高，會導致外貼FRP的利用效率較低，構(gòu)件破壞時FRP 的應變僅為極限應變值的20%～40%，未能充分利用FRP 的性能。因此，為了限制FRP 的剝離以提高其利用率，有學者提出使用機械錨固的方式，例如嵌入金屬線［13］、鋼釘板（也稱混合粘貼）［14］、FRP 錨具［15］。

但是上述幾種機械錨固方式存在施工復雜、金屬材料耐腐蝕性差等缺點，因此，Smith 等人［16］提出在FRP 底板附加垂直的U 型箍加固鋼筋混凝土梁的試驗方案，其試驗變量為U 型箍的寬度和位置。試驗結(jié)果表明，附加了垂直U 型箍的試件與對比試件（僅有FRP 底板）的極限承載能力相近，效果不明顯。

因此，我們提出在FRP 板端附加不同角度斜向U型箍的想法，希望通過改變U 型箍角度能有效限制FRP 底板的剝離，以提高極限承載能力和FRP 的利用率。通過一系列使用不同角度U 型箍的單剪試驗研究FRP 底板與斜向U 型箍的傳力機理，提出一個U 型箍設計模型用于FRP 加固鋼筋混凝土梁的模擬中，以及找到U 型箍最優(yōu)傾斜角度用于實際工程中。

2 試驗方案

2.1 試件設計

本試驗采用近端支撐單剪實驗方式，一共有6 個混凝土試件。試件尺寸為長700 mm、寬220 mm、高300mm，受拉直板粘貼在混凝土試塊上的長度為400mm，在混凝土塊邊緣留空50 mm。如圖1所示，L1為受拉直板的寬度，L2為U 型箍寬度，L3為U 型箍的粘貼長度。試件尺寸設計主要考慮受拉直板在混凝土基底上以及U 型箍的粘結(jié)長度超過有效粘結(jié)長度。受拉直板采用FRP 預制板，U 型箍為FRP 布用環(huán)氧樹脂浸潤采用濕粘法進行粘貼。

圖1 試件尺寸Fig.1 Size of Specimen

試驗變量為U 型箍的傾斜角度，具體設計方案如表1所示?？刂圃嚰H有受拉直板，直板寬度為50 mm，命名為“CB1”。字母“I”表示 U 型箍的角度，字母“P”為U 型箍層數(shù)，字母“L”表示 U 型箍粘貼長度；字母“W”為U 型箍寬度，本批試驗U 型箍寬度均為75 mm；字母“C”為混凝土試塊倒角半徑，本批試驗倒角半徑均為25 mm。以試件“I45P2W75L250C25”為例，該試件U型箍為2層，角度為45°，寬度為75 mm，粘貼長度為250 mm，混凝土試件倒角半徑為25 mm。

表1 試件設計Tab.1 Specimens Design

2.2 材料性能

本試驗采用同一批次的商品混凝土澆筑所有試件，且置于相同養(yǎng)護條件進行養(yǎng)護，通過標準立方體（150 mm×150 mm×150 mm）抗壓強度試驗測得28 d立方體抗壓強度為23.9 MPa。

受拉直板使用的材料為CFRP 預制板，名義厚度為1.2 mm，極限抗拉強度和彈性模量分別為2 281 MPa和159 GPa。U 型箍采用的材料為CFRP 布，名義厚度為0.167 mm，極限抗拉強度和彈性模量分別為3 935 MPa和253 GPa。

2.3 試件準備

粘貼FRP 之前需要對混凝土試件表面進行鑿毛處理，用鑿毛機對混凝土試件粘貼區(qū)表面處理，直至在粘貼區(qū)表面見到骨料。用砂紙打磨FRP 預制板粘貼面，使FRP 預制板表面有一定的粗糙度，提高其粘貼能力。粘貼FRP 預制板前，需在經(jīng)過鑿毛處理的受拉直板粘貼區(qū)域涂刷一層1～2 mm 厚的環(huán)氧樹脂膠（Sika330），F(xiàn)RP 預制板粘貼面刷一層厚度約為2 mm 的環(huán)氧樹脂，粘貼時輕微用力擠壓，將混凝土與FRP 預制板界面處的氣泡排出。FRP 預制板粘貼后在干燥環(huán)境中養(yǎng)護1 d。然后采用濕粘法將CFRP 布逐層交錯粘貼于指定區(qū)域。粘貼完成后將試件放置在干燥環(huán)境下養(yǎng)護至少7 d 再進行加載。

2.4 試件測量方案

受拉直板沿著應力方向布置規(guī)格為20 mm 的應變片，應變片間距為40 mm，在U 型箍搭接處布置3個應變片，兩側(cè)應變片距離邊緣10 mm；U 型箍應變片布置沿著FRP 絲方向布置。在受拉直板加載端與混凝土基底交界處布置位移傳感器（LVDT），用于測量FRP 板的受拉方向總位移，如圖2所示。

圖2 應變片布置方案Fig.2 Arrangement of Strain Gauge

2.5 試件加載方案

加載在特定的單剪試驗裝置上進行，試件由混凝土試塊、受拉直板及U 型箍3 部分組成。通過裝置中的夾具夾緊受拉直板，在受拉端用千斤頂施加拉力。該裝置可以調(diào)整夾具高度，使得FRP 受拉直板與拉桿處于同一水平軸線。如圖3所示，加載過程由手動液壓千斤頂施加荷載，采用力控制，加載速率為1 kN/min；在千斤頂一端布置力傳感器，用于測量拉力大小；試驗過程中荷載、應變、位移均連接采集儀（TDS-530 型）由計算機自動采集。

圖3 加載裝置Fig.3 Load Set-up

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 破壞模態(tài)

試驗結(jié)果表明：使用傾斜角為銳角U 型箍的試件能不同程度地提高試件承載力與FRP 受拉直板的利用率；使用傾斜角為直角的U 型箍試件可以提高試件的延性，但是承載力提高不明顯；使用傾斜角為鈍角的U 型箍試件作用并不明顯。

6個試件中出現(xiàn)了以下4 種破壞模態(tài)：①受拉直板剝離破壞（CB1）；②U型箍剝離破壞（I45P2W75L250C25與I30P2W75L250C25）；③受拉直板與U 型箍搭接區(qū)剝離破壞（I60P2W75L250C25）；④U型箍撕裂破壞（I90P2W75L250C25 與I135P2W75L250C25），各種破壞模態(tài)如圖4所示。使用U 型箍加固的試件均先出現(xiàn)受拉直板的剝離，隨后由U 型箍繼續(xù)受力，直至出現(xiàn)最終破壞模態(tài)。

圖4 最終破壞模態(tài)Fig.4 Ultimate Failure Models

3.2 U型箍傾斜角度對FRP板與混凝土基底粘結(jié)性能的影響

在受拉直板端部附加不同傾斜角度的斜向U 型箍對試件的極限承載力、延性以及復材利用率等方面的影響呈現(xiàn)如下規(guī)律：U 型箍長度、寬度、厚度均一致的條件下，傾斜角為銳角的U 型箍對試件的極限承載力影響較大，其中傾斜角為45°的FRP 斜向U 型箍效果最佳；傾斜角為直角的U 型箍提高試件極限承載力不明顯，但由于在受拉直板剝離后U 型箍會有一定變形形成銳角，因此該試件的荷載唯一曲線會有2 段上升階段；傾斜角為鈍角的U 型箍對試件極限承載力與延性的提升均不明顯。荷載位移曲線如圖5所示。

圖5 荷載位移曲線Fig.5 Load-displacement Curves

對比控制試件CB1（極限承載力為24.03 kN，破壞時位移為3.37 mm）；試件I30P2W75L250C25 的極限承載力為56.43 kN（相比控制試件提高了135.41%），破壞時位移為8.02 mm（是控制試件的2.38 倍）；試件I45P2W75L250C25 的極限承載力為70.24 kN（相比控制試件提高了192.30%），破壞時位移為12.89 mm（是控制試件的的3.82 倍）；試件I60P2W75L250C25 的極限承載力為62.57 kN （相比控制試件提高了160.38%），破壞時位移為14.28 mm（是控制試件的4.24 倍）；試件I90P2W75L250C25 的極限承載力為30.27 kN（相比控制試件提高了25.96%），破壞時位移為 16.38 mm （是控制試件的 4.86 倍）；試件I135P2W75L250C25 的極限承載力為35.00 kN（相比控制試件提高了44.44%），破壞時位移為6.95 mm（是控制試件的2.07 倍）。其中，極限承載力提升最多的試件是I45P2W75L250C25，延性提高最多的試件是I90P2W75L250C25。

3.3 U型箍傾斜角度對單剪試件復材底板應變的影響

圖6為試件破壞時，受拉直板各個位置的應變情況，可以看出不同傾斜角度的FRP 斜向U 型箍對受拉直板加固效果有較大差異：傾斜角為30°、45°和60°的FRP 斜向U 型箍可以大幅提升復材抗拉利用率，傾斜角度為90°和135°的FRP 斜向U 型箍試件與控制試件受拉直板應變相差不大?？刂圃嚰﨏B1 破壞時受拉直板的最大應變?yōu)? 275 με，遠小于FRP 板的斷裂應變。實驗數(shù)據(jù)顯示：試件I30P2W75L250C25 破壞時受拉直板的最大應變?yōu)?5 198 με（比 CB1 高128.48%）、試件 I45P2W75L250C25、I60P2W75L250C25、I90P2W75L250C25、I135P2W75L250C25 的破壞應變分別為6 185 με、6 342 με、2 850 με 與 2 966 με，分別比CB1 高171.87%、高178.77%、高25.27%與30.37%。

圖6 FRP受拉直板破壞時應變Fig.6 Distributions of Strain along the FRP Sheet at Failure

4 結(jié)論

通過對實驗試件的破壞模態(tài)、極限承載力及斜向U 型箍利用效率的對比分析，得出以下結(jié)論：

⑴在受拉直板末端配置FRP 斜向U 型箍能有效提高試件的極限承載能力以及受拉直板的利用率；

⑵與對比試件 CB1 進行比較，30°、45°、60°、90°、135°的U 型箍極限承載力分別提升135.41%、192.30%、160.38%、25.96%、44.44%；受拉直板最大應變分別提升128.48%、171.87%、178.77%、25.27%、30.37%。綜合以上數(shù)據(jù)可知，45°的U 型箍為較好的選擇。