HB-FRP加固損傷混凝土梁的試驗(yàn)分析

沈家如，洪家強(qiáng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

混合錨固法(HB-FRP)作為一種簡(jiǎn)單高效的加固方法，逐漸應(yīng)用于FRP加固缺陷鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)[1-3]。與傳統(tǒng)外貼法(EB-FRP)相比，HB-FRP加固法中的錨固系統(tǒng)通過充分發(fā)揮FRP與混凝土表面的粘結(jié)作用,從而提高FRP自身的抗拉性能[4-5]。羅敏慎[6]提出一種FRP-ECC混合加固方法，隨后高磊[7]開展了混合粘貼FRP加固混凝土梁的界面粘結(jié)特性和抗彎性能研究。

目前，所研究的HB-FRP以及EB-FRP加固試驗(yàn)均是在完整試驗(yàn)梁上進(jìn)行，并未考慮實(shí)際的梁構(gòu)件在長(zhǎng)期使用過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p傷。因此，為了進(jìn)一步研究加固方式對(duì)嚴(yán)重?fù)p傷后的梁產(chǎn)生的影響，對(duì)普通鋼筋混凝土梁底部進(jìn)行預(yù)制切縫處理隨后進(jìn)行加固處理，通過9根試驗(yàn)梁進(jìn)行試驗(yàn)并探究錨固板寬度以及預(yù)緊力扭矩對(duì)加固混凝土梁的抗彎性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)制作了9根長(zhǎng)度均為2 300 mm的矩形截面梁(兩端鉸接)，如圖1所示。鋼筋混凝土梁的箍筋保護(hù)層厚度均為30 mm，預(yù)制切縫深度為55 mm，寬度為10 mm。試件編號(hào)及加固方式如表1所示。

圖1 梁截面(單位：mm)

表1 試件梁編號(hào)及加固方式

1.2 試驗(yàn)材料參數(shù)

測(cè)得本試驗(yàn)梁采用的混凝土抗壓強(qiáng)度值為39.7 MPa，選用直徑為8 mm的化學(xué)錨栓，拉力設(shè)計(jì)值為12.7 kN,剪力設(shè)計(jì)值為7.2 kN?？v向受拉鋼筋材料參數(shù)、碳纖維板材料性能、環(huán)氧樹脂性能及鋼板參數(shù)如表2～5所示。

表2 鋼筋材料參數(shù)

表3 碳纖維板性能參數(shù)

表4 環(huán)氧樹脂性能參數(shù)

表5 鋼板參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)9根試驗(yàn)梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載，試驗(yàn)梁的實(shí)際計(jì)算跨度、加載點(diǎn)距離以及位移計(jì)布置如圖2所示。

圖2 梁加載示意(單位：mm)

試驗(yàn)梁在梁底粘貼CFRP板，HB-FRP加固梁通過錨固鋼板以及化學(xué)螺栓固定形成錨固系統(tǒng)，化學(xué)螺栓通過錨固鋼板的預(yù)留孔將鋼板固定于試驗(yàn)梁的切縫兩側(cè)，通過對(duì)化學(xué)螺栓施加預(yù)緊力扭矩傳遞至錨固鋼板上。梁底CFRP板粘貼位置、EB-FRP及HB-FRP(錨固鋼板以6 cm為例)加固梁的CFRP應(yīng)變片位置如圖3所示。

(a) EB-FRP加固梁底CFRP板粘貼示意圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

B為未進(jìn)行切縫以及加固的試驗(yàn)梁，破壞形式為延性破壞；BN為預(yù)制切縫損傷梁，底部受力拉筋被切斷，且未使用碳纖維板加固，是本試驗(yàn)中的損傷對(duì)照梁。當(dāng)梁底部受拉區(qū)應(yīng)力達(dá)到普通混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí)，發(fā)生脆性破壞；BNF-1、BNF-2在BN的基礎(chǔ)上使用EB-FRP加固，隨著荷載的持續(xù)增大，梁底碳纖維板逐漸剝離，最終產(chǎn)生裂縫。其中一側(cè)碳纖維板完全剝離，試驗(yàn)梁被破壞，為脆性破壞。

BNS3P10、BNS3P20、BNS6P0、BNS6P10、BNS6P20為使用HB-FRP法加固的試驗(yàn)梁，較外貼碳纖維板加固梁施加錨固措施后，錨固鋼板的存在一定程度上抑制了碳纖維板的剝離，且兩錨固鋼板區(qū)域外的碳纖維板剝離速度比錨固區(qū)域內(nèi)的快。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，試驗(yàn)梁發(fā)生第一次斷裂。此時(shí)錨固區(qū)域外一側(cè)的碳纖維板完全剝離，但錨固區(qū)域內(nèi)的碳纖維板還未完全剝離，繼續(xù)加載至錨固鋼板從螺栓上脫落或螺栓被切斷，錨固系統(tǒng)失效，裂縫一側(cè)碳纖維板完全剝離，試驗(yàn)梁斷裂。以BNF-1梁、BNS3P20梁以及BNS6P20梁為例，碳纖維板剝離情況如圖4所示。

(a) BNF-1梁

2.2 試驗(yàn)梁荷載撓度曲線

施加了鋼板錨固措施的加固梁，其極限承載力較切縫梁BN分別提高了134.9%、158.7%、102.2%、157.6%、229.1%，相較于EB-FRP加固試驗(yàn)梁，其極限承載力分別提高50.7%、69.8%、32%、68.2%及114.8%，變化效果如圖5所示。同時(shí)，各HB-FRP加固梁的極限承載力也隨著錨固鋼板寬度的增大及預(yù)緊力扭矩值的增大而增大，HB-FRP加固梁的極限承載力分別為63.2、69.6、54.4、69.3、88.5 kN。

圖5 加固梁荷載-撓度曲線

在錨固鋼板寬度相同的情況下，施加的預(yù)緊力扭矩值在一定范圍內(nèi)越大，試驗(yàn)梁的極限承載力就越大；當(dāng)預(yù)緊力扭矩值相同時(shí)，錨固鋼板寬度在一定范圍內(nèi)增大，試驗(yàn)梁的極限承載力也同樣隨之增大，具體變化數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 試驗(yàn)梁荷載及跨中撓度

BNS3P20與BNS6P10加固梁的極限承載力比較接近，分別為69.6和69.3 kN，僅相差0.6 kN，可以認(rèn)為錨固鋼板寬度及預(yù)緊力扭矩大小在一定程度上對(duì)試驗(yàn)梁的極限承載力有所影響，當(dāng)兩個(gè)因素共同作用時(shí)，BNS6P20加固梁極限承載力的提升十分顯著。

2.3 碳纖維板應(yīng)變

本試驗(yàn)共有7根試驗(yàn)梁切縫后在其底面粘貼碳纖維板，并在其中5根碳纖維板外貼加固梁上施加了錨固措施，在碳纖維板表面布置應(yīng)變片,測(cè)得持續(xù)加載過程中各試驗(yàn)梁碳纖維板上相應(yīng)的應(yīng)變值。以BNF-1梁、BNS3P20梁以及BNS6P20梁為例，碳纖維板上應(yīng)變情況如圖6所示。

由圖6可知，加固梁BNF-1上的碳纖維板受力后單側(cè)完全剝離發(fā)生破壞，加固梁BNF-1應(yīng)變峰值為3 083.48με，而碳纖維板的過早剝離是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的粘結(jié)性能不夠且沒有采取可靠的錨固措施，碳纖維板并未完全發(fā)揮自身的材料性能。當(dāng)采用HB-FRP加固時(shí)，加固梁BNS3P20的應(yīng)變峰值在荷載為69.5 kN時(shí)達(dá)到了5 207.89με，當(dāng)錨固鋼板寬度同為3 cm且預(yù)緊力扭矩從10 N·m增加到20 N·m時(shí)，碳纖維板的應(yīng)變峰值增加了11.13%。與其它HB-FRP加固梁相同，加固梁BNS6P20上的碳纖維板應(yīng)變值也是錨固范圍內(nèi)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)快，錨固區(qū)域外應(yīng)變小，變化不明顯。剝離開展范圍并不大，剝離后產(chǎn)生的撓度增大使荷載降低，最終在81 kN時(shí)右側(cè)碳纖維板全部剝離，加固梁BNS6P20斷裂。斷裂時(shí)碳纖維板應(yīng)變值峰值為5 849.03 με，斷裂時(shí)碳纖維板左側(cè)錨固范圍外的應(yīng)變值變化不大。

2.4 碳纖維板界面剪力

試驗(yàn)過程中無法精確的測(cè)量各個(gè)位置的剪應(yīng)力，但可以通過碳纖維板上測(cè)得的應(yīng)變推算相鄰應(yīng)變片間的剪應(yīng)力，即可得出梁底碳纖維板在加載過程中的整體剪力分布，計(jì)算公式如式(1)。

(1)

式中：εf,i為測(cè)點(diǎn)i處應(yīng)變;tf為碳纖維板厚度;Ef為碳纖維板彈模;Δli為相鄰測(cè)點(diǎn)距離。

通過式(1)可計(jì)算出加載過程中各相鄰應(yīng)變片之間的剪應(yīng)力，以BNF-1梁、BNS3P20梁以及BNS6P20梁為例，繪制碳纖維板在不同荷載下的整體剪應(yīng)力分布如圖7所示。

從圖7中可以看出，BNF-1梁的界面剪力曲線一端逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后與另一端界面剪力曲線大部分重合，這是因?yàn)榱芽p兩端的剪力方向是相反的，但剪力大小十分接近，在整個(gè)加載過程中，單側(cè)碳纖維板剪力方向僅改變了一次。裂縫開展前，轉(zhuǎn)移至碳纖維板上剪力較小，荷載加載至20 kN時(shí)，碳纖維板在跨中裂縫處有微小剪力，其它位置承受的剪力很小。當(dāng)荷載加載至30 kN時(shí)，裂縫向上延伸，裂縫處的碳纖維板開始剝離，剪力大幅增加，但碳纖維板兩端剪力值較小且無明顯變化。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，碳纖維板左側(cè)端部剪力變化值較大，因?yàn)榇藭r(shí)荷載較大，傳遞到碳纖維板上的剪力也較大，碳纖維板的剝離到達(dá)左側(cè)端部，而右側(cè)碳纖維板的剝離只開展到距離裂縫450 mm處，碳纖維板右側(cè)端部剪力值變化較小。

(a) BNF-1梁

BNS3P20梁以及BNS6P20梁的碳纖維板上的剪力分布較為復(fù)雜，從圖7中可以看出碳纖維板上的單側(cè)剪力值方向發(fā)生了三次改變，第一次的方向改變發(fā)生在距裂縫40 mm處，第二次方向改變發(fā)生在錨固鋼板的內(nèi)側(cè)，第三次方向改變發(fā)生在錨固鋼板的外側(cè)。當(dāng)荷載加載至20 kN時(shí)，碳纖維板上錨固鋼板范圍內(nèi)有較小的剪力值，其它位置剪力變化不明顯。當(dāng)荷載加載至40 kN及以上時(shí)，錨固鋼板左右兩端的剪力值都較大且方向不同，碳纖維板上其它位置剪力較小且變化不明顯。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，在碳纖維板開始剝離的一側(cè)界面剪力大幅增加，且在裂縫處及碳纖維板剝離位置處剪力達(dá)到峰值。

HB-FRP加固梁上的碳纖維板應(yīng)變峰值普遍較高。從整體看，碳纖維板的應(yīng)變峰值與極限荷載成正比，試驗(yàn)梁極限荷載越大，碳纖維板抗拉利用率越高，且錨固鋼板寬度越寬、施加的預(yù)緊力扭矩值越高，碳纖維板上的應(yīng)變峰值越大。

3 結(jié)論

1) HB-FRP以及EB-FRP加固梁極限承載力較BN梁提升明顯，由于HB-FRP加固梁中的錨固系統(tǒng)可有效抑制碳纖維板的早期剝離，HB-FRP試驗(yàn)梁極限承載力較EB-FRP提升更加顯著。

2) 損傷梁BN為脆性破壞，其破壞前無征兆。EB-FRP加固梁中的碳纖維板可在一定程度上延緩裂縫延伸，加固梁最終因碳纖維板的早期脫粘導(dǎo)致從裂縫處斷裂；HB-FRP加固梁在進(jìn)行裂縫試驗(yàn)時(shí)荷載與EB-FRP加固梁接近，但錨固鋼板的錨固效應(yīng)抑制了碳纖維板剝離，其裂縫延伸速度較EB-FRP加固梁慢。

3) HB-FRP加固梁的延性、碳纖維板應(yīng)變峰值以及界面剪力明顯高于其它試驗(yàn)梁，且隨著錨固鋼板寬度、預(yù)緊力扭矩值的增大而增大。