雙向纖維布約束加固鋼筋混凝土柱的FRP錨釘設(shè)計方法研究

高 鵬，袁大明，王田宇，陳道政

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利學院，安徽 合肥 230009； 2.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150086)

改造工程中建筑功能更新會使鋼筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)框架結(jié)構(gòu)抗震等級提高[1]，框架柱會出現(xiàn)彎剪壓復合加固需求.纖維復合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)具有輕質(zhì)、高強和耐久等顯著優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于加固工程中[2-5].其中雙向纖維布是指按兩個垂直方向交織而成的纖維織物，且具有相同的力學性能[6-7].FRP與混凝土表面的粘結(jié)性是影響其材料力學性能的關(guān)鍵因素，纖維布在端部剝離會限制加固構(gòu)件的應(yīng)用[8-9].而FRP錨釘能起到良好的錨固作用，錨釘由纖維絲或纖維布卷制成的，用環(huán)氧樹脂固化，一端植入到待加固的結(jié)構(gòu)中，另一端展開纖維絲成扇面狀與FRP布粘結(jié)[10-11].

本文提出了應(yīng)用于雙向FRP布約束加固RC柱的FRP錨釘設(shè)計方法，并通過錨釘制作、構(gòu)件加固和加載試驗驗證該錨釘?shù)挠行?新型的錨固方法既保證了纖維布整體性，又有效避免纖維布在柱端部位置的應(yīng)力集中和剝離破壞情況，發(fā)揮了雙向布約束柱的抗彎抗剪加固作用.

1 FRP錨釘

FRP錨釘是由纖維絲或纖維布卷制成的，主要由三部分構(gòu)成，如圖1所示：(1) 扇面是由絲束部分展開成扇形與FRP粘結(jié)；(2) 主桿是由布材卷制成螺紋桿狀并用環(huán)氧樹脂固化浸透固化形成硬棒；(3) 固定銷安裝于主桿兩端用于固定主桿形狀.FRP錨釘主桿在底座的長度即定義為錨釘埋置深度h，扇面展開寬度為w，扇面纖維絲長度L，扇面展開角度的一半定義為α.

FRP錨釘在混凝土中的四種典型破壞模式如圖2所示，包含：根部斷裂破壞，見圖2(a)；混凝土錐形破壞，見圖2(b)；主桿拔出破壞，見圖2(c)和扇面粘結(jié)破壞，見圖2(d).以下通過對各相關(guān)失效模式的分析，提出FRP錨釘在雙向FRP約束RC柱中的設(shè)計方法，確定錨釘?shù)某休d力、尺寸和構(gòu)造等.

圖1 FRP錨釘示意圖Fig.1 Schematic diagram of FRP anchor

圖2 FRP錨釘破壞模式Fig.2 Failure modes of FRP anchors

2 FRP錨釘設(shè)計方法

2.1 設(shè)計步驟

2.1.1 單個錨釘承載力

框架等級升高后，柱端彎矩系數(shù)放大不同會造成的加固前后柱端設(shè)計彎矩值差異.首先根據(jù)既有柱的相關(guān)信息，計算出所需縱向和環(huán)向纖維布的用量.最后根據(jù)底座寬度和鋼筋分布情況擬定FRP錨釘?shù)膫€數(shù)，確定單個FRP錨釘傳遞的拉力.根據(jù)纖維布的斷裂應(yīng)變εf、彈性模量Ef和縱向纖維絲面積Ap，計算出雙向布所能傳遞的最大拉力F，來確定單個錨釘提供的最大拉力Na，如下所示.

(1)

式中：m為FRP錨釘個數(shù).

參考JGJ145-2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》[12]，在地震作用下錨釘承載力設(shè)計值Nd按下式計算.

Nd=kNa/γRE

(2)

式中：γRE為錨固承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取1.0.k為地震作用下錨固承載力降低系數(shù)，根據(jù)錨固中混凝土破壞和混合破壞形態(tài)取0.7.

2.1.2 主桿截面積

當錨釘?shù)腻^固深度較大時，錨釘所承擔的拉力大于主桿纖維的極限強度，主桿將沿軸向被拉斷破壞，如圖2(a)所示.Castillo等[13]由試驗得出單個錨釘纖維根部斷裂的計算模型，對其進行修正后，并代入(2)式的地震作用下的單個錨釘拉力，則錨釘主桿截面積Ad可按下式計算.

(3)

式中：α為錨釘扇面展開角度的一半.

2.1.3 埋置深度

當混凝土抗拉強度低于錨釘主桿受拉承載力以及與混凝土之間的界面粘結(jié)強度時，會發(fā)生混凝土錐形破壞[14]，特征是以錨釘位置為中心，沿著45°左右的傾斜角度，混凝土包裹主桿呈倒錐形被拉出，如圖2(b)所示.在Kim等[15]錐形破壞計算模型基礎(chǔ)上，可得修正后的主桿埋置深度h.

(4)

式中：fc為混凝土的抗壓強度設(shè)計值；β為單錨錐形破壞下影響系數(shù)，取9.68.

2.1.4 群錨破壞驗算

當多個錨釘共同安裝使用，其間距小于3h時，需要按式(5)[12]進行群錨驗算，即Nd應(yīng)小于群錨錐形破壞受拉承載力Nc.

(5)

式中：An為群錨受拉時混凝土錐體破壞投影面積，參照JGJ145-2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》中6.1.5節(jié)；φs為群錨影響系數(shù)，參照其6.1.6-8節(jié).

2.1.5 開孔直徑

如圖2(c)所示主桿拔出破壞是指錨釘?shù)腻^固荷載承載力大于纖維與混凝土內(nèi)表面的粘結(jié)力，導致主桿在混凝土淺層剝離破壞.根據(jù)Castillo[16]提出的錨釘拔出破壞模型，變形后得到底座開孔直徑d0計算值.

(6)

為了便于安裝，實際開孔直徑一般應(yīng)比計算值d0略大2～5 mm.

2.1.6 扇面面積

錨釘扇面粘結(jié)破壞是指扇面纖維與所粘貼的FRP纖維布表面之間發(fā)生滑移和剝離，如圖2(d)所示.錨釘承載力應(yīng)大于扇面與FRP間的粘結(jié)力，根據(jù)Castillo[16]的扇面粘結(jié)破壞模型得到扇面面積Af計算式如下.

(7)

式中：Vsb為環(huán)氧樹脂的剪切粘結(jié)強度，無試驗值時取為5 MPa.之后由扇面面積換算扇絲長度L.

2.2 設(shè)計流程

FRP錨釘設(shè)計流程如下：首先，由相關(guān)尺寸構(gòu)造確定錨釘數(shù)量m，根據(jù)FRP布縱向拉力F和式(1)確定計算單個錨釘靜力承載力Na，根據(jù)式(2)計算抗震承載力設(shè)計值Nd；隨后由柱寬的幾何條件確定初始扇面角度α，根據(jù)式(3)計算錨釘桿的截面面積Ad和直徑d；之后根據(jù)式(4)計算FRP錨釘主桿埋置長度h，并根據(jù)式(5)進行群錨驗算；再后，由式(6)計算基底開孔直徑d0；最后，由式(7)計算錨釘扇面面積Af和扇絲長度L.

3 試驗驗證

3.1 試件設(shè)計

為驗證約束加固柱抗震性能提高和錨釘錨固效果，設(shè)計3個方形柱試件.其中，C為未加固的對比柱，B1和B1A為采用一層雙向纖維布約束加固的鋼筋混凝土柱，但B1A在布端部采用FRP錨釘對縱向纖維進行錨固.柱尺寸為300 mm×300 mm×1 300 mm，底座尺寸為300 mm×500 mm×1 700 mm，混凝土強度均為C30，縱筋強度等級為HRB400，直徑28 mm；箍筋強度等級為HRB335，直徑6 mm.如圖3所示，試驗采用玄武巖雙向纖維布，其彈性模量為87.0 GPa，抗拉強度為1 740.0 MPa，厚度為0.12 mm，延伸率2.0%.試驗所用粘結(jié)劑抗拉強度為48.5 MPa，彈性模量為3 200.0 MPa.

試驗采用位移加載控制方法，在柱端施加低周往復水平荷載，直至加載到試件承載力下降到峰值荷載85%時停止試驗.加載過程中，水平荷載直接由作動器上的力傳感器采集，水平位移由“與加載點位于同一水平面”的位移計采集.在柱的兩側(cè)表面沿軸向方向布置4個電阻式應(yīng)變片，用來測量塑性鉸區(qū)縱向纖維布的應(yīng)變變化情況，如圖4所示.

圖3 雙向纖維布Fig.3 Bidirectional FRP sheets

圖4 試件示意圖Fig.4 Sketch of specimen

3.2 錨釘設(shè)計與實施

柱C設(shè)計預期為剪切破壞，柱B1和B1A為彎剪破壞.為實現(xiàn)破壞模式轉(zhuǎn)變，對柱B1和B1A采取一層雙向布全包約束加固.但在柱B1A底座兩側(cè)各布置2個FRP錨釘，間距150 mm，邊距75 mm.

根據(jù)第2節(jié)方法，各項參數(shù)取值有纖維布斷裂應(yīng)變εf=0.02，縱向纖維絲面積Ap=36 mm2，混凝土抗壓強度設(shè)計值fc=20.1 MPa，群錨影響系數(shù)φs=1.0，群錨錐體破壞投影面積An=112 500 mm2.由式(1)計算出單個錨釘靜力承載力Na=31.3 kN.由式(2)算出錨釘抗震承載力設(shè)計值Nd=21.9 kN.然后由柱寬幾何條件確定初始扇面角度α=30°，將Nd和α代入式(3)得錨釘主桿截面積Ad≥32.8 mm2，取Ad=55.0 mm2；將Na代入式(4)得主桿埋置深度h≥63.2 mm，取h=100.0 mm；再通過式(5)驗算群錨錐形破壞受拉承載力Nc=27.4>21.9 kN，滿足條件.然后將Nd和h代入式(6)得底座開孔直徑d0≥7.7 mm，取d0=13.0 mm；最后通過式(7)得扇面面積Af≥10 440 mm2，取Af=11 775 mm2，扇絲長度L=150 mm.最終確定FRP錨釘尺寸如圖4所示，具體參數(shù)如表1.

表1 FRP錨釘計算尺寸Tab.1 Calculation of FRP anchor

制作過程中首先將纖維布按尺寸裁剪，把主桿纖維編織成麻花狀繩，并在桿兩端采用固定銷.隨后將主桿浸泡環(huán)氧樹脂，在樹脂固化24 h后對桿長進行裁剪.最后，對于扇面部分的纖維布拆解為絲狀.制作完成的錨釘如圖5所示.

圖5 錨釘成品Fig.5 Anchor product

安裝錨釘時，首先在底座上標識出主桿位置并鉆孔，注入達到孔深一半高度的環(huán)氧樹脂，將錨釘主桿插入孔洞內(nèi).之后再用環(huán)氧樹脂填滿，控制孔洞內(nèi)樹脂密實無氣泡.最后在柱上纖維布貼好后，將扇面纖維絲分散到纖維布表面上，再刷一層環(huán)氧樹脂.對于雙層布約束加固柱時則將錨釘扇面粘貼在兩層布之間.錨釘安裝完成如圖6所示.

圖6 錨釘安裝Fig.6 Anchor installation

3.3 試驗現(xiàn)象

未加固的對比柱C在加載初期柱下部出現(xiàn)裂縫；隨荷載增加，裂縫逐漸增多并延伸；當臨近極限荷載時，主斜裂縫沿柱高度從中部位置貫穿.C的剪切破壞形態(tài)如圖7(a)所示.

圖7 柱典型破壞形態(tài)Fig.7 Typical failure mode of column

雙向布約束柱B1在加載后不久在底部出現(xiàn)纖維布輕微撕裂；極限狀態(tài)時，出現(xiàn)纖維布裂縫迅速擴展和貫通，最終破壞形態(tài)如圖7(b).加載停止后，剝開纖維布可見柱混凝土有較長的剪切裂縫貫通，同時塑性鉸區(qū)混凝土有壓碎現(xiàn)象，柱的彎剪破壞形態(tài)如圖7(c).有錨釘?shù)碾p向布約束柱B1A在極限狀態(tài)時，纖維布從柱底向上拉裂，柱承載力迅速下降，最終破壞形態(tài)如圖7(d).剝開纖維布后發(fā)現(xiàn)，柱底有水平彎曲裂縫和交叉斜向剪切裂縫，但混凝土壓碎現(xiàn)象較明顯，如圖7(e).在B1A加載至水平位移值10 mm時，F(xiàn)RP錨釘仍保持完整狀態(tài)如圖8(a)所示；隨加載位移增加，柱表面纖維布逐步出現(xiàn)裂紋，錨釘周圍混凝土也開始出現(xiàn)裂縫.當加載位移為40 mm時，柱內(nèi)縱筋和箍筋先后屈服，柱底部混凝土壓碎現(xiàn)象明顯，主桿的部分纖維絲開始斷裂，錨釘承載力達最大值，如圖8(b)所示.之后構(gòu)件承載力迅速下降，繼續(xù)加載柱端水平位移至50 mm時，柱底部的纖維布和錨釘均完全斷裂，如圖8(c)所示.

圖8 FRP錨釘?shù)湫推茐倪^程Fig.8 Typical failure process of FRP anchor

3.4 試驗結(jié)果分析

各試件荷載-位移滯回曲線如圖9所示，其中橫坐標為作動器施加的水平荷載，縱坐標為其加載點的水平位移.柱C滯回曲線顯現(xiàn)出明顯的“捏縮”現(xiàn)象，呈現(xiàn)出反S形.可以觀察到箍筋最先屈服，隨后荷載達到峰值后，構(gòu)件迅速破壞，延性較差，顯現(xiàn)為典型的剪切破壞.但柱B1和B1A采用雙向布加固后，柱中均出現(xiàn)縱筋和箍筋的先后屈服，是典型的彎剪破壞，加固柱的極限位移和峰值荷載較C均有不同程度的增長，滯回曲線形狀更加飽滿，耗能能力提升，可見使用雙向纖維布加固能明顯提高RC柱抗震性能.其中使用FRP錨釘?shù)闹鵅1A峰值荷載較柱B1提升12.2%，這說明FRP錨釘能約束雙向布中縱向纖維，使其能和縱筋共同承擔拉力，進一步提高構(gòu)件的抗彎承載力.

圖9 荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curve

柱B1和B1A的縱向纖維應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，其中橫坐標為應(yīng)變片高度，縱坐標為每個應(yīng)變片在正負向加載循環(huán)中應(yīng)變峰值的絕對值，應(yīng)變片位置見圖4.可見無錨固柱B1的縱向纖維應(yīng)變沒有充分發(fā)揮，經(jīng)FRP錨釘錨固后的B1A，在距柱底250 mm和450 mm高度的縱向纖維應(yīng)變有明顯提高，說明使用錨釘實現(xiàn)對縱向纖維的有效錨固，充分發(fā)揮其抗拉強度.

圖10 塑性鉸區(qū)內(nèi)縱向纖維應(yīng)變圖Fig.10 Strain of longitudinal fiber in plastic hinge region

4 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有改造工程中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)柱出現(xiàn)的彎剪壓復合加固需求，提出了一種FRP錨釘錨固雙向纖維布約束加固鋼筋混凝土柱抗震性能的方法，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)已有的加固和后錨固理論，提出用于雙向纖維布約束加固柱的錨釘設(shè)計方法，包含計算錨釘主桿截面、埋置深度、孔徑和扇面面積等；之后提出完整的FRP錨釘設(shè)計、制作和安裝方法；

(2)最后通過柱的推覆加載試驗驗證了錨釘錨固和雙向布加固效果.與對比柱相比，加固柱的滯回曲線包絡(luò)面積飽滿，耗能能力增強，極限位移和承載力均有較大提高.而使用錨釘能有效約束雙向布中縱向纖維，發(fā)揮纖維強度，進一步提高構(gòu)件抗彎承載力.