聚酯纖維FRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能

趙良科 黃 靚,* 曾令宏 許 頎 許仲遠 高 暢

(1.湖南大學土木工程學院,長沙 410082; 2.中機國際工程設計研究院有限責任公司,長沙410021; 3.廣州地鐵設計研究院有限公司,廣州 510010)

0 引 言

FRP(Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土結構是目前土木工程學術研究領域和建筑業工程應用領域的重要方向之一。FRP材料具有抗拉強度高,密度小,耐久性好,耐腐蝕性強,熱膨脹系數低等特點[1-3],并已應用于工程實例,美國、日本、歐洲等國已有相關FRP加固規范[4]。1982年,在瑞士聯邦材料實驗室首次進行了碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)加固鋼筋混凝土的試驗研究,開啟了FRP在結構領域發展的序幕。隨后玻璃纖維增強塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics)等其他FRP材料在結構加固方面的研究也逐漸開展,并取得了諸多成果。BrenA S F等[5]和Alagusundaramoorthy P等[6]均對CFRP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能進行了研究。結果表明:CFRP加固能夠明顯增強鋼筋混凝土梁的承載能力。徐志勝[7]采用CFRP加固,明顯提高了構件的承載力,單層與雙層加固梁承載力相比對比梁能夠分別提高15%和26%。吳剛[8]研究了CFRP加固混凝土梁的抗彎和抗剪試驗。研究發現,鋼筋混凝土梁經CFRP加固后,梁截面應變仍符合平截面假定,并且CFRP加固能夠在一定程度上提高梁的抗剪承載力。甘賢軍[9]采用GFRP加固混凝土梁。結果表明,梁裂縫發展緩慢,剛度和延性均有較大提高。Bahn B Y等[10]對CFRP和GFRP加固鋼筋混凝土梁進行了端部錨固,試驗表明:端部錨固能夠有效地避免纖維布的端部剝離破壞,從而更加充分地利用纖維布的加固效果。

FRP加固混凝土梁是目前工程應用較廣泛的加固方法之一,其破壞有彎曲破壞、剪切破壞、粘結破壞。為充分發揮FRP材料的優異性能,在采用FRP加固時,一般會避免加固梁出現剪切破壞和粘結破壞,Sebastian W M[11]通過研究粘結破壞模式及其影響得出粘結破壞為脆性破壞。這種粘結破壞沒有破壞征兆,而且不能達到適筋破壞梁的承載力,甚至低于未加固梁的承載力[12]。因此FRP加固梁的承載力一般是指梁彎曲破壞時的承載力。基于以上分析,本文對聚酯纖維增強塑料(PFRP)加固鋼筋混凝土梁常見的彎曲破壞模式進行了分析,并推導出了抗彎承載力計算公式。

目前采用的FRP加固材料主要為CFRP、GFRP等。這些FRP材料雖然有優異的物理力學性能,但其基體為樹脂,且生產成本較高,并為不可再生材料。其中,碳纖維材料主要由日本生產,美國其次,其他國家產量很少,碳纖維國產化還有很大難度[13-15]。因此，傳統的人造纖維在大規模推廣應用方面有很大不足,并且不符合國家節能環保的要求。聚酯纖維(Polyester Fiber)是新型的人造纖維,是一種綠色可再生材料。聚酯纖維織物適用于衣著、室內裝飾織物和地毯等方面。2009年,世界聚酯纖維產量3 190萬噸[16],2010年,世界聚酯纖維產量為3 730萬噸[17],2015年聚酯纖維產量達到5 800萬噸。因此聚酯纖維的來源十分廣泛。PFRP盡管在力學性能方面不及CFRP和GFRP,但因其較高的性價比以及良好的物理力學性能使之能夠在結構加固中起到重要作用[18]。本文通過試驗研究了PFRP加固混凝土梁的抗彎性能,同時將承載力試驗值與理論值進行了對比。

1 PFRP軸向拉伸材性試驗

用濕粘法分別制作4層和6層聚酯纖維布試件。每組5個試件,共10個。試件總長度170 mm,試件測試長度90 mm。在構件成型后并進行拉伸試驗開始前,量取試件的厚度和寬度。

環氧樹脂相對于聚酯樹脂和乙烯基樹脂而言,其擁有良好的力學性能和化學耐久性,固化收縮率較小且與纖維之間粘結性能好。因此,本試驗的膠粘劑采用湖南固特邦土木技術發展有限公司研發的JN-C3P改性環氧膠粘劑。其物理和力學性能如表1所示。

表1環氧樹脂的物理和力學性能

Table 1Physical and mechanical properties of the epoxy adhesive

PFRP軸向拉伸材性試驗在湖南大學建材試驗室進行,采用型號為C43.304的MTS微機控制電子萬能試驗機進行試驗。加載時,采用位移控制的加載方式。加載速率為0.05 mm/min。在試驗過程中,當施加的荷載達到極限荷載的60%～70%時,試件開始出現斷斷續續的輕微響聲。隨著荷載的不斷增大,響聲也逐漸增大且連續不斷,直至試件發生斷裂。試件拉斷時,纖維布斷裂成幾條,并伴有清脆的撕裂聲,斷裂位置基本位于試件中部。通過試驗得到的PFRP試件拉伸強度、彈性模量和斷裂伸長率見表2。PFRP試件的應力應變曲線見圖1。

由表2可知,4層和6層PFRP試件的拉伸強度平均值分別為42.9 MPa、44.3 MPa,彈性模量平均值分別為6.6 GPa、6.5 GPa,斷裂伸長率為1.7%左右。

表2PFRP拉伸試驗結果

Table 2Tensile test results of PFRP

圖1 PFRP應力-應變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curves of PFRP

2 PFRP加固梁彎曲破壞模式及承載力分析

外貼FRP加固鋼筋混凝土梁的破壞模式主要有以下幾種類型:①FRP被拉斷;②受壓區混凝土壓碎;③FRP纖維布剝離破壞;④梁底混凝土保護層剝離破壞;⑤梁斜截面剪切破壞。其中,①②屬于彎曲破壞,③④屬于剝離破壞,⑤屬于剪切破壞。

如果在FRP加固鋼筋混凝土梁的端部進行可靠的錨固,那么FRP加固梁的承載能力極限狀態將主要取決于FRP被拉斷或受壓區混凝土壓碎。剝離破壞主要是因為材料質量或施工質量不過關而引起的。本文采用的PFRP的抗拉強度遠遠小于CFRP,并且保證了材料質量和施工質量。因此,PFRP加固鋼筋混凝土梁最常見的彎曲破壞模式主要有以下2種:①PFRP未拉斷,受壓區混凝土被壓碎;②PFRP被拉斷,受壓區混凝土未壓碎。

本文中所有材料性能均采用《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[19]中的有關規定。

文中,h為梁截面高度,b為梁截面寬度,h0為受拉鋼筋合力作用點到梁受壓邊緣的距離,as為受拉鋼筋合力作用點到梁受拉邊緣的距離,x0為梁截面中和軸高度,εcu為混凝土極限壓應變(本文取0.003 3),εc為混凝土壓應變,εs為受拉鋼筋應變,εf為PFRP纖維布應變,C為梁受壓區混凝土合力,Es為受拉鋼筋彈性模量,Ef為PFRP纖維布彈性模量,Ts為受拉鋼筋合力,Tf為PFRP纖維布合力,fc為混凝土抗壓強度,fy為受拉鋼筋的屈服強度,As為受拉鋼筋橫截面積,Af為PFRP纖維布橫截面積,Mu代表梁橫截面彎矩。

2.1 破壞模式(1)

當PFRP加固鋼筋混凝土梁的鋼筋和PFRP配置量適中時,可能會發生PFRP未拉斷,受壓區混凝土被壓碎的破壞模式。此時,εf<εfu,εc=εcu,εs≥εy。截面的應力-應變圖如圖2所示。

由平截面假定得:

εcu

(1)

受壓區混凝土合力可采用等效的矩形應力圖來進行計算,根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[19],α1=1.0,β1=0.8。

由軸向方向力的平衡可得:

(2)

式(2)為關于x0的一元二次方程,可求解出混凝土梁截面中和軸高度x0,進而可求解出εf。因而可得此破壞模式下,PFRP加固鋼筋混凝土梁的極限承載為

圖2 破壞模式(1)應力-應變圖Fig.2 Stress-strain distribution of failure mode (1)

(3)

2.2 破壞模式(2)

當PFRP加固鋼筋混凝土梁的鋼筋和PFRP配置量較少時,可能會發生PFRP被拉斷,受壓區混凝土未壓碎的破壞模式。此種破壞模式下,截面的應力-應變圖如圖3所示。此時,εf=εfu,εs≥εy。由平截面假定得:

(4)

由軸向方向力的平衡可得:

α1β1fcbx0=fyAs+ffAf

(5)

文獻[20]根據混凝土本構關系推導出了此種破壞模式下任意εc所對應的α1和β1的值,并繪制成了速查表。

先將x0賦值,根據式(4)計算出εc,然后根據速查表查出α1和β1的值,并將α1和β1代入式(5),判斷等號兩邊是否相等。若相等,則此時x0即為所求值;若不相等,則不斷調整x0,重復上述計算,直至等號兩邊相等為止,即可求出x0。求出x0后,可得PFRP加固鋼筋混凝土梁的極限承載力為:

(6)

圖3 破壞模式(2)應力-應變圖Fig.3 Stress-strain distribution of failure mode (2)

3 PFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎試驗

3.1 試驗概況

本試驗測試了3根試件梁。試件梁底粘貼PFRP進行加固。加載方式為四點彎曲加載。試件詳細信息如表3所示。加載裝置如圖4所示。鋼筋的材料特性如表4所示。

3.2 加載及破壞

在鋼筋屈服前采用荷載控制的加載方式,加載速率為5kN/級。鋼筋屈服后,采用位移控制的加載方式,加載速率為2 mm/級。試驗中,3根試件梁的彎曲裂縫開展過程基本相同。加載初期,整個試件梁處于彈性工作狀態,鋼筋、混凝土、PFRP協同工作。加載至0.25Pu時,跨中梁底開裂,受拉區混凝土失去作用。隨著荷載的不斷增大,裂縫逐漸開展,并伴有新的裂縫產生。加載至0.5Pu時,受拉鋼筋屈服。繼續加載,加固梁PFRP時而出現細微響聲。最終B-1的破壞模式為豎向裂縫過寬,不滿足《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[19]第3.4.5條的要求。B-2出現清脆響聲,破壞模式為PFRP被拉斷。B-3破壞模式為受壓區混凝土被壓碎。

表3試件參數

Table 3Details of specimens

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test Setup

表4鋼筋物理力學性能

Table 4Material properties of steel bars

4 試驗結果與分析

4.1 驗證平截面假定

平截面假定是鋼筋混凝土梁理論分析中被廣為接受的基本理論之一。本文中PFRP加固混凝土梁的承載力計算即在平截面假定的基礎上進行的。因此,驗證平截面假定是十分必要的。本文在鋼筋混凝土梁側等間距布置了5個應變片,用來監測混凝土應變,部分荷載等級下試件的混凝土應變情如圖5所示。

圖5 梁側混凝土應變分布圖Fig.5 Concrete strain distribution diagram

由圖5可知,試件梁在加載時,混凝土應變與截面高度基本接近于一條直線,因此試件梁符合平截面假定,因而可采用理論推導的計算公式進行預測PFRP加固梁的承載力。

4.2 承載力分析

試件梁的抗彎極限承載力如表5所示。其中,Pu代表承載力試驗值,Pp代表承載力預測值。根據不同的破壞模式選取相應公式預測其抗彎承載力。從表5可知,承載力預測值比試驗值略小,因而采用本文中公式計算PFRP加固梁的抗彎承載力是安全的,并且是合理可行。由于PFRP、混凝土等試驗參數有一定誤差,因此承載力理論計算值與試驗值有一定誤差屬于正常現象。此外,B-1承載力相比于對比梁CB-1提高了22.3%,B-2承載力相比于對比梁CB-1提高了23.9%。因此,采用PFRP加固能夠提高鋼筋混凝土梁的承載能力。

表5

試件破壞模式及抗彎承載力理論值與計算值對比

Table 5Failure modes and comparison between calculation values and experiment values of bending capacity

未配置FRP的梁CB-1破壞模式為豎向裂縫過寬,不滿足《混凝土結構設計規范》[19]中的規定。雖然這種破壞模式屬于適筋延性破壞,但CB-1的延性性能較差,并且跨中撓度較低,裂縫間距也較大,因此其耗能能力較差。對于B-1來說,其破壞模式為PFRP被拉斷,類似于少筋破壞。雖然其最終破壞模式并不滿足延性破壞的要求,但相比于CB-1,其破壞過程中的豎向裂縫寬度大為減小,并且裂縫更加密集,裂縫間距較小,跨中撓度有較大增加,表現出更好的耗能能力和延性發展的能力。因此B-1雖為脆性破壞,但其破壞前的延性發展更為明顯,抗彎性能也得到了很大提高。在工程應用中,關于梁破壞模式的設計有相關的規定,但對于FRP加固梁來說,也應注重其破壞前的性能提高。因此,對于PFRP加固梁,應設計成綜合性能最優的梁B-2。

此外,對于B-1來說,因為本試驗采用了較高強度的混凝土,因而采用4層PFRP加固鋼筋混凝土梁的破壞模式為PFRP被拉斷,此種破壞模式雖屬于彎曲破壞,但由于其破壞表現出明顯的脆性,應用中應避免出現這種破壞模式。鋼筋混凝土梁的配筋率對其延性有著很大的影響。配筋率越高,梁延性越小,此時采用PFRP加固,PFRP變形較小,因此PFRP可在保持部分塑性的同時發揮其強度。因此,當采用4層PFRP加固時,為防止發生PFRP被拉斷的脆性破壞,應適當提高鋼筋混凝土梁的配筋率或用于加固較低混凝土強度鋼筋混凝土梁。除此之外,還可適當增加PFRP的層數,以避免出現脆性破壞,如B-2所示。

5 結 論

本文對PFRP進行了軸向拉伸材性試驗,并通過試驗研究了PFRP加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能,推導出了PFRP加固鋼筋混凝土梁常見破壞模式下的承載力計算公式。根據本文分析,可以得出以下結論:

(1) PFRP的軸向拉伸性能較為穩定,離散性小。

(2) PFRP加固梁的梁側混凝土應變符合平截面假定。

(3) PFRP加固能夠提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載力。4層PFRP加固能夠提高22.3%,6層PFRP加固能夠提高23.9%。

(4) PFRP加固梁極限荷載試驗值與理論值較為吻合,并且偏于安全。同時對PFRP加固鋼筋混凝土梁的設計提出了建議。