TRC加固RC梁的疲劳性能的试验研究,建筑结构论文

TRC加固RC梁的疲劳性能的试验研究,建筑结构论文纤维编织网加强混凝土(TextileReinforcedConcrete,简称TRC)是由纤维编织网与精细混凝土制成.使用织物加强水泥基材料的研究早在上世纪80年代初就已经开场了,到90年代后期,关于TRC的研究成果逐步增加.德国最先成立了TRC的研究中心[1].2002年7月,国际材料与构造研究实验联合会(RILEM)成立了关于TRC的研究学会(201-TRC),标志着欧美国家也正式开展对TRC的相关研究.国内也有很多学者从事TRC方面的研究,华而不实以徐世烺教授团队和荀勇教授团队为代表,进行了一系列的研究[1].TRC这种新型的复合材料,在进行构造加固时无需对TRC材料设置像钢筋一样的保卫层,这是由于TRC中的纤维材料是一种耐腐蚀的材料,它在混凝土中不会发生腐蚀.也正是由于TRC材料不需要保卫层,所以它能够做的很薄,利用它进行构造加固时,几乎不改变原构造的尺寸和自重.由于TRC使用砂浆作为凝胶材料,与FRP加固相比,能够有效的提高与基体材料间的粘结性,于此同时,也提高了加固构造的抗老化、耐火性、耐久性等方面的性能,也有效解决了FRP材料不宜在潮湿环境下施工的问题[2].国内外大量学者的研究表示清楚,应用TRC进行钢筋混凝土构造加固是一种有效的加固方式方法[2-10].DAmbrisA等[3]采用了不同种类的纤维以及不同的纤维网格规格、纤维的层数作为影响参数对TRC加强钢筋混凝土梁的弯曲性能进行试验研究,并提出两个不同的理论模型来计算纤维的应变,并将结果与试验值相比拟,证明了这两种模型都能够应用在纤维的应变计算上.Schaditz等[4]对TRC材料加固大跨度板的弯曲承载能力进行试验和理论方面的研究,结果显示:TRC材料能够极大的提高加固板的承载力,加固量会影响板的挠度变化,板的挠度随着加固量的增加而变小,因而TRC材料用于加固大跨度板构造是安全的;用有限元软件对板的变形及其承载力进行计算,得到的结果与试验结果相近.ElsanadedyM等[5]研究了分别采用CFRP、TRM加固RC梁的受弯性能,试验结果发现,CFRP加固构件的承载力要略微优于TRM加固梁的受弯承载力,但是在延性方面,TRM的优势非常明显;数值模拟的结果显示在TRM加固构件中参加U型锚固能够有效的控制加固构件发生剥离毁坏.文献[2,6,7,8]对TRC抗弯加固钢筋混凝土梁的研究表示清楚,TRC抗弯加固梁的一般力学特征表现为:加固梁的抗弯承载力增大,梁的裂缝形态得到改善,裂缝的开展得到抑制,裂缝呈现密而细的特点,且随TRC中配网率增加抗弯承载力明显提高,裂缝宽度和间距都减小.文献[5,7,8,9]都基于RC梁抗弯理论推导了TRC加固梁的开裂荷载计算公式和不同毁坏形态的正截面承载力计算公式.文献[10]对TRC抗弯加固RC梁试验和有限元计算的荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线的变化趋势进行比拟,发现两者能够吻合.固然TRC材料在静载作用下表现出良好的加固效果,但TRC用于加固钢筋混凝土梁在疲惫荷载作用下却是未知数,会表现出如何的特性,该方式方法能否能在实际工程中应用,当前国内外尚未发现公开发表的相关论文发表.为此,本文对TRC加固RC梁的疲惫性能进行试验研究.测定了TRC加固梁的疲惫寿命,分析了TRC加固梁的毁坏经过与应变发展.1弯曲疲惫试验大概情况1.1试验梁设计与制作试验共制作了10根钢筋混凝土梁HF1~HF10,华而不实HF1为未加固梁,剩下9根为TRC加固梁.未加固梁截面尺寸为120mm240mm,加固梁加固之前的截面尺寸为120mm230mm,加固之后的尺寸为120mm240mm,总长都是2400mm.主筋采用212、214、216钢筋,架立筋采用2A8钢筋,所有梁的箍筋采用A6.5HPB235级钢筋,箍筋间距为s=100mm,纯弯段为200mm;砼强度为C40,实测28天抗压强度为44.6MPa,试验梁的基本参数如表1.纤维编织网如此图1,采用的是由互相垂直的碳纤维束和无碱玻璃纤维束混编的二纬缝编织物,网格间距为10mm(见图1)具体参数见文献[1].加固梁横截面示意图如此图2.1.2试验加载加载及测点布置如此图3.加载系统采用杭州邦威生产的液压伺服系统,数据由东华3187自动采集.疲惫试验采用跨中对称、等幅重复加载.疲惫荷载应力水平max/u=0.7,应力比min/max=0.2.直径为12mm的梁疲惫荷载上限为52.5kN,疲惫下限为10.5kN;直径为14mm的梁疲惫荷载上限为59.5kN,疲惫下限为11.90kN;直径为14mm的梁疲惫荷载上限为68kN,疲惫下限为13.6kN.2试验结果与分析各梁的疲惫寿命及毁坏形态汇总于表2:从表2中能够得到,同样配网率下,单面加固梁的疲惫寿命为41.53万次、U型加固梁的疲惫寿命为38.10万次.在加固量一样的情况下,单面加固的疲惫寿命要高于U型加固.这是由于U型加固在梁侧面的TRC材料不能得到充分的利用,随着梁高的增加,TRC受力减小,而单面加固梁所使用的TRC材料全部布置在梁底,其受力比拟均匀,所以在疲惫荷载上下限都不变的情况下单面加固梁的疲惫效果要优于U型加固.但不管是三面加固还是U型加固都比未加固梁的疲惫寿命有所提高,单面加固提高了32%,U型加固提高了21%,讲明TRC对提高RC梁的疲惫寿命有很好的作用.2.1疲惫毁坏经过TRC加固梁的毁坏形态可分为两类:(1)砼压坏,网拉断,钢筋未断裂;(2)砼未压坏,网拉断,钢筋未断裂.梁HF2、HF3、HF4发生第一类毁坏形式.发生第一类毁坏的梁,配网层数较少,加载时纤维编织网层受力较大,毁坏时网忽然断裂,断口整洁,毁坏构成的主裂缝较窄,但裂缝高度很高,中和轴位置相对较高,受压区混凝土被压坏,如此图4(a).梁HF5、HF7~HF10发生第二类毁坏的梁配网层数较多,跨中变形较小,毁坏时主裂缝高度较低,受压区混凝土没有能压碎,如此图4(b).下面以毁坏形态(2)为例介绍TRC加固RC梁的裂缝发展及疲惫毁坏经过.疲惫加载经过中,试验梁HF7的荷载-跨中挠度曲线如此图5所示,图例中的数字代表疲惫加载次数(单位为万次).第一阶段:在疲惫加载前第一次静载后,受拉区混凝土出现裂缝,裂缝处混凝土退出工作,此时拉应力主要由钢筋和纤维编织网承当;原有的裂缝向上扩展使得中和轴上移,并且新的裂缝不断产生,此阶段末裂缝基本出齐,该阶段相对加固梁的整个寿命经过较短.第二阶段表现为加固梁的挠度几乎不变,各材料的最大应变虽有增加但非常缓慢且增量有限,该阶段末期RC梁会产生新的裂缝,主裂缝构成,该阶段在整个疲惫毁坏经过所占的比例最大.第三阶段,加固梁的跨中挠度迅速增加,在时间很短的情况下梁发生疲惫毁坏.进一步,试验结果表示清楚,未加固梁毁坏时表现为钢筋疲惫脆性断裂后梁迅速发生大变形并丧失承载能力;而加固梁毁坏时表现为裂缝不断扩大,梁跨中挠度增长过快,此时梁仍具有一定的承载力但梁承载能力有所降低.未加固梁毁坏截面处梁顶混凝土压碎,而配三层网的TRC加固梁毁坏时混凝土均未压碎,讲明TRC减缓了加固梁跨中截面中和轴的上移,毁坏时梁跨中截面顶混凝土压应变仍较小.加固梁与未加固梁相比,前者的毁坏形态有明显的优点:加固梁毁坏时裂缝较多,裂缝间距较短,构成的毁坏主裂缝宽度较小,且加固梁的钢筋没有断裂的现象;而未加固梁毁坏时裂缝较少,裂缝间距较宽,构成的毁坏主裂缝宽度很大,受力钢筋全部断裂.TRC加固梁在疲惫荷载作用下跟其在静载作用下的毁坏形态不同.静载作用下TRC加固梁毁坏时会沿着纵向钢筋方向产生撕裂裂缝,并且保卫层会脱离钢筋,如此图6;而在疲惫荷载作用下只会沿梁高方向产生竖向裂缝,且裂缝宽度不大.产生这种现象的原因是静载作用下TRC加固梁最终承受的力为其极限荷载,加固梁的变形较大,且加固层与老混凝土之间的粘结力大于老混凝土与钢筋之间的粘结力.而TRC加固梁在疲惫荷载作用下,疲惫荷载的上限值为极限荷载的70%,加固梁的变形较小,最后主要是加固层和混凝土的疲惫毁坏,故不会产生静载下的毁坏形态.2.2试验梁应变发展1)单面加固与U型加固从图7中能够看出,钢筋应变随着循环次数的增长呈现出3个阶段的发展:初始发展、稳定发展、迅速发展.在第一、二阶段,梁HF4的应变略大于梁HF2;但到了第三阶段,梁HF2的钢筋应变发展迅速,这也标志着梁HF2已经进入了毁坏阶段.由于第三阶段应变发展迅速,应变值较大,应变片在这里阶段以失效,因而第三阶段的数据很难采到.梁顶混凝土应变如此图7(b),其基本上也是三阶段的发展形式.从图中能够看出梁HF4的混凝土应变要大于梁HF2,这讲明在毁坏之前一样的循环次数下梁HF2的刚度要大于梁HF4.2)不同配网率本次试验设计了四根不同配网率的梁,但由于采集设备的问题只采到了梁HF4和梁HF6的数据.从图8(a)中能够看出配网率的增加能够明显的减小钢筋应变,减缓裂缝发展速度,进而提高加固梁的刚度.梁HF6的顶面混凝土压应变要小于梁HF4,这表示清楚TRC能够减缓中和轴的上移速度,减小疲惫毁坏时梁顶压应变,进而提高疲惫寿命.3)不同配筋率从图9中能够看出,在一样的循环次数下,梁HF5的钢筋应变大于梁HF6,梁HF6的顶面混凝土压应变要小于梁HF5,这讲明高配筋率的梁能够有效减小钢筋拉应变和混凝土的压应变,减缓中和轴的上移速度,进而提高疲惫寿命.这也讲明了在疲惫荷载作用下RC梁的疲惫寿命受钢筋的控制.4)不同损伤程度从图10中能够看出,当梁HF10的钢筋发展进入第三阶段时,梁HF8、梁HF9还在第二阶段.也就是讲较大荷载作用下的静力损伤会使加固梁的钢筋应变提早进入第三阶段的发展,会减小RC梁的疲惫寿命.实际上在静力作用下,对混凝土和钢筋都会有损伤.只是在静力荷载较小时,混凝土和钢筋都处于弹性阶段,卸载后对混凝土和钢筋的损伤不大,故对在疲惫荷载作用下的钢筋应变和混凝土应变影响不大.然而当静力荷载较大时,混凝土或者钢筋可能处于弹塑性阶段,卸载后对混凝土和钢筋的损伤较大,故对在疲惫荷载作用下的钢筋应变和混凝土应变值也较大,进而对疲惫寿命有较大的影响.3结论通过试验能够得到下面结论:(1)TRC加固梁在疲惫荷载作用下与静力作用下有着不同的毁坏形态.(2)在配网率一定的情况下,采用U型加固方式和单面加固方式都能够提高钢筋混凝土梁的疲惫寿命;单面加固方式对疲惫寿命的提高优于U型加固.(3)TRC加固梁的疲惫毁坏经过能够分为三个阶段,第一阶段会产生大量的裂缝,第二阶段基本不产生裂缝,挠度也增加缓慢;第三阶段会构成毁坏主裂缝,标志着梁要毁坏.(4)加固梁的受压区混凝土应变与受拉钢筋应变随荷载循环次数的增加呈三个阶段发展的发展经过.(5)加固量和配筋率的增大都会减缓中和轴的上移速度,减小疲惫毁坏时梁顶压应变,进而提高疲惫寿命.(6)较大荷载作用下的静力损伤会使加固梁的钢筋应变提早进入第三阶段的发展,会减小RC梁的疲惫寿命.以下为参考文献:[1]尹世平.TRC基本力学性能及其加强钢筋混凝土构造受弯性能研究[D].大连:大连理工大学,2018[2]徐世烺,尹世平,蔡新华.纤维编织网加强混凝土加固钢筋混凝土受弯梁的抗裂性能研究[J].水利学报,2018,41(7):833-841.[3]DAmbrisiA,FocacciF.FlexuralstrengtheningofRCbeamswithcement-basedcomposites[J].JournalofCompositesforConstruction,2018,15(5):707720.[4]SchladitzF,FrenzelM,EhligD,etal.Bendingloadcapacityofreinforcedconcreteslabsstrengthenedreinforcedconcretebeams[J].Engineeringstructures,2020,40:317-326.[5]ElsanadedyHM,AlmusallamTH,AlsayedSH,etal.FlexuralstrengtheningofRCbeamsusingtextilereinforcedmortar-Experimentalandnumericalstudy[J].CompositeStructures,2020,97:40-55.[6]尹世平,徐世烺.钢筋与纤维编织网联合加强细粒混凝土梁的弯曲试验与理论研究[J].工程力学,2