cfrp板条加固足尺混凝土梁抗弯性能试验研究

cfrp板条加固足尺混凝土梁抗弯性能试验研究

frp与效率随着fpr外涂层技术的广泛应用，fpr材料更新的应用形式已成为土木工程界的研究重点。内嵌(Near-SurfaceMounted,简称为NSM)FRP加固技术便是其中有代表性的一种新的应用形式,施工时将FRP筋或板条放入结构表面预先开好的槽中,并向槽内注入黏结材料使之形成整体,以此来改善结构的力学性能,达到加固修复的目的。由于FRP和胶粘剂主要处于构件内部,故能有效地抵抗火灾的高温作用、避免车轮和重物的直接辗压和冲击,尤其适合于桥面板和楼面板负弯矩区域的加固。近几年来,国外一些学者已相继开展了内嵌FRP加固技术有关的试验研究、理论分析和工程应用[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。在国内,内嵌FRP加固技术的研究和应用尚处于起步阶段。本文通过6根6.2m长足尺混凝土梁的抗弯加固试验研究,对内嵌CFRP板条加固梁的破坏过程、受力性能、截面应变分布和挠度变形规律进行分析探讨,并根据试验结果和结构加固理论提出相应的抗弯承载力计算方法。1试验梁及加载方案本次试验共设计了6根矩形截面简支试验梁,如表1所示,其中C1为基准梁;M1和M2为加固前无预加载的内嵌CFRP板条加固梁,M3为有预加载(加载到0.7Mu(250kN)再卸载到0.4Mu(140kN)时)的内嵌CFRP板条加固梁;U1和U2分别为用于M1、M2和M3对比的外贴CFRP板条梁。试验梁基本参数如图1所示:梁截面尺寸b×h=300mm×600mm;混凝土强度等级按C30设计;纵向受拉钢筋为425(HRB335级),ρ=1.2%;架立筋为2准10(HPB235级);箍筋为准10@150(HPB235级);加固用CFRP板采用Sika公司产品。各材料实测性能参数见表2。准考虑到试件尺寸和重量较大,同时为了便于观察试验梁的开裂、失黏等现象,本试验采用中部梁底两点简支、外伸梁端正位加载的等效方案(图2):中央2m为纯弯区,两侧弯剪段长度均为2m,离梁端0.1m处同步向下施加集中荷载,相当于跨度6m、中部两点对称反位加载的简支梁。在分级加载试验过程中,量测跨中、支座及加载点处的竖向位移,跨中截面不同高度处的混凝土应变、纵向受拉钢筋及CFRP板的应变,测点布置见图1。试验时还对裂缝开展、CFRP失黏和混凝土压碎等现象进行了观察。各梁的开裂、屈服和极限弯矩及破坏形态见表3。2主要试验结果2.1抗弯强度与外贴加固梁的关系所有试验梁均表现为受拉钢筋屈服后受压区混凝土压碎的破坏模式,破坏时CFRP板条未拉断,如表3所示。相对基准梁而言,CFRP板条加固梁(无论外贴还是内嵌)的屈服荷载和极限荷载都有不同程度的提高,且极限荷载提高的幅度高于屈服荷载提高的幅度。和外贴加固相比,内嵌CFRP板条加固梁的极限承载力要高于相应的外贴加固梁。这主要是因为内嵌板条的两个面均与混凝土槽相黏结而外贴板条仅单面与混凝土表面黏结,因此,即使内嵌板条在濒临破坏时发生了较大的端部滑移(见图3),也不会如外贴板条一样出现界面剥离而局部丧失承载能力(见图4),从而内嵌板条强度的利用程度相对更充分一些。有预载加固梁(U2和M3)的屈服荷载及极限荷载均高于基准梁,但低于相应的无预载加固梁,这是因为有预载加固梁在粘贴CFRP以前已承受了一定荷载,CFRP只有在继续加载后才开始发挥作用,存在着应变滞后现象,导致在纵筋屈服前CFRP发挥的作用较小,即使濒临破坏时其强度也不如无初载加固梁发挥充分。需要说明的是,本文试验梁的抗弯承载力提高幅度为(20~30)%,远不如低配筋小梁,这不仅是因为本文试件配筋率较高,更是由于其CFRP配置率很低。如果CFRP用量与截面尺寸成比例增加,承载力提高幅度应该会更大些。但是,随着CFRP用量的增多,出现黏结破坏的可能性同样会增大,其抗弯增强效率将有所下降。2.2混凝土平均拉应变图5为试件M1和M3跨中截面实测应变分布图。可见,无预加荷载时,内嵌加固梁跨中CFRP板条拉应变、受拉钢筋的平均拉应变和混凝土平均压应变沿截面高度基本符合线性分布规律;对加固时已承受荷载的构件,把加固梁面处应变取为该处初始应变与CFRP板条实际应变之和(名义拉应变),则加固后上述线性分布规律依然成立。2.3荷载-跨中挠度曲线加固梁荷载-跨中挠度曲线如图6所示。由图可见,内嵌CFRP板条加固梁的挠度变形规律和外贴加固梁类似,也可分为3个阶段来进行描述。在混凝土开裂前,各试验梁的荷载-跨中挠度曲线基本呈线性关系,且各梁的开裂荷载相差不大。这是因为在荷载较小时,试验梁大致处于弹性工作阶段,由于CFRP板条应变小,面积也不大,其抗裂作用有限。开裂时截面刚度降低,荷载-跨中挠度曲线出现较明显的转折,挠度增长加快。混凝土初裂以后,虽然该裂缝继续延伸和加宽,并有新裂缝不断出现,但在纵向受拉钢筋屈服之前,同一试件的荷载-跨中挠度曲线斜率变化不大。不过,加固梁的荷载-跨中挠度曲线的斜率均较基准梁相应曲线的斜率有不同程度的增大,但内嵌和外贴两种方式的曲线基本接近,说明两者对梁刚度的提高作用基本相同。当受拉钢筋屈服以后,荷载增长趋缓,但挠度增长迅速,试验梁开始进入破坏阶段。比较而言,基准梁在这一阶段的荷载-跨中挠度曲线颇为平坦,呈现明显的塑性特征。CFRP板条加固后的梁虽然也表现出一定的塑性,但其延性有所下降,尤其是外贴加固梁的延性下降更为明显。由于钢筋屈服后荷载仍在爬坡,CFRP加固梁的极限荷载较基准梁有明显提高。图6(b)为加固时有预加荷载作用的内嵌和外贴CFRP板条加固梁(M3和U2)的荷载-跨中挠度曲线对比图。由图可知,有预加荷载加固梁的荷载-跨中挠度曲线和无预载加固梁类似,只是其屈服荷载和极限荷载提高的幅度略低于相应的无预载加固梁。此外,由M3和U2加固前预加荷载的卸载和再次加载曲线基本重合的规律来看,短期的加载和卸载行为对加固梁的受力性能无明显的影响。3混凝土基弹性材料在进行内嵌CFRP抗弯加固混凝土梁承载力分析时,采用如下基本假定:(1)《混凝土结构设计规范》(GB50010—2003)的基本计算假定;(2)无滑移假定,即认为所考虑的截面上FRP与混凝土之间黏结可靠,不发生相对位移;(3)CFRP为理想的线弹性材料;(4)考虑预加荷载的影响,并根据加固时的预加荷载大小计算CFRP的滞后应变εi。3.1混凝土的开裂弯矩由于混凝土应力-应变曲线受拉时的弹性范围比受压时小得多,因此随着荷载的增大,受拉区混凝土首先出现塑性变形,其应力图形呈曲线分布,而此时受压区混凝土尚处于弹性阶段。为简化计算,当受拉区混凝土处于将裂未裂的临界状态时,可近似取受拉区混凝土的应力为矩形,而受压区混凝土的应力为三角形分布,如图7(b)所示。这时截面应变关系满足:对受压区混凝土合力Cc作用点取矩,则内嵌CFRP加固梁的开裂弯矩Mcr为:式中:xcr为梁受拉区混凝土开裂时的截面中和轴高度;αEs=Es/Ec,αEp=Ep/Ec分别为纵向受拉钢筋、CFRP板条与混凝土的弹性模量比;εc、εs、εp分别为混凝土受压边缘的压应变、纵向受拉钢筋的拉应变和内嵌CFRP板条的名义拉应变;h、h0、hp分别为混凝土梁的截面高度、截面有效高度和内嵌板条中和轴到受压区边缘的高度;As和Ap分别为纵向受拉钢筋和CFRP板条的截面面积。3.2混凝土应力-应变关系曲线特征为了简化计算,假定开裂截面拉力全部由纵向钢筋和内嵌板条承担,如图7(c)所示。当纵向钢筋受拉屈服时,有:则轴力平衡方程可写成:其中,受压区混凝土合力Cc及其作用点至该区边缘的距离yc可根据混凝土的应力-应变关系曲线特征分段表达如下:当0≤εc<ε0=0.002时,当ε0≤εc≤εcu=0.0033时,由式(4)~式(6)得到关于受拉钢筋屈服时截面中和轴高度x0的方程:由于式(7b)较易求解,计算时可先从中解出ξ0及x0,再由式(4)得到εc,如果ε0≤εc≤εcu,则所得x0和εc有效;否则应按式(7a)重算x0和εc。然后计算εp和yc,则屈服弯矩My可按式(8)求出:3.3混凝土压碎和片材未拉断的情况根据钢筋是否屈服、混凝土是否压碎和CFRP片材是否拉断,内嵌CFRP板条加固梁的弯曲破坏可呈现出受拉钢筋屈服前混凝土压碎、屈服后混凝土压碎和屈服后FRP拉断等3种不同的破坏形态。如图7(d)所示,当加固试件的破坏特征为钢筋屈服后混凝土压碎而片材未拉断时,则截面的几何关系和平衡方程简化成为:当混凝土强度等级不超过C50时,α1=1.0,β1=0.8。联立式(9)、式(10)可得:由式(11)解得ξ及x后,可由式(12)直接确定极限弯矩Mu:若加固试件表现为受拉钢筋屈服前混凝土压坏而内嵌FRP片材未拉断的破坏特征时,由截面几何关系和静力平衡条件同样可以得到如式(11)所示的有关ξ的一元二次方程,但此时系数Ks和Kp分别为:相应的极限弯矩Mu为:当加固试件的破坏特征为钢筋屈服后片材拉断而混凝土未压碎时,根据受压区边缘混凝土压应变εc的大小以及截面静力平衡条件和几何关系可得到关于受压区混凝土高度xu的方程为:将xu替代式(6a、6b)中的x0即可得到受压区合力作用点至受压边缘的距离yc,则相应的极限弯矩为:3.4加固梁抗弯承载力采用上述公式对本文以及其他文献中发生弯曲破坏的内嵌CFRP加固梁的抗弯承载力进行了计算,其结果如表3所示。对比分析表明本文公式计算所得的承载力及破坏形态与试验结果吻合较好,其中极限弯矩计算值与实测值之比的平均值为1.011。4加固梁的受弯承载力(1)内嵌CFRP板条加固能够显著改善构件的受力性能,有效避免板条的黏结