纤维-混凝土组合梁的性能试验研究

纤维-混凝土组合梁的性能试验研究

近年来，由钢筋腐蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性问题是土木工程中常见的问题之一。fps材料具有强度高、轻量、耐腐蚀性、耐疲劳、无磁性和电绝缘性等特点。我们希望从根本上解决钢筋混凝土的腐蚀问题。目前，fps-混凝土组合结构已成为研究热点。本文采用玄武岩纤维(BFRP)与碳纤维(CFRP)的混杂纤维布(HFRP)作为增强材料,设计并研究了一种采用湿黏结界面方式的HFRP-混凝土组合梁.湿黏结是指先在FRP表面上刷一层黏结剂,在黏结剂开始发黏、但是尚未固化时浇筑混凝土形成界面的一种方法.湿黏结技术是一种较新的界面黏结方式,对黏结树脂和操作的要求较严格,在国内尚无大量试验表明其可靠性.本文采用T形截面,变化5种界面方式,完成了12根HFRP-混凝土(HFRP-RC)组合梁的四点受弯试验研究.结果表明,这种组合梁具有较高的极限承载力和较好的延性.1锚固材料参数本试验共设计了12根T形梁,梁长2m,净跨1.8m(见表1).试验所用材料性能见表2～表4.FRP型材底部沿梁长铺设单向纤维布,主要承受拉力;侧面BFRP方向为垂直于梁跨度方向铺设单向布,主要承受剪力.除B2梁采用CFRP(30)布和C60自密实混凝土外,其余梁均采用CFRP(20)布和C50普通混凝土(见图1).开裂前后按每级2kN加载,其余情况下按照每级5kN加载.为了验证阴角处是否需要特殊锚固措施,对部分梁进行了锚固处理.采用表2的材料参数按照混合定律进行CFRP和BFRP混杂比设计,使得CFRP断裂后BFRP的承载力仍然能够超过CFRP断裂时混杂纤维的总承载力,从而得到出现完整混杂效应的临界混杂比为1∶3.75.因此,本文试验梁梁底的HFRP采用了3种混杂比:1C3B,1C4B,1C5B.本文共采用以下5种界面方式:①CH-1A型环氧树脂和自密实混凝土的湿黏结(W-CH-SCC).②CH-1A型环氧树脂和普通混凝土的湿黏结(W-CH).③FCS型环氧树脂和普通混凝土的湿黏结(W-FCS).④CH-1A型环氧树脂在FRP模壳上预黏结石子作为界面的方式(BG-CH).⑤CH-1A型环氧树脂的干黏结(EB-CH).2试验结果与分析2.1试验结果及荷载混凝土对比梁的破坏模式为钢筋屈服后混凝土压碎.从表5可以看出,除B2外,其余组合梁的试验现象有一定的相似性.组合梁受力过程大致可分为以下3个阶段:开裂前、开裂后屈服前和屈服后.屈服前组合梁比较稳定;屈服后有一些共同的明显特征:荷载难以稳定、位移发展较快、出现连续响声(侧面树脂拉裂的声音.由于侧面纤维布设方向垂直于梁长,因此侧面正应力主要由树脂承担,随着裂缝的开展,树脂被拉裂)、出现较响的连续响声(侧面开始局部剥离的声音)、侧面FRP出现空鼓区;纤维断裂后,荷载迅速下降至一个稳定值,此后荷载增长缓慢,而跨中变形明显加快.各组合梁破坏过程的特征荷载见表5.其中Pcr表示梁的开裂荷载,Py表示屈服荷载,Pu表示混杂FRP拉断时的荷载,即组合梁的极限荷载;FRP拉断均指钢筋屈服后梁底混杂FRP拉断,最后混凝土压碎,FRP剥离指梁底部纵向混杂FRP剥离.从表5可以看出,与混凝土对比梁相比,组合梁的开裂荷载有少量提高;屈服荷载提高较明显;极限荷载得到了显著提高;而且纤维层数越多,极限荷载越高.B2梁采用自密实混凝土,其过早发生剥离破坏的原因是自密实混凝土水分较多,过多的水分破坏了湿黏结界面.从表5可以看出,除B2外所有组合梁的破坏模式均为底部纵向纤维拉断.说明FRP材料得到了充分利用.锚固措施仅对侧面FRP空鼓时的荷载和空鼓区域的大小有影响,对组合梁极限承载力影响较小.无锚固的梁,侧面BFRP出现空鼓时的荷载较小,空鼓区域较大.加钢棒锚固的梁,出现空鼓时的荷载比无锚固梁有较大提高,而且空鼓区域减小很多,仅在无钢棒处有少量空鼓.对于仅加钢片锚固的梁(B5),由于锚固面积较小,锚固间距较大,无锚固处仍有少量空鼓,效果不如钢棒锚固好.2.2极限应变值的计算对试验结果的分析如表5所示,其中,Pu,d表示理论极限荷载;Py,i,Pu,i表示Bi(i=1,2,…,12)梁的实测屈服荷载和极限荷载;Mu,d表示跨中理论弯矩值;εfu1,εfu2分别表示实测HFRP极限应变值及按照实测荷载反推得到的极限应变值;Δy,Δ1表示钢筋屈服和纤维拉断时的跨中位移;μΔ表示位移延性系数.2.2.1组合梁围岩应力分析在组合梁的跨中沿截面高度方向布设一排手持应变仪测点,标距为250mm,以测量组合梁不同高度处的应变.图2为具有代表性的B10梁跨中沿截面高度应变分布图.由图2可见,平截面假定基本成立,组合梁在受力机理上与FRP加固钢筋混凝土梁相似.2.2.2fc与hfrp-rc组合梁的强度关系计算极限承载力时,采用基于平截面假定的受弯构件正截面的受力分析方法;钢筋本构关系采用理想弹塑性模型,混凝土本构关系采用我国《混凝土结构设计规范》推荐的本构模型,FRP本构关系采用线弹性模型,纤维极限应变值取1倍的CFRP极限应变.计算时不考虑混凝土受拉;不考虑钢筋滑移并认为FRP和混凝土间不发生剥离.由表5可知,除B2外所有组合梁的破坏模式均为底部纵向纤维拉断.此种破坏模式的受力分析如图3所示.由平截面假定可得εcεhfu=x0h+tf/2-x0(1)εcεhfu=x0h+tf/2−x0(1)式中,εc为混凝土受压区边缘应变;tf为HFRP厚度;εhfu为HFRP极限应变;x0为混凝土受压区高度,即x0=εcεc+εhfu(h+tf2)(2)x0=εcεc+εhfu(h+tf2)(2)根据截面上力的平衡,有Fhf+Fs=Fc+F′s(3)式中,Fc为受压区混凝土合力,按Fc=α1fcbβ1x0计算;Fhf,Fs,F′s分别为HFRP、纵向受拉钢筋和纵向受压钢筋的合力,分别按照Fhf=Ahfσhfu,Fs=Asfy,F′s=A′sσ′s计算,代入式(3)可得α1fcbβ1x0+A′sσ′s=Ahfσhfu+Asfy(4)式中,As,A′s,Ahf分别为纵向受拉钢筋、纵向受压钢筋和HFRP的面积;fy为受拉钢筋屈服强度;σ′s为受压钢筋应力,即σ′s=E′sε′s(5)ε′s=x0-a′sx0εc(6)式中,E′s,ε′s为受压钢筋弹性模量和应变;σhfu为HFRP极限强度,即σhfu=(Ecfνcf+Ebfνbf)εcfu(7)其中,Ecf,Ebf为CFRP,BFRP拉伸弹性模量;νcf,νbf为CFRP,BFRP在混杂纤维中的体积含量;εcfu为CFRP极限应变.由于受压区混凝土未达到极限状态,因此不能按照规范规定的等效矩形应力系数计算.根据混凝土材料的非线性特性,计算Fc需按给定的混凝土本构关系进行积分,即Fc=k1fcbx0=α1β1fcbx0(8)式中,k1为混凝土矩形等效应力图形系数,即k1={εcε0-ε2c3ε200<εc≤ε01-ε03εcε0<εc≤εcu(9)其中,ε0,εcu为混凝土的峰值应变和极限应变;α1为等效混凝土抗压强度设计值系数,即α1=k1β1(10)其中,β1为等效混凝土受压区高度系数,即β1={4ε0-εc6ε0-2εc0<εc≤ε02-6-ε20/ε2c6-ε0/εcε0<εc≤εcu(11)求解x0值时可以联立求解方程组,也可以用迭代法试算.迭代法首先假设一个受压区混凝土边缘压应变初始值εc,计算各参数值,然后由式(2)和式(4)分别求得一个x0值;将两式计算出来的x0值相比较,如不相等,调整εc值,直到两者近似相等.HFRP-RC组合梁的抗弯极限弯矩按照下式确定:Μ=Asfy(h0-x2)+Ahfσhf,u(h+tf2-x2)+A′sf′y(a′s-x2)(12)x=β1x0(13)式中,M为跨中截面极限弯矩;x为矩形等效后的混凝土受压区高度;极限荷载为Ρ=2Μl/3(14)式中,l为计算跨度.式(12)、(14)的计算结果如表5所示.从表5可以看出:极限承载力与界面方式无关,相同纤维层数、不同界面方式的组合梁承载力大致相当;纤维层数越多,极限承载力越高.由表5可知,除B2(剥离破坏)外,组合梁极限弯矩理论值与实测值相差最大为13.9%,其中,1C3B,1C4B和1C5B梁的平均偏差分别为3.0%,6.5%和11.4%;同时,组合梁实测和反推CFRP极限应变值也都出现了随着BFRP/CFRP混合比例的增加而增大的规律.这些现象说明了混杂纤维中混杂效应的存在,将高延性的BFRP与CFRP混合可以提高CFRP的极限应变,从而使得按照1倍CFRP极限应计算得到的承载力偏低.因此在计算混杂纤维组合梁极限承载力时,应考虑混杂效应造成的CFRP极限应变的提高.混杂FRP的极限强度为σhfu=(Ecfνcf+Ebfνbf)εcfuφ(15)式中,φ为混杂纤维中CFRP极限应变提高系数,由材性试验确定.2.2.3cfrp极限应变在CFRP布加固梁中的CFRP极限应变值往往达不到其极限延伸率指标εcfu.从表5可以看出,本文实测得到的FRP极限应变在(13.61～18.70)×10-3之间,是CFRP布材性试验极限延伸率15.66×10-3的0.87～1.19倍,与文献中CFRP布加固梁CFRP极限应变值为0.21～0.80倍极限延伸率εcfu(见表5)相比,CFRP极限应变得到了很大提高.3种不同界面方式的组合梁实测CFRP极限应变进行比较(见图4),可明显看出:随着混入BFRP比例的增加,CFRP极限应变也在提高.这种现象可以用破坏约束理论解释,即混杂FRP中CFRP首先产生裂纹并进行传播,会被两侧的BFRP层阻止,这将降低随裂纹增长应变能的释放率,因而需要更高的应力(或应变)来使裂纹传递;而且BFRP含量越高,这种约束作用就越明显.2.2.4试验梁的黏结性能从梁侧面空鼓处剥开后的5种界面比较(见图5)可以看出,BG-CH界面仅粘有石子,EB-CH,W-FCS和W-CH都粘有一层砂浆及少量的石子;W-CH-SCC黏结效果最差.层数相同时,采用EB-CH,W-CH,W-FCS和BG-CH等4种界面方式的梁具有相近的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载,其荷载-位移曲线几乎重合,而且FRP都能够拉断,说明4种界面都具有较好的黏结性能.相对于其他界面方式,采用湿黏结技术的施工速度较快.由于未来作为永久性模板的FRP型材可以直接购买,因此可以不计算制作FRP模壳的工时.本次试验时,一根试验梁的刷胶工作只需要10min左右,而采用干黏结的外贴梁,需要打磨、用酒精清洁、刷底胶、浸布、贴布等工序,完成一根试验梁的贴布工作至少需要3h,而且该方法对工人技术要求较高,不同工人施工离散性较大;而且工人接触大量树脂,对工人身体造成伤害,同时严重污染环境.可见,采用湿黏结技术并采用工业化生产的FRP型材,可以大大提高施工效率,并减少环境污染.2.2.5梁端破坏力学的影响梁刚度的定义是荷载位移曲线上各点的斜率;由组合梁的荷载-位移曲线(见图6)可以看出,与对比梁相比:①开裂前组合梁刚度与对比梁几乎相当;②组合梁开裂后刚度稍高于对比梁,屈服荷载比对比梁显著提高;③屈服后阶段组合梁仍然具有稳定的刚度.组合梁屈服后刚度又称二次刚度.二次刚度的意义在于当梁受到较大的荷载时,即使在受拉钢筋屈服后底部纤维仍然能够继续承载,控制挠度发展.如受到较强的地震作用时,可以实现对梁端转角的控制,实现中震可修的目标.我国公路桥梁目前普遍存在超载现象,具有二次刚度的组合梁可以控制超载情况下桥梁的变形,提高桥梁的可恢复性和疲劳性能,因此具有重要的意义.普通混凝土适筋梁一般具有较好的延性;对于纤维混凝土组合梁来说,由于纤维断裂具有突然性,因此位移延性是反应其结构性能的一个重要的指标.位移延性系数为μΔ=ΔuΔy(16)式中,Δu为达到梁极限状态时梁的挠度;Δy为梁内钢筋屈服时梁的挠度.由表5可知,混凝土对比梁的位移延性系数μΔ=12.97;而对于组合梁来说,μΔ∈(5.66,7.15).文献中,5根CFRP加固矩形混凝土梁的位移延性系数在(2.31,2.96),作为对比梁的普通混凝土矩形梁的位移延性系数也只有4.41.由此可见,此种组合梁的位移延性虽然不如普通钢筋混凝土梁,但是仍然具有较高的延性.3组合梁的极限刚度1)设计了一种采用湿黏结界面方式的HFRP型材-混凝土组合梁;这种组合梁施工方便,具有优越力学性能的同时能够大大提高结构的耐久性.2)组合梁开裂前刚度与对比梁几乎相当;组合梁开裂后刚度略大于对比梁;组合梁在钢筋屈服后仍具有较高的二次刚度,可以有效地控制超