GFRP抗剪加固二次受力混凝土梁的纤维应变

杨志刚,杨汝俊

(1.山东理工大学建筑工程学院,山东淄博255049;2.山东省博物馆新馆基建办公室,山东济南250014)

实际工程中存在较多的钢筋混凝土约束梁,这类梁在其内跨存在反弯点,力学性能比同条件简支梁复杂.本文通过采用具有优良性价比的GFRP(玻璃纤维布)加固二次受力钢筋混凝土约束梁的试验,对外贴纤维条带的应变发展、受力特点及相关因素对加固梁斜截面抗剪性能的影响程度进行分析,以期所得成果能给工程实践有益参考.

1 试验概况

1.1 试验方案

采用外贴GFRP布对二次受力钢筋混凝土约束梁进行斜截面抗剪加固.加固前将试验梁进行“预裂”,直至其两侧均出现主斜裂缝,最大缝宽达到或接近0.15 mm时停止加载.完全卸载后,采用U形加压条的粘贴方式加固,并在预裂斜裂缝处的GFRP条带上布置一定数量的GFRP应变测点,然后按原加载点重新加载,直至构件丧失继续承载的能力,发生最终破坏.表1给出了试验构件的主要变量参数.

1.2 构件的设计和制作

采用T形截面外伸梁,混凝土保护层厚度c=20 mm.试验梁尺寸及配筋详图如图1所示.

试验梁采用商品混凝土浇筑,设计强度等级为C25,实测抗压强度为24.32 MPa.在构件试验区段,按照构造要求配置抗剪箍筋;其他区域箍筋及纵筋按计算要求确定,以避免构件在加固区斜截面破坏前出现正截面破坏和非加固区斜截面破坏的情况.U形玻璃纤维带尺寸:b×h=40×840 mm2,压条尺寸为:b×h=40×1 200 mm2.试验加载装置如图2所示,试验材料性能见表2、表3.

表1 构件主要变量参数一览表

图1 构件尺寸及配筋图(单位:mm)

图2 试验加载装置简图(单位:mm)

表2 实测钢筋材料性能一览表

表3 试验用玻璃纤维布材料性能

为最大限度发挥GFRP条带参与抗剪的能力,对位于梁腹中部区域的斜裂缝采取条带加密布置的方式,具体布置形式如图3、图4所示.

图3 等间距布置GFRP条带(单位:mm)

图4 变间距布置GFRP条带(单位:mm)

2 试验结果分析

由于试验梁在加固前已经受损,“预裂缝”成为参与抗剪的薄弱环节.二次加载时,加固梁的预裂缝处首先重新张开,所对应的荷载值小于加固前的开裂荷载.弯矩比Φ较小时,位于正弯矩区的预裂缝张开后,随着荷载的增加而不断发展,且与裂缝相交处的纤维条带发生轻微剥离,同时负弯矩区出现另外一条腹剪主斜裂缝.破坏时,位于正弯矩区的预裂缝发展充分,裂缝穿过的纤维条带剥离严重,而负弯矩区的破坏较轻;弯矩比Φ较大时,负弯矩区的预裂缝重新开裂后,随着荷载的增加破坏越来越严重.最终破坏阶段,负弯矩区的斜裂缝宽度较大,纤维条带及压条剥离严重,正弯矩区破坏较轻.破坏形态见图5～图7.

二次受力GFRP加固梁加载至破坏的主要试验结果见表4.试验结果表明,采用GFRP布对钢筋混凝土梁进行抗剪加固,对于提高构件斜截面的承载能力具有比较明显的效果,这与诸多国内外现有的研究结论相一致.

一方面,按照有腹筋梁弯剪受力模型——桁架拱模型的理论,GFRP条带构成了模型中的受拉腹杆,二次加载过程中,由于预裂缝的存在,U形纤维条带及早的参与了试验梁的抗剪作用,并有效地分担了箍筋所承受的一部分剪力,进而改善了梁的受力形式,使梁的抗剪承载力增加;另一方面,因为外围U形GFRP条带在一定程度上限制了斜裂缝的发展,使得截面刚度下降趋缓,相应地增强了加固梁的抗剪变形能力.

图5 B-5破坏形态

图6 B-7破坏形态

图7 B-9破坏形态

2.1 沿斜裂缝截面GFRP应变分析

加固梁破坏时,其主斜裂缝的位置基本和预裂缝的位置重合,因此GFRP条带上与裂缝相交处的应变测点的记录值反映了斜裂缝处GFRP实际应变的发展和分布情况.图8～图11绘出了部分加固梁沿斜裂缝方向的GFRP应变测点记录值随荷载变化的曲线.

表4 GFRP加固梁试验结果

图8 B-6各级荷载下GF RP测点应变曲线

图9 B-5各级荷载下正弯矩区GFRP应变曲线

图10 B-5各级荷载下负弯矩区GFRP应变曲线

由图8可以看出,在相同的荷载情况下,与主斜裂缝相交的GFRP条带在不同位置处所达到的应变值是不同的.位于斜裂缝端部条带上的测点应变值小,在中部达到最大,且随着荷载的增大,两者的差值略有增加,说明其参与抗剪工作的程度不同.反弯点两侧应变值分布呈双峰状,主斜裂缝经过区段的纤维应变值比较高,反弯点两侧峰值分别对应于加固梁的两处主斜裂缝穿过的梁腹区域.

图11 B-8各级荷载下同条带GFRP应变曲线

由图9、10可以看出,和试验梁预裂斜裂缝相交处的纤维条带在二次加载过程中较早地参与了抗剪作用,受力大且增长迅速,此处的应变值远远大于试验过程中新出现的第二条主斜裂缝穿过的纤维条带的应变值,成为加固梁宣告破坏的关键,在试验梁破坏时,这条关键性的主斜裂缝所穿过的纤维条带应变值几乎同时达到最大;对于在试验过程中才出现的第二条主斜裂缝,在开裂以前,这条主斜裂缝所穿过的纤维条带的应变值很小且增加不显著,也就是说,试验梁在斜截面开裂之前,纤维的约束作用并不明显,在加载过程中出现的主斜裂缝开裂之后,随着荷载增加,纤维应变增加迅速.不论是新、旧主斜裂缝,整条荷载——应变的关系曲线均呈二折线模型,转点则分别发生在其相应的开裂荷载时.

由图11可以看出,在试验过程中,同一纤维条带不同测点的应变值均随荷载的增加而增大,并且其变化幅度存在显著差异:裂缝处的测点应变值较大,增长迅速;而未与斜裂缝相交的条带,应变值较小,增长缓慢,说明同一纤维条带不同位置的应力存在不均匀性.

2.2 预损程度的影响

试验梁的预损程度从31%到64%不等,经预裂后的试验梁极限承载力在Φ=1.0和2.0时的平均提高幅度分别为21.45%和56.95%;相应的,文献[1] 中的一次加载GFRP加固梁,极限承载力提高幅度在Φ=1.0和2.0时分别为35.23%和12.5%,考虑到试验梁的离散性,可以看出二次受力并未使加固梁的极限承载力显著降低,由此可以认为,预损程度在45%以下时(据表2-1,本文偏于保守的取其平均值)几乎不影响GFRP的加固效果.

2.3 数据统计分析软件SPSS15.0对FRP加固钢筋混凝土约束梁的影响因素分析

在2.2节理论分析的基础上(预损过程对加固梁的极限抗剪承载能力没有明显影响),利用数据统计分析软件SPSS对本试验及已有试验数据[1-3],就混凝土强度、弯矩比、加固方式这三个影响方面进行因素分析,试验数据见表5,软件分析结果见表6.

表5 试验数据一览表

由表6的方差分析结果可以看出,对于FRP加固钢筋混凝土约束梁的诸多影响因素(混凝土强度、弯矩比、加固方式)中,混凝土抗压强度的相伴概率(Sig.)为0.001,对抗剪承载能力达到了极显著的影响水平,这与很多既有有关FRP加固简支梁的试验研究结果[2-6]相同,因为混凝土抗压强度的大小在一定程度上决定了钢筋混凝土梁抗剪承载能力的大小,而且混凝土强度对于FRP加固梁的界面粘结性能和剥离承载力影响显著[7-13],随着混凝土强度的增加,界面粘结性能和剥离承载力均有提高,所以,较其他两个影响因素而言,混凝土强度成为FRP加固钢筋混凝土梁抗剪极限承载力的首要因素,根据本试验和已有试验结果[1-3](表5)也可以明显看到,随着混凝土强度的增高,极限抗剪承载力增大.

由于弯矩比的大小对于伸臂梁、连续梁等约束梁的破坏形态和抗剪极限承载力也有影响,表6中弯矩比的相伴概率(Sig.)为0.161,略大于0.05的差异显著水平,从分析结果上说明其对试验梁的抗剪承载能力有较为显著的影响水平.

加固方式的相伴概率(Sig.)为0.858,远远超过了0.05的差异显著水平,说明在三个影响因素中,其对试验梁的抗剪承载能力没有显著的影响水平,影响程度最弱.

3 结论

(1)二次加载过程中,和试验梁预裂斜裂缝相交处的纤维条带较早地参与了抗剪作用,反弯点两侧纤维条带应变值分布呈双峰状;在相同荷载情况下,与主斜裂缝相交的GFRP条带在不同位置处所达到的应变值是不同的,参与受力的同一纤维条带,不同位置的应力存在不均匀性;不论是新、旧主斜裂缝,整条荷载——应变的关系曲线均呈二折线模型,转点则分别发生在其相应的开裂荷载时.

表6 主体间效应的检验

(2)预损程度在45%以下时(本文偏于保守的取其平均值)几乎不影响GFRP的抗剪加固效果.

(3)在本试验所研究的对GFRP加固钢筋混凝土约束梁的诸多影响因素(混凝土强度、弯矩比、加固方式)中,混凝土强度成为FRP加固钢筋混凝土梁抗剪极限承载力的首要因素,随着混凝土强度的增高,加固梁极限抗剪承载力增大;弯矩比Φ对于二次受力加固梁的抗剪承载力有较为显著的影响水平.

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