FRP-螺栓联合加固RC梁粘结性能试验研究

张 峰,牛平霞,李树忱,孙秋彦

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心,济南 250061;2.华北水利水电学院 土木与交通学院,郑州 450011)

利用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic Polymer,简称FRP)对混凝土构件进行加固、改造和维修在工程实际中得到了广泛的认可。外贴FRP加固法(EB-FRP加固法)是目前使用最广泛、操作最为灵活、同时也是最易掌握的一种加固方法[1-3]。但是外贴FRP加固法有2个致命的缺陷:一是FRP材料与原结构的过早剥离[4-5],使得FRP的利用率仅有15%～35%[6];二是这种加固方法的破坏模式趋近于脆性[7-8]。为了解决这2个问题,香港城市大学提出了FRP-锚钉联合加固(HB-FRP)的方法,该技术通过在混凝土构件中FRP两侧打设钢钉,并通过机械紧固件与FRP粘结在一起,以阻止FRP与梁底的分离,进而改善脆性的破坏模式[9]。

FRP加固构件早期剥离的界面应力传递状态之一就是中部弯曲裂缝引起的界面剥离[4],因此中部剥离问题在FRP加固混凝土构件中是非常重要的。目前主要通过正拉试验、单剪试验、双剪试验、修正梁、压剪试验等研究外贴FRP加固法、表面内嵌法等加固方法的中部剥离问题[9-10],对于FRP-螺栓联合加固技术中部剥离问题的研究非常罕见。该文通过对17根留有预切缝的试验梁进行跨中加载试验,研究FRP-螺栓联合加固技术的粘结性能、锚固间距和合理锚固长度。

1 试验概况

1.1 试件设计

共设计了17根混凝土试件,分为2组。混凝土采用C40,纵向钢筋和箍筋均采用H RB335级钢筋,具体截面尺寸及配筋见图1。所有试件均用梁底外贴法粘贴2层尺寸为0.167mm×60mm(厚度×宽度)的CFRP布,具体粘贴的长度情况见表1。试验的主要变化参数有研究段的粘贴长度和锚固件的间距。加固方式中“EB-FRP”是指试验梁采用外贴FRP的加固方式、“HB-FRP”是指FRP-螺栓联合加固同时钢板也粘贴的加固方式。“EB-FRP”试验梁采用间隔100mm的应变片间距来测量FRP的应变分布,其余的试件相邻2个扣件的两端和中部视具体情况粘贴应变片,详细位置见图2。锚固件的钢板采用尺寸为60mm×60mm×5mm的高耐候性钢板;螺栓采用直径为12mm的35号高强螺栓,详细尺寸见图3。

图1 矩形梁截面尺寸及配筋图

图2 应变片布置图

表1 FRP-螺栓联合加固技术试验试件参数

图3 锚固件尺寸详图

1.2 试件的制作

1.2.1 EB-FRP试验梁的制作 EB-FRP试验梁按照湿贴法进行安装。首先对试件表面进行处理,用打磨机将混凝土表面打磨平整,用吹风机除掉表面的杂质,并保持干燥;根据生产商提供的工艺规定配置底层胶(采用2651-A和2651-B以2:1的比例调和均匀),采用滚筒刷将底层胶均匀的涂抹在混凝土表面,静候约0.5 h,保证下一步工序施工时底层胶指触干燥;在底层树脂表面指触干燥后用找平胶(2614-A和2614-B以2:1的比例调和均匀)补平混凝土表面的凹陷部位;待找平胶指触干燥后于粘贴部位涂抹浸渍胶(2654-A和2654-B以2:1的比例调和均匀),然后将裁好的碳纤维布用手(带塑料手套)轻压粘贴于需要粘贴的部位,接着采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压,挤除气泡,使浸渍树脂充分浸透碳纤维布;第1层FRP浸渍胶指触干燥后再重复上一步骤,并在第2层FRP条上均匀涂抹浸渍胶;加固完成7 d后,即可进行加载试验,完成图见图4。

图4 EB-FRP试件完成图

1.2.2 HB-FRP试验梁的制作 HB-FRP试验梁的制作包括湿贴法及锚固件的安装,EB-FRP试件的环氧树脂干燥后即可进行锚固件的安装。首先在需要安装锚固件的预孔位置放线定位,用直径为14mm钻头的冲击钻预先钻孔,深度约8mm;清除孔内杂质;向预钻孔灌注环氧树脂(将环氧树脂和固化剂以1:1的比例调和),保证FRP与紧固件的粘结区域有一定厚度的环氧树脂;迅速将螺栓置于预钻孔内,并顺序放置钢板、垫片、螺帽;用手动的扭矩扳手对螺栓施加55 N◦m的扭矩,使钢板与FRP紧密连接;根据环氧树脂规定的养护条件养护至终凝时间,即可进行试验,完成图见图5。

图5 HB-FRP试件完成图

1.3 试验设计

试验采用梁剪试验方法,在加载梁的底部粘贴FRP,通过控制梁的构造和钢筋配置来保证梁的裂缝首先出现在跨中,即在梁的跨中截面纵筋不连续,并在受拉区切缝,以精准控制裂缝位置。FRP布条在研究半跨内按设计粘结长度粘贴锚固,在另半跨内通长粘贴锚固,见图6。所有试验均为简支,采用锚索测力计(BGK4 900/1 000 kN)作用的跨中静力加载(见图7),通过DT615自动记录各项变化的参数,并用相应的程序计算出荷载值。试验量测内容包括加载大小、挠度、CFRP的应变,试验应变及挠度(通过安装百分表测得)的数据全部由日本产的DTS602数据采集仪自动采集。加载采用手动千斤顶,通过锚索测力计控制加载的大小。

图6 试验示意图

图7 试验装置图

2 试验结果及分析

2.1 荷载-跨中挠度曲线

图8 荷载-跨中挠度曲线

由图8知,对于跨中有预切缝的EB和HB加固梁,FRP在预切缝处开始剥离时荷载会略有下降,挠度持续增加;对于相同的FRP锚固长度,HB试件的初始剥离荷载与EB试件的极限荷载非常接近;HB-FRP梁相对于EB-FRP梁荷载、挠度增量非常显著,这是因为:EB-FRP梁预切缝处界面剪切力较粘结力大,出现应力集中,使得梁出现局部剥离,且迅速向一侧端部扩展(常为较近端);对于HB-FRP试件,FRP在预切缝处发生剥离时,邻近的钢扣件会迅速阻止剥离的发展,且钢扣件的正压力减缓了FRP板的整体纵向滑移,使得试件整体荷载持续增长,若其产生的粘结强度超过了界面剥离的剪切应力,则破坏表现为其它方面,如FRP的拉断、受压区混凝土被压碎及试件的剪切破坏等,这也是试验结果所表现出来的破坏形式,参见表2。

表2 FRP-螺栓联合加固技术试验结果

2.2 FRP应变分析

试件梁底FRP应变在各荷载阶段沿全梁的分布见图9,试验梁在极限荷载作用下FRP的应变分布见图10。由分布图知,FRP在预切缝处的应变最大,所以可认为跨中截面为最危险截面,即控制截面,但是由于试件部分截面存在着应力集中,使得应变分布图有一定的突变,但是这并不影响FRP的整体趋势。由表2知相同的FRP锚固长度,在试件破坏之前,HB-FRP体系跨中截面的最大剥离应力有较大的提高(129%～415%),平均提高约246%。

2.3 破坏形式

根据对 FRP与混凝土粘结性能问题的研究[11-13],FRP与混凝土粘结界面的破坏形式主要有5种:1)混凝土的剪切破坏;2)FRP的拉断破坏;3)粘结胶层的剪切破坏;4)FRP与粘结胶界面的剥离破坏;5)混凝土与粘结胶界面的剥离破坏。该试验的破坏形式表明,HB和EB试件的破坏形式实质上是一致的,与前期的研究结果非常吻合,参见表2,试验破坏图见图11。

FRP加固混凝土构件的一个重要特点是其存在一个有效粘结长度,当粘结长度超过该有效长度时,FRP的承载力不再提高[3]。因此对于该试验,可认为当FRP的锚固长度超过其合理的锚固长度时,EB试件的剥离方向具有不确定性;对于 HBFRP,当钢板的锚固间距一定时,可预测出也应存在一个较为合理的锚固长度,当超过这个长度后,FRP的大面积剥离方向具有不确定性,但是随着FRP的持续剥离,当HB试件产生的粘结强度比剪切应力大时,就会出现FRP的拉断、试件的剪切破坏等破坏形式。根据上面的分析,由第一组的试验结果知,EB构件的合理锚固长度为300mm,HB构件的合理锚固长度为450mm。同样,也可预测出对于FRP的某一锚固长度,必然存在一个最为合理的锚固间距,使得FRP的利用率最高,即FRP被拉断,试验结果表明,锚固间距为150mm(锚固长度的1/4)时,FRP得以充分利用。

图9 试件的FRP板全梁应变分布

图10 试验梁极限荷载作用下的FRP应变分布

图11 试验破坏图

3 中部裂缝引起的剥离强度的计算公式

3.1 EB-FRP中部裂缝引起的剥离强度的计算公式

EB-FRP中部裂缝引起的剥离可采用修正的Chen and Teng模型[3],根据试验结果重新确定 α值,以满足工程实际的需要。中部剥离应力公式如下:

式中:Ef为FRP片材的弹性模量;tf为FRP片材的名义厚度(不考虑树脂基质的厚度);Ld为FRP片材从其充分利用截面到截断位置的长度;βL为FRP片材长度影响系数;Leff为FRP有效粘结长度;La为锚固长度;βf为FRP片材宽度影响系数;bf为FRP片材的宽度;bc为混凝土梁底的宽度;fcu为混凝土立方体抗压强度设计值。

由试验结果知合理锚固长度为300mm,根据合理的锚固长度公式376mm,实测值与计算值的比值为0.8,可见试验值与计算值较为吻合。根据试验及要求的保守程度,并考虑数据的离散型,取α=0.55,试验值及计算值如表3。

表3 EB-FRP试件中部剥离应力的试验值与计算值的比较

由表3知,除了一个计算值略大于试验值外,其它所有的计算值都是安全的,所以取α=0.55用于计算EB-FRP中部裂缝引起的剥离应力下限值是合适的。

3.2 HB-FRP中部裂缝引起的剥离强度计算公式

HB-FRP系统的传力机制与EB-FRP的不同,它不仅包括 FRP-混凝土界面层间剪力,还包括FRP-机械紧固件间的层间剪力和剥离混凝土-混凝土基底摩力,见图12。前期的资料表明[11-13]:FRP-机械紧固件间的层间剪力不是很大,可是剥离剥离混凝土-混凝土基底摩擦力是提高FRP加固混凝土结构的最主要的因素。

图12 HB-FRP加固作用机理示意图

由荷载-跨中挠度曲线的对比可知,对于跨中有预切缝且纵向钢筋在跨中被切断的混凝土梁,HBFRP系统较EB-FRP系统的荷载增长值可认为是从前者的初始剥离(HB的初始剥离荷载与相应的EB极限荷载非常接近)开始的,因此可近似的认为HB-FRP体系的粘结强度包含了EB-FRP体系的粘结强度以及紧固件体系增长的粘结强度。因此,HB-FRP体系承载力计算可分为2个步骤:1)按EB-FRP加固梁中部剥离公式计算破坏时FRP板剥离应力σf,EB计算;2)推导锚固件个数与FRP剥离应力增长值 Δ关系。

步骤1)可按修正的Chen and Teng模型,但是在HB-FRP体系中EB-FRP的粘结强度仅是其中的一部分,当达到EB-FRP粘结强度的粘结强度时,试件并不会立即破坏,因此需对公式的系数进行修正,以满足计算的需要。建议取α=1.0,由试验结果知HB-FRP体系的合理锚固长度为450mm。因此应注意公式中FRP长度影响系数βL的选取。

参考单剪试验的分析方法[14],对第二组试验梁的结果进行分析,见图13。由图13知,HB-FRP加固梁FRP应力增长值基本与紧固件的个数呈线性关系,由斜率可知,每个扣件的增长量为1 013.1mPa。

图13 FRP应力增量同研究段锚固件个数的关系

通过以上的分析,可初步建立HB-FRP的中部剥离极限应力公式:

式中:α取1.0;k取0.9;n为研究段的锚固件的个数。试验值与计算值的比较见表4。

由表4知,除了BM10(该试件没有经过大面积的FRP剥离,而是FRP直接被拉断)外,其它所有的计算值都是安全的,所以取α=1.0,k取0.9,用于计算HB-FRP中部裂缝引起的剥离应力下限值是合适的。由于公式推导的基础是跨中裂缝引起的剥离,因此该公式仅适用由中部裂缝剥离(至少是大面积剥离)导致的试件破坏的情况。

表4 HB-FRP试件中部剥离应力的试验值与计算值的比较

4 结论

通过对17根留有预切缝的试验梁进行跨中加载试验,研究FRP-螺栓联合加固技术的粘结性能、锚固间距和合理锚固长度。在试验数据及理论分析的基础上得出以下结论:

1)对于跨中有预切缝的EB和 HB试件,FRP在预切缝处开始剥离时荷载会略有下降,挠度持续增加,在荷载-挠度曲线里表现为明显的突变。

2)FRP的锚固长度相同时,HB试件的初始剥离荷载与EB试件的极限荷载非常接近;HB-FRP梁相对于EB-FRP梁荷载、挠度增量非常显著。

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