外粘AFRP布加固RC梁耐冲击性能试验研究

第一作者王兴国男，工学博士，副教授，1977年1月生

通信作者栗橋祐介男，工学博士，1973年5月生

外粘AFRP布加固RC梁耐冲击性能试验研究

王兴国1，栗橋祐介2，朱坤佳1

(1.河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003； 2.日本室兰工业大学大学院生活环境系，北海道室兰0508585)

摘要：设计了8根钢筋混凝土试验梁，其中2根未加固，6根在梁体受拉面采用不同类型的AFRP布进行外粘加固。然后采用重锤冲击加载试验，重点研究每种试验梁在不同冲击高度下的耐冲击性能。试验结果表明，经过外粘AFRP布加固后,混凝土梁体的挠度变形及塑性变形得到有效抑制，同时这种加固措施还可以延缓梁体裂纹开裂，减轻重锤冲击加载对梁体造成的冲击损伤。另外，AFRP布类型、冲击高度在一定程度上决定着梁体的损伤形态。由此表明，外粘AFRP布加固法能有效提高混凝土梁的耐冲击性，且AFRP布类型与梁体的耐冲击性能直接相关。

关键词：RC梁；AFRP布；加固；抗冲击性能

基金项目：国家自然科学基金资助(51108161)

收稿日期：2014-06-03修改稿收到日期：2014-10-11

中图分类号:TU317文献标志码：A

Impact-resistant performance of a RC beam strengthened with externally bonded AFRP sheet

WANGXing-guo1,KURIHASHIYusuke2,ZHUKun-jia1(1.School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;2. College of Environmental Technology,Muroran Institute of Technology,Muroran 0508585, Japan)

Abstract:Eight RC beams were designed to test their impact-resistant behaviors. 6 RC beams were strengthened with externally bonded(EB) aramid fiber reinforced polymer(AFRP) sheet. The falling-weight impact tests were focused on the anti-impact performance of each beam with different impacting heights. The test results showed that the deflection and plastic deformation of RC beams strengthened with EB AFRP sheet can be restrained effectively; at the same time, EB AFRP sheet can slow crack development and mitigate the impact damage caused by falling-weight loading; the RC beams’ damage states are dependent upon the type of AFRP sheets and impacting heights to a certain level; EB AFRP sheet can obviously improve the impact-resistant performance of RC beams.

Key words:RC beam; AFRP sheet; strengthening; impact resistance property

近些年,一些工程结构经常受到来自滑坡、泥石流、车辆和船只的冲击而出现不同程度的损伤，对结构安全造成严重威胁。有必要针对这些结构，开展在冲击加载作用下冲击性能的相关研究[1]。文献[2-3]开展了受火及横向作用时钢管混凝土结构在冲击荷载下性能研究。文献[4]则对大尺寸RC板重锤冲击性能进行了试验研究。

目前国内外对普通混凝土梁受冲击作用下的性能有部分研究[5-10]，提出了一些设计方法。虽有部分论文对钢绞线网加固混凝土梁后的冲击性能开始了研究[11]，但对质量更轻、强度更高、施工更便捷的纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，FRP)加固混凝土梁的抗冲击性能研究较少。由于芳纶纤维增强聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)布具有质轻高强、高弹模、热膨胀系数低、耐腐蚀、可自由裁剪等优点[12]，本文拟开展钢筋混凝土梁外粘AFRP布加固后新型组合结构在重锤冲击下的性能研究，通过分析加固梁在冲击加载结束时的挠度、塑性变形和梁体破坏形态，探讨外粘AFRP布加固混凝土梁的耐冲击性能。

1试验概要

1.1　试验梁概要及材料性能

表1为全体试验梁一览表，所有试验梁均采用日本统一构造尺寸和现行配筋标准。表2为本试验所用AFRP布的力学性能指标值，分为415 g/m2和830 g/m2两种类型(以单位平方米质量数值表征)。图1是试验梁的构造尺寸及梁内配筋情况。另外，在每根梁体两端各配置一块外形尺寸为9 mm×200 mm×250 mm的钢板，与梁内4根受力主筋焊接成整体，起到锚固主筋的作用。试验拟在混凝土梁受拉面粘贴AFRP布进行加固处理后再进行冲击试验，故混凝土梁受拉面与AFRP布的粘结可靠性就显得尤为重要，严格按照《纤维增强聚合物加固混凝土结构技术规程》(DG/TJ08-20012-2002)要求，粘结界面首先经高速喷砂处理露出但不损失粗骨料，用专用胶粘剂粘贴AFRP布后室温中养护10天后开展试验研究。

表1　试验梁一览表

表2　AFRP布力学性能表

图1　试验梁简图(单位：mm) Fig.1 Sketch of test beams(Unit: mm)

1.2　试验方法及所测指标

依据设计方案，本论文采用重锤冲击加载方式，试验装置如图2所示。重锤采用纯钢材质制造，质量统一为300 kg，下部圆端面直径为200 mm。两端支座允许有微小自由转动角度，以满足试验梁在加载过程中挠度变形的需要。同时在两个支座上均设有防跳梁装置，以避免重锤冲击反弹影响试验数据的精确度。试验加载时，以试验梁上表面为基准点来设定重锤冲击高度，然后重锤从设定高度沿装置轨道自由落下(无初速度)，对试验梁进行冲击加载试验。试验加载过程终止控制条件为：试验梁跨中塑性变形量达到净跨径的2%(即3 000×2%=60 mm)，或者外粘AFRP布出现断裂、剥离等现象。试验过程中，主要记录重锤冲击力、支点反力、跨中挠度、塑性变形，其中重锤冲击力和支点反力通过布置在重锤和支座处的测力计测得，跨中挠度和塑形变形通过布置在梁侧面的激光测试仪测得(通过激光测试仪测试冲击实验前后试验梁跨中底部相应高度，卸载后试验梁在弹性力作用下挠度变形会在一定程度上恢复，然而，梁体最终还会留下一部分挠度变形不能完全恢复，未恢复的视为塑性变形量。)。另外，高分辨率摄像仪全程记录冲击过程，便于分析试验梁的破坏过程和裂缝分布形态。

图2　重锤冲击加载试验装置图 Fig.2 Falling-weight impact test device

2历时波形曲线分析

重锤冲击加载条件下，梁N-I、A415-I、A830-I的重锤冲击力、支点反力、跨中挠度在加载过程中随时间而变化的历时波形曲线如图3所示。

图3(a)是重锤冲击力波形曲线，这里记录了t=-5ms～20 ms时刻段内曲线变化波形，“-5”表示在加载前t=5 ms时刻已经开始记录数据，后述其它相关图形含义与之同理，不再解释。这里规定重锤冲击力向下为“+”。由图可知，在同一冲击加载高度下，波形曲线走向都大致相同。t=1 ms时刻，冲击波开始出现第一次波峰。对比可知，梁A830-Ⅰ的波形振幅最大，梁A415次之，梁N-Ⅰ的波形振幅最小。随后重锤被弹起，再次冲击加载，在t=3 ms时刻冲击波出现第二次波峰。接着在t=13 ms时刻出现第三次波峰，接下来各波形振幅逐渐变小并趋于0。这与图3(c)中的加载点变形波形曲线相对应。分析表明，经过AFRP布粘结加固后，梁的整体刚度明显增强，耐冲击性能大幅提高。

图3(b)是支点反力波形曲线图，记录了t=-20 ms～80 ms时刻段内曲线变化波形，这里规定支点反力向上为“+”。由图可知，支点反力主波形持续时间长达40～50 ms，在t=5 ms时刻波形出现第一次波峰，支点反力达到最大值，随后在重锤反复冲击作用下波形再次达到极值，接下来各波形振幅逐渐变小并趋于0，这与图3(a)中重锤冲击力波形曲线相对应。分析可知，与梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的支点反力主波形振幅较大，且持续时间较短。另外，梁A830-Ⅰ的波形振幅大于梁A415-Ⅰ的波形振幅，但两者的主波形持续时间都基本相等。从图3(c)中加载点挠度变形波形曲线可以看出，经过外粘AFRP布加固后，相同冲击时间下加固后试验梁挠度要小于未加固梁，说明外粘AFRP布加固梁的刚度有不同程度提高。

图3　历时波形曲线图 Fig.3 Real-time waveform curve

图3(c)是梁体跨中挠度曲线图，记录了t=-40 ms～160 ms时刻段内曲线变化波形。这里规定挠度向下为“+”。由图可知，变形曲线走向都大致相同，在重锤冲击作用下，挠度变形曲线被激起半正弦波，随后进行自由衰减振动并趋于平稳，最终出现明显的塑性变形，这与图3(a)中重锤冲击力波形曲线相对应。在冲击高度H=2.0 m加载条件下，梁N-Ⅰ波形振幅最大、振动周期最长、塑性变形量最大，梁A415-Ⅰ次之，梁A830-Ⅰ波形振幅最小、振动周期最短、塑性变形量最小，冲击高度H=2.5 m加载条件下的各关系量与之类似。与冲击高度H=2.0相比，在冲击高度H=2.5 m加载条件下，各波形曲线的振幅和塑性变形量都明显增加。在冲击高度H=3.0 m加载条件下，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的波形曲线完全重合，说明跨中挠度达到最大值前，两者的外粘AFRP布都已断裂，这与未加固梁的波形曲线类似。分析表明，外粘AFRP布加固法可以有效抑制挠度变形和塑性变形，这就意味着，通过外粘AFRP布加固后，加固梁的耐冲击性能大幅提高，且AFRP类型与耐冲击性能直接相关。

3试验梁挠度曲线分析

在重锤冲击加载条件下，梁体跨中挠度分布曲线如图4所示。冲击高度H=3.0m加载条件下，由于梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的外粘AFRP布已被完全冲断，这与未加固梁的挠度曲线相类似。

进行冲击加载试验时，重锤从设定高度自由落下对试验梁进行加载，这时梁体出现了弹性变形以抵抗重锤的冲击作用。随着冲击加载的进行，梁体挠度变形在冲击力作用下继续增加，最终达到最大值。由图可知，在冲击高度H=2.0 m加载条件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大挠度分别达到63 mm、56 mm、45 mm。与梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大挠度分别减少了25%、40%；同样，在冲击高度H=2.5m加载条件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大挠度分别达到80 mm、62 mm、52 mm。与梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大挠度分别减少了23%、35%。在重锤冲击加载下，这种加固方法能有效减小梁体跨中挠度，且AFRP布加固类型与梁体跨中挠度密切相关。

图4　试验梁挠度曲线图 Fig.4 Deflection curves of test beams

4试验梁塑性曲线分析

重锤冲击加载下梁体跨中塑性变形分布曲线如图5所示。在冲击高度H=3.0 m加载条件下，由于梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的外粘AFRP布已被完全冲断，这类似于未加固情况下的塑性变形分布曲线。

冲击加载时，试验梁因受到冲击荷载作用而发生弹性变形，最终达到最大挠度，卸载后梁体在弹性作用下挠度变形会部分恢复，然而，梁体最终还会留下一部分变形不能完全恢复，这部分变形视为梁体塑性变形。分析可知，在冲击高度H=2.0 m加载条件下，梁N-Ⅰ、A415-I、A830-Ⅰ的塑性变形量分别为47 mm、25 mm、18 mm。与梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性变形量分别减少了47%、61%。在冲击高度H=2.5m加载条件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性变形量分别达到58 mm、29 mm、21 mm。与梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性变形量分别减少了50%、63%。分析表明，梁体经外粘AFRP布加固后，AFRP布可看作梁内受力钢筋，这相当于提高了加固梁的配筋率。在重锤冲击加载下，这种加固技术可明显抑制梁体塑性变形量。

图5　试验梁塑性变形曲线图 Fig.5 Plastic deformation curves of test beams

5试验梁破坏形态比较

重锤冲击加载下试验梁的破坏形态如图6所示。这里针对梁体从跨中位置向两端各a/4(a=3 000 mm，为试验梁净跨长度)区域内裂缝进行分析。

由图可知，在冲击高度H=2.0 m加载条件下，所有梁体均出现裂缝。比较梁N-Ⅰ和A415-Ⅰ可知，梁N-Ⅰ裂缝集中分布在跨中区域，且走向不规则，存在许多次生裂缝。加载点有轻微冲击损伤，跨中塑性变形明显。梁A415-Ⅰ裂缝大体向两端呈对称形态分布，从加载点斜向下约45°方向出现了主斜裂缝，形成三角开裂区。在斜裂缝末端，AFRP布因粘结层破坏而剥离。加载点基本无冲击损伤，且梁体塑性变形很小；比较梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A830-I裂缝数量较少，外粘AFRP布无剥离，梁体塑性变形不明显。

在冲击高度H=2.5加载条件下，梁体均出现大量裂缝和弯曲变形。比较梁N-Ⅰ和A415-Ⅰ可知，梁N-Ⅰ跨中区域裂缝较多，且宽度很大，加载点冲击损伤严重，梁体塑性变形很大。主要原因是，在冲击加载下梁内受力主筋发生明显屈服，梁体强度迅速下降。而梁A415-Ⅰ虽出现一些冲击损伤，但仍具有较高承载力；比较梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A415-Ⅰ斜裂缝数量较多，且宽度较大，严重破坏了粘结层，AFRP布大范围剥离。梁体塑性变形明显。梁A830-Ⅰ的主斜裂缝已形成，但裂缝数量不多且宽度较小。斜裂缝末端的粘结层破坏不太明显，外粘AFRP布没有大范围剥离。梁体塑性变形也很小。分析可知，梁N-Ⅰ塑性变形最大，梁A415-Ⅰ次之，梁A830-Ⅰ塑性变形最小。

在冲击高度H=3.0 m加载条件下，两者的外粘AFRP布都被冲断，梁体失去承载力。比较梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A415-Ⅰ加载点被完全冲坏，混凝土失去承压能力。粘结层破坏严重，AFRP布被彻底冲断，且剥离范围很大，中性轴以下混凝土几乎全部脱落。主筋裸露出来，并发生明显应变硬化，梁体塑性变形很大，已完全失去承载力；梁A830-Ⅰ的三角形裂缝区域较小，加载点冲击损伤很严重，但还具有一定的承压能力。AFRP布被冲断，但剥离程度局限于跨中位置，没向两端过多延伸，中性轴以下混凝土脱落现象不明显，最终梁体塑性变形较小。

分析表明，在冲击加载下，外粘AFRP布加固可减轻梁体的冲击损伤，抑制塑性变形，提高其耐冲击性，且AFRP类型与梁体耐冲击性直接相关。另外，这种加固方法还可延缓裂缝开裂，限制裂缝宽度。与未加固梁相比，加固梁弯曲刚度明显增强，裂缝分布较均匀。

图6　试验梁破坏形态对比图 Fig.6 Failure pattern comparison of test beams

6结论

(1)在一定冲击高度下，外粘AFRP布加固法能有效减小梁体挠度和塑性变形，增强梁体耐冲击性能，且AFRP布类型与梁体耐冲击性能密切相关。

(2)外粘AFRP布类型、冲击高度与试验梁损伤形态直接相关。未加固梁是因梁体出现冲击损伤后钢筋屈服而破坏，裂缝集中分布在跨中区域。加固梁是因梁体出现冲击损伤后AFRP布剥离而破坏，裂缝在纯弯段呈对称形态均匀分布。冲击高度越大，外粘AFRP布剥离程度越深，最终直接被冲断。

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