玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪正交试验研究

周 安,朱 宁,苏小龙,沈凯凯

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料重点实验室,安徽 合肥 230009)

玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪正交试验研究

周 安1,2,朱 宁1,苏小龙1,沈凯凯1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料重点实验室,安徽 合肥 230009)

文章针对钢筋混凝土梁,采用玄武岩纤维布进行抗剪承载力加固研究,运用正交试验法,选择L9(34)正交表,考虑配箍率、条带宽度、条带间距及纤维布种类4个因素,设计制作了9个试件。研究表明,玄武岩纤维布加固后梁的抗剪承载力平均提高34%,是碳纤维布加固效果的73%;纤维布条带越宽、间距越小,梁的抗剪承载力提高得越多。

玄武岩纤维布;钢筋混凝土梁;正交试验;抗剪承载力

玄武岩纤维是我国自主研发的一种能自然降解的新型环保纤维材料,它是以火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石为原料,经粉碎、高温熔融后,通过铂铑合金漏板拉伸形成的。与其他类型的纤维材料相比,玄武岩纤维的优越性[1-4]有:① 相对高的抗拉比强度；② 高耐腐蚀性与化学稳定性；③ 高热稳定性；④ 与树脂有很好的亲和力；⑤ 原料开采方便、储量丰富；⑥ 价格低廉。因此，玄武岩纤维有明显的竞争优势，它为加固领域提供了新的发展空间。

1 试验概况

1.1 材料性能

(1) 混凝土强度。试件采用的混凝土设计强度等级为C30,试验预留试块28 d混凝土立方体抗压强度fcu=34.5 MPa。

(2) 钢筋力学性能。混凝土梁中纵筋采用HRB400级钢筋,箍筋采用HPB300级钢筋,钢筋实测力学性能见表1所列。

表1 钢筋力学性能 MPa

(3) 纤维布性能。根据纤维布拉伸试验,测得的玄武岩纤维布(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和碳纤维布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)主要力学性能见表2所列。

表2 纤维布力学性能

由表2数据可知,2种纤维布材料强度均低于国家标准取值[5],这可能是由于材料本身强度不够、试验机数值有误差等造成的。

1.2 试验梁设计

图1 试验梁尺寸及配筋

表3 因素水平表

注：条带宽度、条带间距的单位为mm。

1.3 加载方案

试验采用单调静力加载方案[6]。正式加载前先进行预加载,使构件进入正常工作状态,然后分级加载,每级加载稳定一段时间,让构件在荷载作用下充分发展变形,待基本稳定后观察混凝土裂缝开展情况。试验后期,随着构件的临界裂缝急剧开展,液压千斤顶继续施加压力,但力传感器的读数不再增加甚至减小,构件已经不能承受荷载,此时可以认为构件失效。试验加载装置如图2所示,实际加载装置如图3所示。

图2 加载装置图

图3 实际加载装置图

1.4 加固粘贴方式

试验6根加固梁粘贴纤维布层数均为1层,加固方式都采用U形条带+压条,条带宽度为100、80、50 mm,条带间距为150、100、50 mm,各构件的加固形式如图4所示。

图4 梁受剪加固粘贴形式

2 试验结果和分析

2.1 破坏形态

3根未加固梁的破坏形式均为斜压破坏。加固梁的破坏形式[7-9]为纤维布剥离之后立即发生斜压破坏。在剪弯区边缘出现一些垂直裂缝,它们沿竖向延伸一小段长度后,便斜向延伸形成一些斜裂缝,而后又产生一条贯穿的主要斜裂缝。加载前期,在纤维布的抑制作用下斜裂缝发展缓慢;加载后期,纤维布开始剥离,斜裂缝迅速延伸,剪弯区混凝土破坏,斜截面丧失承载能力,加固梁发生剥离破坏。

试件破坏形态如图5所示。

图5 破坏形态

2.2 抗剪承载力

各试件的试验数据结果见表4所列。

表4中数据(579,580,606)反映了配箍率对极限承载力的影响。该组数据表明,配箍率对极限承载力的影响不大。

数据(612,581,573)反映了条带宽度对极限承载力的影响。该组数据表明,加固试件的条带越宽,梁的极限承载力越大。

数据(546,608,612)反映了条带间距对极限承载力的影响。该组数据表明,条带间距越小,梁的极限承载力越大。

数据(465,621,680)反映了纤维布种类对极限承载力的影响。与未加固梁相比,玄武岩纤维布加固梁的极限承载力提高了34%,碳纤维布加固梁的极限承载力提高了46%。

极差(27,39,66,215)反映了4个因素对极限承载力的影响大小。该组数据表明,影响加固梁抗剪性能的因素主次顺序为纤维布种类、条带间距、条带宽度、配箍率。

表4 抗剪正交试验数据与极差分析

注：条带宽度、条带间距的单位为mm,R为极差。

2.3 荷载-跨中挠度曲线

各梁的荷载-跨中挠度曲线如图6所示。

图6 荷载-挠度曲线

从图6可以看出,加载前期,在相同荷载下各梁的挠度基本相同。试件开裂以后,由于内力重分布,梁的刚度衰减,曲线斜率减小,并且通过相同配筋的梁之间的比较得知,加固梁的挠度均比未加固梁的挠度小,这是因为纤维布可以有效地延缓斜裂缝的发展,从而提高梁的跨中挠度[10]。加载后期,挠度曲线突降,梁的破坏形式表现为脆性。从图6可以得出结论:用玄武岩纤维布和碳纤维布加固均可以提高梁的变形能力,但在相同荷载下,用玄武岩纤维布加固比用碳纤维布加固梁的挠度大。

2.4 荷载与斜裂缝宽度的关系

各试件在同级荷载下的斜裂缝宽度见表5所列。

表5 斜裂缝宽度 mm

由表5可知,斜裂缝宽度随着配箍率的增大而减小,由于配箍率的增加,箍筋对混凝土的约束力提高,从而限制斜裂缝的进一步发展;玄武岩纤维布和碳纤维布均能很好地限制斜裂缝的发展,但碳纤维布的效果更好。

2.5 纤维布应变的分析

试验梁L2、L3测点布置如图7所示。

图7 测点布置图

(1) 玄武岩纤维布的应变分析。① 荷载很小时,玄武岩纤维布的应变也很小,随着荷载增加,荷载-应变曲线斜率开始发生变化,最先发生应变突增的是位于支座到加载点连线上的点;② 相同荷载作用下,各条玄武岩纤维布条带的应变值相差较大,这与斜裂缝是否穿过纤维布条带有关,与斜裂缝相交的玄武岩纤维布的应变大,远离斜裂缝的玄武岩纤维布应变较小;③ 因为加固构件最后都发生剥离破坏,所以玄武岩纤维布不能充分发挥作用。

(2) 同一条玄武岩纤维布应变分布规律。梁L2上各测点应变发展情况如图8所示。

图8 L2第2条纤维布各测点荷载-应变曲线

由图8可知,应变值在裂缝附近较大,并依次向两端递减。测点4、测点5距离主裂缝较近,其应变值大;测点3距离主裂缝较远,其应变值比测点4、测点5处的应变值小;测点6距离主裂缝最远,其应变值也最小。由此可以得出结论:玄武岩纤维布条带上距离主裂缝较近的纤维布能更好地发挥强度,较远处发挥作用较小。

(3) 玄武岩纤维布和碳纤维布应变对比分析。试验梁L2上测点4和L3上测点8应变对比情况如图9所示。

图9 L2测点4、L3测点8的荷载-应变曲线

取箍筋间距相同、应变片位置类似的试验梁L2测点4和L3测点8进行分析,可以看出用玄武岩纤维布加固的梁L2先发生应变突增,由此可知玄武岩纤维布对斜裂缝的限制效果没有碳纤维布好。荷载较小时,2种纤维布的应变都很小,荷载增大到裂缝出现后,纤维布的应变突增,但可以发现在配箍率相同的条件下,荷载相同时,用玄武岩纤维布加固的L2的应变小于用碳纤维布加固的L3的应变。

3 结 论

(1) 在剥离破坏情况下玄武岩纤维布加固后混凝土梁的抗剪承载力平均提高34%,是碳纤维布加固效果的73%。

(2) 加固梁的剪切破坏均缘于玄武岩纤维布的剥离,玄武岩纤维布尚未达到其材料抗拉强度。

(3) 2种纤维布加固梁的开裂剪力基本相同,但玄武岩纤维布加固梁的裂缝宽度大于碳纤维布加固梁。

安徽梦谷纤维材料科技有限公司在试件制作中提供大力支持,在此表示衷心感谢!

[1] RAHIMI H,HUTCHINSON A.Concrete beams strengthened with externally bonded FRP plates[J].Journal of Composites for Construction,2001,5(1):44-56.

[2] UEDA T,YAMAGUCHI R,SHOJI K,et al.Study on behavior in tension of reinforced concrete members strengthened by carbon fiber sheets[J].Journal of Composites for Construction,2002,6(3):168-174.

[3] 谢尔盖,李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料,2003(3):17-20.

[4] 李志强,麻建锁,李艳芳,等.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪承载力试验研究[J].建筑技术,2010,41(3):248-250.

[5] 中冶建筑研究总院有限公司.纤维增强复合材料建设工程应用技术规范:GB 50608—2010[S].北京:中国计划出版社,2010:10-30.

[6] 欧阳煜,张云超,李翔.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪试验研究[J].工业建筑,2009,39(1):134-137.

[7] 孙衍英,刘伊琳,胡海涛.玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究[J].青岛理工大学学报,2010,31(1):29-32.

[8] 董江峰,王清远,朱艳梅,等.外贴纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪试验研究[J].四川大学学报(工程科学版),2010,42(5):197-203.

[9] 黄知花,林家波,陆佳炯,等.剪跨比对BFRP筋混凝土梁抗剪性能影响的研究[J].台州学院学报,2013,35(3):43-47.

[10] 欧阳煜,黄亦辉,钱在兹.玻璃纤维片材加固混凝土梁的抗剪试验研究[J].建筑结构,2002,32(10):46-49.

ResearchonshearcapacityofRCbeamsstrengthenedwithBFRPsheetsbyorthogonaltest

ZHOU An1,2,ZHU Ning1,SU Xiaolong1,SHEN Kaikai1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

A study of strengthening shear capacity using basalt fiber reinforced polymer(BFRP) sheets for the reinforced concrete(RC) beam is proposed. Orthogonal test method is used and L9(34) orthogonal table is chosen. Nine specimens are designed and fabricated by considering four influencing factors, which are stirrup ratio, striation width, striation spacing and fiber sheet type. The results show that the shear capacity, on average, increases 34% by applying BFRP sheets on the beam, and the shear capacity is 73% of that obtained by using CFRP. The shear capacity of the beam can be more improved as the fiber sheet striation is wider and the striation spacing is smaller.

basalt fiber reinforced polymer(BFRP) sheet; reinforced concrete(RC) beam; orthogonal test; shear capacity

2015-03-23；

2015-05-11

安徽省自然科学基金资助项目(1408085MKL14)

周 安(1964-),男,安徽绩溪人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.016

TU375.1

A

1003-5060(2017)11-1515-05

(责任编辑 张淑艳)