CFRP布加固冻融后素混凝土梁的抗弯性能

周 乐, 吴佳奇

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

社会发展遵循的可持续发展战略提高了新增建筑物的建设标准,现有建筑物的使用年限各不相同,部分建筑物在前期设计和施工过程中可能存在不合理问题及后期维护使用不当和自然因素作用的不利影响,导致建筑物的结构承载能力降低而提前进入衰退期.为使建筑物保持原有使用功能,采取在原有结构上进行加固的方法既可以节省拆除重建的成本,又实施了节能环保的理念.此方法要求对需加固的建筑物进行可靠性鉴定,若鉴定结果不满足要求则考虑在原有的结构上进行加固[1].

纤维复合增强材料(FRP)在工程加固领域应用广泛,将FRP材料与钢筋的力学性能作比较,其强度是钢筋的几倍到十几倍,当选用FRP材料对结构进行加固时,加固构件在破坏形态、极限承载力、可靠性等方面出现了新的值得探讨的问题[2].中国的钢结构及混凝土规范与欧洲的相应规范是同一种计算体系,在构造方面的要求相似,而中国组合结构规范的构造要求与欧洲的规范却不是同一种计算体系[3].因此,在进行理论计算时不能完全参考规范,需根据工程实际情况综合考量建设经验和造价因素调整设计方案[4].

周乐等[5]探讨了FRP材料在建筑物结构加固中的运用,完善了构件在承载方面的不足,结果表明FRP材料显著提高了建筑构件的承载能力,该结论可应用于工程实践.导致钢筋混凝土结构大部分破坏性损伤的环境因素离不开冻融循环[6].冻融作用是降低混凝土构件承载力的原因之一,反复冻融作用会引起混凝土部件冻胀和面层掉渣,甚至粗骨料外露等不良现象,从而降低混凝土部件的承载力.混凝土构件的抗冻性能与受冻龄期有关,冻龄期越长,抗冻性越好,这是因为混凝土部件的冻龄越长越有助于试件中的水泥进行充分的水化作用,综上分析,在气候变化显著的地区,考虑冻融作用对混凝土结构承载力的影响是非常有必要的[7].

1 国内外混凝土结构加固技术研究动态

混凝土材料因其取材方便、抗压性能高、耐腐蚀性能好、可塑性强及施工方法多样等优点,在现实工程建设中被普遍使用,但由于其组成材料的多样性及施工过程的多变性使得其存在一定的不足[8],对混凝土结构的使用功能和寿命都有一定的影响.从20世纪50年代至今,结构加固成为快速成长的一门新领域,其中运用在混凝土结构中的防震加固、危旧建筑物维护及施工过程中的紧急意外处置等许多现实案例功效显著[9].混凝土结构加固的主要方法有4种.

(1) 截面增大法.此方法是直接对结构构件进行加固,采取在混凝土受压构件周围或受弯构件受压区浇筑混凝土或采用钢筋混凝土材料进行加固的施工方法,达到增大建筑物构件的截面积或受压区高度的目的,但与此同时也限制了原建筑物净空间的利用,施工完成后通过现加固部分与原待加固部分二者的联合作用获得增大原来混凝土构件承载能力使其得到加固的理想结果[10].

(2) 粘钢法.此方法是一种直接加固方法,采用专用胶将钢板或其他型钢粘贴在素混凝土构件或钢筋混凝土构件的外面层.外粘贴钢板法只适用在不小于《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[11]中最小纵筋配筋率规定值的建筑物结构构件中[12].此方法较其他加固方法优越,施工快速,加固之后几乎不影响净空间的使用,而且构件的承载力提高明显.

(3) 粘贴纤维增强复合材料法.FRP材料中GFRP、CFRP和AFRP应用最为普遍,具有抗拉能力高、耐腐蚀、质量轻、与混凝土材料协同作用好等优点,因此未来在建筑物结构修补增强和加固之中得到更普遍的应用.在具体施工操作时首先要处理建筑物构件的外表面,之后粘贴纤维材料.此种方法操作简便,但是在设计中需要考量建筑物的防火等级要求[13].

(4) 预应力法.是一种当待加固建筑物结构构件不易卸载时采用的非直接进行加固的方法.此方法集卸荷、调整混凝土构件内力和补强加固3种形式于一体.此种方法加固的构件具有强度高、耐久性优越、构件截面尺寸较小等优点.但对于施工技术方面要求较高,需要有专业设备、操作人员等,而且预应力钢筋进行张拉时要考虑张拉值的大小,张拉值与待加固建筑物的使用龄期、混凝土自身徐变及钢筋生锈等方面因素有关[10].

2 试验概况与因素分析

混凝土试件因存在微裂缝和孔隙,浸水吸收水分后会膨胀,在经过冻融循环试验机的冻融作用之后,试件自身微裂缝和孔隙浸入的水分会结成冰,造成混凝土试件上原有的裂缝和孔隙体积变大,随着冻融循环作用次数的不断增加,导致混凝土试件出现不同程度的损伤[14].本文采用CFRP布全包加固损伤混凝土试件后进行抗弯试验,观察试件的破坏形态,分析承载力等参数.通过理论推导分析,将经过计算得到的理论值与试验测得的实际值进行对比,验证公式的合理性.

2.1 CFRP布的力学特性

本试验中的CFRP布由辽宁省建设科学研究院制造,基本的力学特性参数如表1所示,黏结剂采用建筑结构用胶,由辽宁省建筑研究院制造,基本力学特性参数如表2所示.

表1 CFRP布力学特性参数表

表2 黏结剂力学特性参数表

2.2 粘贴方法

(1) 冻融后混凝土试件的表层处理.本文主要研究对象为经过加固后的冻融损伤混凝土试件的抗弯承载力,因为试件在经过冻融作用后,试件的表层会有不同程度的冻裂、蜂窝和剥落,所以在粘贴CFRP布之前需对试件的表面进行仔细处理,以保证试验结果的可靠性.首先用角磨机处理混凝土试件表面的凹凸部分和倒角位置,直到露出新的混凝土平整表面,并用砂纸去除混凝土梁表面的油污和粉尘,使混凝土梁表面平整、清洁.最后用酒精擦拭表面,不再用手触碰,方便后续CFRP布的粘贴.

(2) CFRP布的粘贴.首先需要调配黏合剂,根据JGN碳纤维黏合剂(A级)的用法说明,将甲、乙胶按质量比为3∶1的比例配合,并用木棍搅匀,将碳纤维布提前进行清洗保持清洁并检查CFRP布表面是否有缺失,在CFRP布完整的前提下对其进行测量,确定尺寸后裁剪.之后用小刷子将黏合剂均匀涂抹于混凝土试件梁上,将CFRP布放在指定的位置,用刮板或滚筒在CFRP布表面沿同一方向涂刮、滚压以去除气泡,不得来回刮,最后使CFRP布充分浸透黏合剂,胶层平均厚度2 mm,整体的贴补过程在1 h内完成.

2.3 试件制作与分组

本试验连续浇筑了15根混凝土梁,试验分为4组,每组3个试件.为了减小试验的误差,试件成型脱模在标准养护室养护24 d后,随机选取3个试件进行抗压强度测试,符合标准后开始冻融试验,将冻融试验之后受损伤的混凝土试件用CFRP布进行全包加固,作为试验中的抗弯试件,其基本参数见表3.试件编号中字母W代表未采用CFRP布进行全包加固;L代表梁试件;数字代表冻融次数.

表3 加固试件的基本参数

2.4 试验方法

模型试验采用速冻法,冻融次数分别定为0、50和200次.每次在快速冻融循环试验机中冻融循环2～4 h, 之后进行CFRP布单层全包加固,将冻融后的加固混凝土小梁试件在300 kN的压力机上进行抗弯试验.试验期间混凝土试件被压断、受拉区CFRP布被拉断都看作混凝土抗弯试件达到承载能力极限状态,同时将反复冻融次数为0、50和200次的混凝土抗弯试件的抗弯承载力记录下来.

本测试采用两点对称力加载方法,采取300 kN的压力机施载至分配梁上分荷,具体操作是在混凝土小梁抗弯试件需要加载的位置安放直径为30 mm的钢轴,压力机加载时,压力机顶板施加的载荷传递到钢轴上,由钢轴将载荷传递到混凝土小梁抗弯试件,完成分荷,加载位置即钢轴位置,距离支座90 mm,两个对称加载点即两钢轴的距离,为180 mm,具体加载方式见图1.采用控制载荷加载法单调连续加载,具体加载位置见图2,具体步骤如下.

图1 压力机加载图Fig.1 Loading diagram of pressure machine

图2 抗弯构件示意图(单位:mm)Fig.2 The schematic diagram of flexural member (unit: mm)

(1) 保证仪器处于正常工作的状态,将压力机卸载至压力为零,操作步骤按沈阳大学结构试验室压力机的操作规程进行.

(2) 抗弯试验施行逐级持续加载的方式,起初使压力机的加载速度为50 N·s-1,在持续加载过程中要仔细观察混凝土小梁抗弯试件的开裂变形和CFRP布的变化情况,当载荷达到估量极限载荷的80%时,加载速度变为30 N·s-1,持续至试件出现破坏特征.

(3) 保留试验过程中的数据和试验照片.

2.5 试验现象

冻融200次,但未经过CFRP布加固的混凝土小梁试件突然断裂破坏,破坏载荷仅为0.049 kN·m,表4记录了加固冻融损伤混凝土小梁抗弯试件的试验现象与破坏载荷.

表4 抗弯试验的试验结果和破坏情况

3 CFRP布全包加固冻融损伤混凝土试件抗弯承载力计算方法

3.1 基本假定

CFRP布全包加固的混凝土小梁试件正截面抗弯承载力按下列基本假设进行推导:

(1) 适用于平截面假说;

(2) 试件达到极限承载力状态时,混凝土部分开展裂缝较深,所以不考虑受损混凝土部分的抗拉强度;

(3) 由混凝土结构设计规范[11]的原则定义混凝土的应力-应变关系;

(4) 由混凝土结构加固设计规范[15],CFRP布的应力-应变关系选取直线式;

(5) CFRP布与混凝土面层之间没有黏结剥离现象发生.

3.2 CFRP布与混凝土的本构关系

根据文献[15],CFRP布的应力-应变关系选取直线式,当εcf<εcfu时,

σcf=εcfEcf.

(1)

根据文献[11],给出混凝土的应力-应变关系公式,当εc≤ε0时,

(2)

当ε0≤εc≤εcu时,

式(1)～式(6)中:σcf为CFRP布的拉应变为εcf时的拉应力;σc为混凝土压应变为εc时的混凝土压应力;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;ε0为混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变,当计算的ε0值小于0.002时,取0.002;εcu为正截面的混凝土极限压应变,当处于非均匀受压且按式(6)的计算值大于0.003 3时,取0.003 3,当处于轴心受压时取ε0;fcu,k为混凝土的立方体抗压强度;n为系数,n≤2.

3.3 承载力计算

对于加固受损混凝土小梁试件而言,承载力是由CFRP布、结构黏结剂和混凝土3部分协同工作的,当试件达到承载力极限状态时,理想的破坏状态是受拉区损伤,混凝土被压碎,且CFRP布断裂.

(1) CFRP布抗拉强度修正.由文献[16]可知,CFRP布参加工作的程度会随着粘贴层数的增加而降低,因为CFRP布层数增多后,各层CFRP布之间的协同承载能力会降低;另外,CFRP布只能有限地提高试件抗弯刚度,施加载荷后期CFRP布加入受力工作部分时,试件的挠度迅速增加,有可能导致CFRP布还未完全承载试件就已破坏;根据谢剑等[16]的研究,CFRP布在承载过程中会突然破坏.综合以上原因,应对应用于结构加固中的CFRP布进行强度上的折减修正,见式(7).

fcf=1 800εβγ.

(7)

式中:fcf为CFRP布抗拉强度设计值;ε为环境折减系数, 对于处于室内环境的CFRP布,ε取值为0.95[17];β为CFRP布层数折减系数, 单层β取值为1;γ为CFRP布强度折减系数, 取值为0.85.

(2) 冻融损伤混凝土受压区高度的修正.试件在理想破坏状态时,文献[18]根据平截面假说下混凝土和CFRP布的应变关系推导出折算后的受压区高度,见式(8).

(8)

由混凝土结构设计规范[11]规定,

x=β1x0.

(9)

式(8)、式(9)中:x为等效矩形应力图的受压区高度;x0为适用于平截面假说的中和轴高度;β1为系数,混凝土强度等级不超过C50时取0.8,混凝土强度等级为C80时取0.74,混凝土强度等级介于C50与C80之间时按线性插值法取值;εcfu为CFRP布极限拉应变.

由于选用的试件是在冻融循环试验设备中经过反复冻融循环后,经CFRP布单层全包加固后进行试验,所以在计算抗弯承载力时要确定与未经过冻融损伤试件压力等效的矩形应力图.因为试件在加固以前已经受零至多次不等的反复冻融作用,所以在计算受压区混凝土的抗压承载力时应对受冻融损伤的混凝土小梁试件的受压区高度进行修正.文献[19]从应力图等效原理出发,提出受压区混凝土等效矩形应力图中的受压区高度x在经过N次冻融循环之后与中和轴高度x0的比例系数μn,取值见表5.

表5 受压区高度修正系数

(10)

(3) CFRP布加固冻融损伤混凝土梁的极限抗弯承载力公式.首先需要考虑冻融损伤作用下混凝土界面与CFRP布的黏结力,Gangarao等[20]通过采用试验的方法研究了纤维布外包加固混凝土梁在冻融循环作用下纤维布与混凝土试件二者接触面的黏结强度,指出加固试件经过冻融作用后二者的黏结强度降低了16%;任慧韬等[21]的试验研究表明,冻融环境中的FRP-混凝土界面黏结力变化较大,所以在设计FRP布加固混凝土构件的承载力时,需充分考虑冻融环境对降低加固构件承载力的影响因素,其中主要原因是受冻后的混凝土强度缩减,自身内部的微裂缝发展等.综上所述,FRP-混凝土接触面粘结作用主要考虑混凝土受冻后的强度修正.

参照混凝土结构设计规范[11]中的正截面抗弯承载力的计算公式和计算图,由文献[22]得到经过反复冻融作用之后修正的混凝土抗压强度fdc与未经冻融作用的混凝土抗压强度的数值关系,见式(11).通过引用相关系数来修正混凝土经过冻融损伤作用对承载力的影响,可以推导出CFRP布全包加固冻融损伤混凝土小梁试件的正截面抗弯承载力,见式(12),计算简图见图3.

(11)

综合以上分析,由∑Mcf侧=0可得出CFRP布全包加固后冻融损伤混凝土小梁的极限抗弯承载力公式,

式中:α1为系数,混凝土强度等级不超过C50时取1,混凝土强度等级为C80时取0.94,混凝土强度等级介于C50与C80之间时按线性插值法取值;fdc为混凝土经过反复冻融作用之后修正的抗压强度;fcf为CFRP布的抗拉强度;Acf为CFRP布的截面面积;b为混凝土小梁的宽度;hf为混凝土受压区边缘距底层CFRP布的高度.

图3 计算简图Fig.3 Calculation diagram

由式(11)得到冻融0、50、200次的混凝土抗压强度见表6.

由式(12)计算得出本文试验中CFRP布单层全包加固混凝土小梁试件的极限弯矩值见表7,可见通过式(12)得出的计算值均小于试验值,试验值与式(12)的计算值误差在10%以内,验证了公式的合理性.

表6 混凝土抗压强度修正表

表7 极限弯矩理论值与试验值对比

4 结 论

(1) 对不同冻融循环次数的损伤混凝土小梁试件全包加固后进行抗弯试验,观察其破坏现象并分析可知:采用CFRP布加固对冻融损伤混凝土试件的抗弯承载力影响很大;选取CFRP布全包加固冻融损伤混凝土试件能有效提高其承载力;当冻融循环次数为200次时,加固试件较未加固的试件抗弯承载力提高了84.5%.

(2) 加固试件在不同次数冻融作用下存在临界载荷值,在临界值之前仍能适用于平截面假定,但随着冻融次数的不断增加,试件的极限承载力迅速降低,经历的冻融次数越多,试件越来越快地不符合平截面假定.

(3) 本文通过CFRP布加固冻融损伤混凝土小梁的抗弯模型试验,得到了试件极限抗弯承载力的试验数据,考虑冻融循环作用的影响对混凝土受压区高度提出修正,综合分析推导出式(12),将式(12)得出的承载力计算值与试验值进行对比,误差控制在10%以下,验证了公式的合理性.

(4) 本文的模型试验变量比较少,后续应该展开其他变量对冻融损伤混凝土梁试件抗弯效果影响的试验研究,比如CFRP布的粘贴长度、粘贴层数、胶体厚度等.