GFRP抗剪加固二次受力混凝土梁的纖維應變

楊志剛,楊汝俊

(1.山東理工大學建筑工程學院,山東淄博255049;2.山東省博物館新館基建辦公室,山東濟南250014)

實際工程中存在較多的鋼筋混凝土約束梁,這類梁在其內跨存在反彎點,力學性能比同條件簡支梁復雜.本文通過采用具有優良性價比的GFRP(玻璃纖維布)加固二次受力鋼筋混凝土約束梁的試驗,對外貼纖維條帶的應變發展、受力特點及相關因素對加固梁斜截面抗剪性能的影響程度進行分析,以期所得成果能給工程實踐有益參考.

1 試驗概況

1.1 試驗方案

采用外貼GFRP布對二次受力鋼筋混凝土約束梁進行斜截面抗剪加固.加固前將試驗梁進行“預裂”,直至其兩側均出現主斜裂縫,最大縫寬達到或接近0.15 mm時停止加載.完全卸載后,采用U形加壓條的粘貼方式加固,并在預裂斜裂縫處的GFRP條帶上布置一定數量的GFRP應變測點,然后按原加載點重新加載,直至構件喪失繼續承載的能力,發生最終破壞.表1給出了試驗構件的主要變量參數.

1.2 構件的設計和制作

采用T形截面外伸梁,混凝土保護層厚度c=20 mm.試驗梁尺寸及配筋詳圖如圖1所示.

試驗梁采用商品混凝土澆筑,設計強度等級為C25,實測抗壓強度為24.32 MPa.在構件試驗區段,按照構造要求配置抗剪箍筋;其他區域箍筋及縱筋按計算要求確定,以避免構件在加固區斜截面破壞前出現正截面破壞和非加固區斜截面破壞的情況.U形玻璃纖維帶尺寸:b×h=40×840 mm2,壓條尺寸為:b×h=40×1 200 mm2.試驗加載裝置如圖2所示,試驗材料性能見表2、表3.

表1 構件主要變量參數一覽表

圖1 構件尺寸及配筋圖(單位:mm)

圖2 試驗加載裝置簡圖(單位:mm)

表2 實測鋼筋材料性能一覽表

表3 試驗用玻璃纖維布材料性能

為最大限度發揮GFRP條帶參與抗剪的能力,對位于梁腹中部區域的斜裂縫采取條帶加密布置的方式,具體布置形式如圖3、圖4所示.

圖3 等間距布置GFRP條帶(單位:mm)

圖4 變間距布置GFRP條帶(單位:mm)

2 試驗結果分析

由于試驗梁在加固前已經受損,“預裂縫”成為參與抗剪的薄弱環節.二次加載時,加固梁的預裂縫處首先重新張開,所對應的荷載值小于加固前的開裂荷載.彎矩比Φ較小時,位于正彎矩區的預裂縫張開后,隨著荷載的增加而不斷發展,且與裂縫相交處的纖維條帶發生輕微剝離,同時負彎矩區出現另外一條腹剪主斜裂縫.破壞時,位于正彎矩區的預裂縫發展充分,裂縫穿過的纖維條帶剝離嚴重,而負彎矩區的破壞較輕;彎矩比Φ較大時,負彎矩區的預裂縫重新開裂后,隨著荷載的增加破壞越來越嚴重.最終破壞階段,負彎矩區的斜裂縫寬度較大,纖維條帶及壓條剝離嚴重,正彎矩區破壞較輕.破壞形態見圖5～圖7.

二次受力GFRP加固梁加載至破壞的主要試驗結果見表4.試驗結果表明,采用GFRP布對鋼筋混凝土梁進行抗剪加固,對于提高構件斜截面的承載能力具有比較明顯的效果,這與諸多國內外現有的研究結論相一致.

一方面,按照有腹筋梁彎剪受力模型——桁架拱模型的理論,GFRP條帶構成了模型中的受拉腹桿,二次加載過程中,由于預裂縫的存在,U形纖維條帶及早的參與了試驗梁的抗剪作用,并有效地分擔了箍筋所承受的一部分剪力,進而改善了梁的受力形式,使梁的抗剪承載力增加;另一方面,因為外圍U形GFRP條帶在一定程度上限制了斜裂縫的發展,使得截面剛度下降趨緩,相應地增強了加固梁的抗剪變形能力.

圖5 B-5破壞形態

圖6 B-7破壞形態

圖7 B-9破壞形態

2.1 沿斜裂縫截面GFRP應變分析

加固梁破壞時,其主斜裂縫的位置基本和預裂縫的位置重合,因此GFRP條帶上與裂縫相交處的應變測點的記錄值反映了斜裂縫處GFRP實際應變的發展和分布情況.圖8～圖11繪出了部分加固梁沿斜裂縫方向的GFRP應變測點記錄值隨荷載變化的曲線.

表4 GFRP加固梁試驗結果

圖8 B-6各級荷載下GF RP測點應變曲線

圖9 B-5各級荷載下正彎矩區GFRP應變曲線

圖10 B-5各級荷載下負彎矩區GFRP應變曲線

由圖8可以看出,在相同的荷載情況下,與主斜裂縫相交的GFRP條帶在不同位置處所達到的應變值是不同的.位于斜裂縫端部條帶上的測點應變值小,在中部達到最大,且隨著荷載的增大,兩者的差值略有增加,說明其參與抗剪工作的程度不同.反彎點兩側應變值分布呈雙峰狀,主斜裂縫經過區段的纖維應變值比較高,反彎點兩側峰值分別對應于加固梁的兩處主斜裂縫穿過的梁腹區域.

圖11 B-8各級荷載下同條帶GFRP應變曲線

由圖9、10可以看出,和試驗梁預裂斜裂縫相交處的纖維條帶在二次加載過程中較早地參與了抗剪作用,受力大且增長迅速,此處的應變值遠遠大于試驗過程中新出現的第二條主斜裂縫穿過的纖維條帶的應變值,成為加固梁宣告破壞的關鍵,在試驗梁破壞時,這條關鍵性的主斜裂縫所穿過的纖維條帶應變值幾乎同時達到最大;對于在試驗過程中才出現的第二條主斜裂縫,在開裂以前,這條主斜裂縫所穿過的纖維條帶的應變值很小且增加不顯著,也就是說,試驗梁在斜截面開裂之前,纖維的約束作用并不明顯,在加載過程中出現的主斜裂縫開裂之后,隨著荷載增加,纖維應變增加迅速.不論是新、舊主斜裂縫,整條荷載——應變的關系曲線均呈二折線模型,轉點則分別發生在其相應的開裂荷載時.

由圖11可以看出,在試驗過程中,同一纖維條帶不同測點的應變值均隨荷載的增加而增大,并且其變化幅度存在顯著差異:裂縫處的測點應變值較大,增長迅速;而未與斜裂縫相交的條帶,應變值較小,增長緩慢,說明同一纖維條帶不同位置的應力存在不均勻性.

2.2 預損程度的影響

試驗梁的預損程度從31%到64%不等,經預裂后的試驗梁極限承載力在Φ=1.0和2.0時的平均提高幅度分別為21.45%和56.95%;相應的,文獻[1] 中的一次加載GFRP加固梁,極限承載力提高幅度在Φ=1.0和2.0時分別為35.23%和12.5%,考慮到試驗梁的離散性,可以看出二次受力并未使加固梁的極限承載力顯著降低,由此可以認為,預損程度在45%以下時(據表2-1,本文偏于保守的取其平均值)幾乎不影響GFRP的加固效果.

2.3 數據統計分析軟件SPSS15.0對FRP加固鋼筋混凝土約束梁的影響因素分析

在2.2節理論分析的基礎上(預損過程對加固梁的極限抗剪承載能力沒有明顯影響),利用數據統計分析軟件SPSS對本試驗及已有試驗數據[1-3],就混凝土強度、彎矩比、加固方式這三個影響方面進行因素分析,試驗數據見表5,軟件分析結果見表6.

表5 試驗數據一覽表

由表6的方差分析結果可以看出,對于FRP加固鋼筋混凝土約束梁的諸多影響因素(混凝土強度、彎矩比、加固方式)中,混凝土抗壓強度的相伴概率(Sig.)為0.001,對抗剪承載能力達到了極顯著的影響水平,這與很多既有有關FRP加固簡支梁的試驗研究結果[2-6]相同,因為混凝土抗壓強度的大小在一定程度上決定了鋼筋混凝土梁抗剪承載能力的大小,而且混凝土強度對于FRP加固梁的界面粘結性能和剝離承載力影響顯著[7-13],隨著混凝土強度的增加,界面粘結性能和剝離承載力均有提高,所以,較其他兩個影響因素而言,混凝土強度成為FRP加固鋼筋混凝土梁抗剪極限承載力的首要因素,根據本試驗和已有試驗結果[1-3](表5)也可以明顯看到,隨著混凝土強度的增高,極限抗剪承載力增大.

由于彎矩比的大小對于伸臂梁、連續梁等約束梁的破壞形態和抗剪極限承載力也有影響,表6中彎矩比的相伴概率(Sig.)為0.161,略大于0.05的差異顯著水平,從分析結果上說明其對試驗梁的抗剪承載能力有較為顯著的影響水平.

加固方式的相伴概率(Sig.)為0.858,遠遠超過了0.05的差異顯著水平,說明在三個影響因素中,其對試驗梁的抗剪承載能力沒有顯著的影響水平,影響程度最弱.

3 結論

(1)二次加載過程中,和試驗梁預裂斜裂縫相交處的纖維條帶較早地參與了抗剪作用,反彎點兩側纖維條帶應變值分布呈雙峰狀;在相同荷載情況下,與主斜裂縫相交的GFRP條帶在不同位置處所達到的應變值是不同的,參與受力的同一纖維條帶,不同位置的應力存在不均勻性;不論是新、舊主斜裂縫,整條荷載——應變的關系曲線均呈二折線模型,轉點則分別發生在其相應的開裂荷載時.

表6 主體間效應的檢驗

(2)預損程度在45%以下時(本文偏于保守的取其平均值)幾乎不影響GFRP的抗剪加固效果.

(3)在本試驗所研究的對GFRP加固鋼筋混凝土約束梁的諸多影響因素(混凝土強度、彎矩比、加固方式)中,混凝土強度成為FRP加固鋼筋混凝土梁抗剪極限承載力的首要因素,隨著混凝土強度的增高,加固梁極限抗剪承載力增大;彎矩比Φ對于二次受力加固梁的抗剪承載力有較為顯著的影響水平.

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