外粘AFRP布加固RC梁耐沖擊性能試驗研究

第一作者王興國男，工學博士，副教授，1977年1月生

通信作者栗橋祐介男，工學博士，1973年5月生

外粘AFRP布加固RC梁耐沖擊性能試驗研究

王興國1，栗橋祐介2，朱坤佳1

(1.河南理工大學土木工程學院，河南焦作454003； 2.日本室蘭工業大學大學院生活環境系，北海道室蘭0508585)

摘要：設計了8根鋼筋混凝土試驗梁，其中2根未加固，6根在梁體受拉面采用不同類型的AFRP布進行外粘加固。然后采用重錘沖擊加載試驗，重點研究每種試驗梁在不同沖擊高度下的耐沖擊性能。試驗結果表明，經過外粘AFRP布加固后,混凝土梁體的撓度變形及塑性變形得到有效抑制，同時這種加固措施還可以延緩梁體裂紋開裂，減輕重錘沖擊加載對梁體造成的沖擊損傷。另外，AFRP布類型、沖擊高度在一定程度上決定著梁體的損傷形態。由此表明，外粘AFRP布加固法能有效提高混凝土梁的耐沖擊性，且AFRP布類型與梁體的耐沖擊性能直接相關。

關鍵詞：RC梁；AFRP布；加固；抗沖擊性能

基金項目：國家自然科學基金資助(51108161)

收稿日期：2014-06-03修改稿收到日期：2014-10-11

中圖分類號:TU317文獻標志碼：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,一些工程結構經常受到來自滑坡、泥石流、車輛和船只的沖擊而出現不同程度的損傷，對結構安全造成嚴重威脅。有必要針對這些結構，開展在沖擊加載作用下沖擊性能的相關研究[1]。文獻[2-3]開展了受火及橫向作用時鋼管混凝土結構在沖擊荷載下性能研究。文獻[4]則對大尺寸RC板重錘沖擊性能進行了試驗研究。

目前國內外對普通混凝土梁受沖擊作用下的性能有部分研究[5-10]，提出了一些設計方法。雖有部分論文對鋼絞線網加固混凝土梁后的沖擊性能開始了研究[11]，但對質量更輕、強度更高、施工更便捷的纖維增強聚合物(Fiber Reinforced Polymer，FRP)加固混凝土梁的抗沖擊性能研究較少。由于芳綸纖維增強聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)布具有質輕高強、高彈模、熱膨脹系數低、耐腐蝕、可自由裁剪等優點[12]，本文擬開展鋼筋混凝土梁外粘AFRP布加固后新型組合結構在重錘沖擊下的性能研究，通過分析加固梁在沖擊加載結束時的撓度、塑性變形和梁體破壞形態，探討外粘AFRP布加固混凝土梁的耐沖擊性能。

1試驗概要

1.1　試驗梁概要及材料性能

表1為全體試驗梁一覽表，所有試驗梁均采用日本統一構造尺寸和現行配筋標準。表2為本試驗所用AFRP布的力學性能指標值，分為415 g/m2和830 g/m2兩種類型(以單位平方米質量數值表征)。圖1是試驗梁的構造尺寸及梁內配筋情況。另外，在每根梁體兩端各配置一塊外形尺寸為9 mm×200 mm×250 mm的鋼板，與梁內4根受力主筋焊接成整體，起到錨固主筋的作用。試驗擬在混凝土梁受拉面粘貼AFRP布進行加固處理后再進行沖擊試驗，故混凝土梁受拉面與AFRP布的粘結可靠性就顯得尤為重要，嚴格按照《纖維增強聚合物加固混凝土結構技術規程》(DG/TJ08-20012-2002)要求，粘結界面首先經高速噴砂處理露出但不損失粗骨料，用專用膠粘劑粘貼AFRP布后室溫中養護10天后開展試驗研究。

表1　試驗梁一覽表

表2　AFRP布力學性能表

圖1　試驗梁簡圖(單位：mm) Fig.1 Sketch of test beams(Unit: mm)

1.2　試驗方法及所測指標

依據設計方案，本論文采用重錘沖擊加載方式，試驗裝置如圖2所示。重錘采用純鋼材質制造，質量統一為300 kg，下部圓端面直徑為200 mm。兩端支座允許有微小自由轉動角度，以滿足試驗梁在加載過程中撓度變形的需要。同時在兩個支座上均設有防跳梁裝置，以避免重錘沖擊反彈影響試驗數據的精確度。試驗加載時，以試驗梁上表面為基準點來設定重錘沖擊高度，然后重錘從設定高度沿裝置軌道自由落下(無初速度)，對試驗梁進行沖擊加載試驗。試驗加載過程終止控制條件為：試驗梁跨中塑性變形量達到凈跨徑的2%(即3 000×2%=60 mm)，或者外粘AFRP布出現斷裂、剝離等現象。試驗過程中，主要記錄重錘沖擊力、支點反力、跨中撓度、塑性變形，其中重錘沖擊力和支點反力通過布置在重錘和支座處的測力計測得，跨中撓度和塑形變形通過布置在梁側面的激光測試儀測得(通過激光測試儀測試沖擊實驗前后試驗梁跨中底部相應高度，卸載后試驗梁在彈性力作用下撓度變形會在一定程度上恢復，然而，梁體最終還會留下一部分撓度變形不能完全恢復，未恢復的視為塑性變形量。)。另外，高分辨率攝像儀全程記錄沖擊過程，便于分析試驗梁的破壞過程和裂縫分布形態。

圖2　重錘沖擊加載試驗裝置圖 Fig.2 Falling-weight impact test device

2歷時波形曲線分析

重錘沖擊加載條件下，梁N-I、A415-I、A830-I的重錘沖擊力、支點反力、跨中撓度在加載過程中隨時間而變化的歷時波形曲線如圖3所示。

圖3(a)是重錘沖擊力波形曲線，這里記錄了t=-5ms～20 ms時刻段內曲線變化波形，“-5”表示在加載前t=5 ms時刻已經開始記錄數據，后述其它相關圖形含義與之同理，不再解釋。這里規定重錘沖擊力向下為“+”。由圖可知，在同一沖擊加載高度下，波形曲線走向都大致相同。t=1 ms時刻，沖擊波開始出現第一次波峰。對比可知，梁A830-Ⅰ的波形振幅最大，梁A415次之，梁N-Ⅰ的波形振幅最小。隨后重錘被彈起，再次沖擊加載，在t=3 ms時刻沖擊波出現第二次波峰。接著在t=13 ms時刻出現第三次波峰，接下來各波形振幅逐漸變小并趨于0。這與圖3(c)中的加載點變形波形曲線相對應。分析表明，經過AFRP布粘結加固后，梁的整體剛度明顯增強，耐沖擊性能大幅提高。

圖3(b)是支點反力波形曲線圖，記錄了t=-20 ms～80 ms時刻段內曲線變化波形，這里規定支點反力向上為“+”。由圖可知，支點反力主波形持續時間長達40～50 ms，在t=5 ms時刻波形出現第一次波峰，支點反力達到最大值，隨后在重錘反復沖擊作用下波形再次達到極值，接下來各波形振幅逐漸變小并趨于0，這與圖3(a)中重錘沖擊力波形曲線相對應。分析可知，與梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的支點反力主波形振幅較大，且持續時間較短。另外，梁A830-Ⅰ的波形振幅大于梁A415-Ⅰ的波形振幅，但兩者的主波形持續時間都基本相等。從圖3(c)中加載點撓度變形波形曲線可以看出，經過外粘AFRP布加固后，相同沖擊時間下加固后試驗梁撓度要小于未加固梁，說明外粘AFRP布加固梁的剛度有不同程度提高。

圖3　歷時波形曲線圖 Fig.3 Real-time waveform curve

圖3(c)是梁體跨中撓度曲線圖，記錄了t=-40 ms～160 ms時刻段內曲線變化波形。這里規定撓度向下為“+”。由圖可知，變形曲線走向都大致相同，在重錘沖擊作用下，撓度變形曲線被激起半正弦波，隨后進行自由衰減振動并趨于平穩，最終出現明顯的塑性變形，這與圖3(a)中重錘沖擊力波形曲線相對應。在沖擊高度H=2.0 m加載條件下，梁N-Ⅰ波形振幅最大、振動周期最長、塑性變形量最大，梁A415-Ⅰ次之，梁A830-Ⅰ波形振幅最小、振動周期最短、塑性變形量最小，沖擊高度H=2.5 m加載條件下的各關系量與之類似。與沖擊高度H=2.0相比，在沖擊高度H=2.5 m加載條件下，各波形曲線的振幅和塑性變形量都明顯增加。在沖擊高度H=3.0 m加載條件下，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的波形曲線完全重合，說明跨中撓度達到最大值前，兩者的外粘AFRP布都已斷裂，這與未加固梁的波形曲線類似。分析表明，外粘AFRP布加固法可以有效抑制撓度變形和塑性變形，這就意味著，通過外粘AFRP布加固后，加固梁的耐沖擊性能大幅提高，且AFRP類型與耐沖擊性能直接相關。

3試驗梁撓度曲線分析

在重錘沖擊加載條件下，梁體跨中撓度分布曲線如圖4所示。沖擊高度H=3.0m加載條件下，由于梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的外粘AFRP布已被完全沖斷，這與未加固梁的撓度曲線相類似。

進行沖擊加載試驗時，重錘從設定高度自由落下對試驗梁進行加載，這時梁體出現了彈性變形以抵抗重錘的沖擊作用。隨著沖擊加載的進行，梁體撓度變形在沖擊力作用下繼續增加，最終達到最大值。由圖可知，在沖擊高度H=2.0 m加載條件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大撓度分別達到63 mm、56 mm、45 mm。與梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大撓度分別減少了25%、40%；同樣，在沖擊高度H=2.5m加載條件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大撓度分別達到80 mm、62 mm、52 mm。與梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的跨中最大撓度分別減少了23%、35%。在重錘沖擊加載下，這種加固方法能有效減小梁體跨中撓度，且AFRP布加固類型與梁體跨中撓度密切相關。

圖4　試驗梁撓度曲線圖 Fig.4 Deflection curves of test beams

4試驗梁塑性曲線分析

重錘沖擊加載下梁體跨中塑性變形分布曲線如圖5所示。在沖擊高度H=3.0 m加載條件下，由于梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的外粘AFRP布已被完全沖斷，這類似于未加固情況下的塑性變形分布曲線。

沖擊加載時，試驗梁因受到沖擊荷載作用而發生彈性變形，最終達到最大撓度，卸載后梁體在彈性作用下撓度變形會部分恢復，然而，梁體最終還會留下一部分變形不能完全恢復，這部分變形視為梁體塑性變形。分析可知，在沖擊高度H=2.0 m加載條件下，梁N-Ⅰ、A415-I、A830-Ⅰ的塑性變形量分別為47 mm、25 mm、18 mm。與梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性變形量分別減少了47%、61%。在沖擊高度H=2.5m加載條件下，梁N-Ⅰ、A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性變形量分別達到58 mm、29 mm、21 mm。與梁N-Ⅰ相比，梁A415-Ⅰ、A830-Ⅰ的塑性變形量分別減少了50%、63%。分析表明，梁體經外粘AFRP布加固后，AFRP布可看作梁內受力鋼筋，這相當于提高了加固梁的配筋率。在重錘沖擊加載下，這種加固技術可明顯抑制梁體塑性變形量。

圖5　試驗梁塑性變形曲線圖 Fig.5 Plastic deformation curves of test beams

5試驗梁破壞形態比較

重錘沖擊加載下試驗梁的破壞形態如圖6所示。這里針對梁體從跨中位置向兩端各a/4(a=3 000 mm，為試驗梁凈跨長度)區域內裂縫進行分析。

由圖可知，在沖擊高度H=2.0 m加載條件下，所有梁體均出現裂縫。比較梁N-Ⅰ和A415-Ⅰ可知，梁N-Ⅰ裂縫集中分布在跨中區域，且走向不規則，存在許多次生裂縫。加載點有輕微沖擊損傷，跨中塑性變形明顯。梁A415-Ⅰ裂縫大體向兩端呈對稱形態分布，從加載點斜向下約45°方向出現了主斜裂縫，形成三角開裂區。在斜裂縫末端，AFRP布因粘結層破壞而剝離。加載點基本無沖擊損傷，且梁體塑性變形很小；比較梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A830-I裂縫數量較少，外粘AFRP布無剝離，梁體塑性變形不明顯。

在沖擊高度H=2.5加載條件下，梁體均出現大量裂縫和彎曲變形。比較梁N-Ⅰ和A415-Ⅰ可知，梁N-Ⅰ跨中區域裂縫較多，且寬度很大，加載點沖擊損傷嚴重，梁體塑性變形很大。主要原因是，在沖擊加載下梁內受力主筋發生明顯屈服，梁體強度迅速下降。而梁A415-Ⅰ雖出現一些沖擊損傷，但仍具有較高承載力；比較梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A415-Ⅰ斜裂縫數量較多，且寬度較大，嚴重破壞了粘結層，AFRP布大范圍剝離。梁體塑性變形明顯。梁A830-Ⅰ的主斜裂縫已形成，但裂縫數量不多且寬度較小。斜裂縫末端的粘結層破壞不太明顯，外粘AFRP布沒有大范圍剝離。梁體塑性變形也很小。分析可知，梁N-Ⅰ塑性變形最大，梁A415-Ⅰ次之，梁A830-Ⅰ塑性變形最小。

在沖擊高度H=3.0 m加載條件下，兩者的外粘AFRP布都被沖斷，梁體失去承載力。比較梁A415-Ⅰ和A830-Ⅰ可知，梁A415-Ⅰ加載點被完全沖壞，混凝土失去承壓能力。粘結層破壞嚴重，AFRP布被徹底沖斷，且剝離范圍很大，中性軸以下混凝土幾乎全部脫落。主筋裸露出來，并發生明顯應變硬化，梁體塑性變形很大，已完全失去承載力；梁A830-Ⅰ的三角形裂縫區域較小，加載點沖擊損傷很嚴重，但還具有一定的承壓能力。AFRP布被沖斷，但剝離程度局限于跨中位置，沒向兩端過多延伸，中性軸以下混凝土脫落現象不明顯，最終梁體塑性變形較小。

分析表明，在沖擊加載下，外粘AFRP布加固可減輕梁體的沖擊損傷，抑制塑性變形，提高其耐沖擊性，且AFRP類型與梁體耐沖擊性直接相關。另外，這種加固方法還可延緩裂縫開裂，限制裂縫寬度。與未加固梁相比，加固梁彎曲剛度明顯增強，裂縫分布較均勻。

圖6　試驗梁破壞形態對比圖 Fig.6 Failure pattern comparison of test beams

6結論

(1)在一定沖擊高度下，外粘AFRP布加固法能有效減小梁體撓度和塑性變形，增強梁體耐沖擊性能，且AFRP布類型與梁體耐沖擊性能密切相關。

(2)外粘AFRP布類型、沖擊高度與試驗梁損傷形態直接相關。未加固梁是因梁體出現沖擊損傷后鋼筋屈服而破壞，裂縫集中分布在跨中區域。加固梁是因梁體出現沖擊損傷后AFRP布剝離而破壞，裂縫在純彎段呈對稱形態均勻分布。沖擊高度越大，外粘AFRP布剝離程度越深，最終直接被沖斷。

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