玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪正交試驗研究

周 安,朱 寧,蘇小龍,沈凱凱

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結構與材料重點實驗室,安徽 合肥 230009)

玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁抗剪正交試驗研究

周 安1,2,朱 寧1,蘇小龍1,沈凱凱1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結構與材料重點實驗室,安徽 合肥 230009)

文章針對鋼筋混凝土梁,采用玄武巖纖維布進行抗剪承載力加固研究,運用正交試驗法,選擇L9(34)正交表,考慮配箍率、條帶寬度、條帶間距及纖維布種類4個因素,設計制作了9個試件。研究表明,玄武巖纖維布加固后梁的抗剪承載力平均提高34%,是碳纖維布加固效果的73%;纖維布條帶越寬、間距越小,梁的抗剪承載力提高得越多。

玄武巖纖維布;鋼筋混凝土梁;正交試驗;抗剪承載力

玄武巖纖維是我國自主研發的一種能自然降解的新型環保纖維材料,它是以火山爆發形成的一種玻璃態的玄武巖礦石為原料,經粉碎、高溫熔融后,通過鉑銠合金漏板拉伸形成的。與其他類型的纖維材料相比,玄武巖纖維的優越性[1-4]有:① 相對高的抗拉比強度；② 高耐腐蝕性與化學穩定性；③ 高熱穩定性；④ 與樹脂有很好的親和力；⑤ 原料開采方便、儲量豐富；⑥ 價格低廉。因此，玄武巖纖維有明顯的競爭優勢，它為加固領域提供了新的發展空間。

1 試驗概況

1.1 材料性能

(1) 混凝土強度。試件采用的混凝土設計強度等級為C30,試驗預留試塊28 d混凝土立方體抗壓強度fcu=34.5 MPa。

(2) 鋼筋力學性能。混凝土梁中縱筋采用HRB400級鋼筋,箍筋采用HPB300級鋼筋,鋼筋實測力學性能見表1所列。

表1 鋼筋力學性能 MPa

(3) 纖維布性能。根據纖維布拉伸試驗,測得的玄武巖纖維布(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)主要力學性能見表2所列。

表2 纖維布力學性能

由表2數據可知,2種纖維布材料強度均低于國家標準取值[5],這可能是由于材料本身強度不夠、試驗機數值有誤差等造成的。

1.2 試驗梁設計

圖1 試驗梁尺寸及配筋

表3 因素水平表

注：條帶寬度、條帶間距的單位為mm。

1.3 加載方案

試驗采用單調靜力加載方案[6]。正式加載前先進行預加載,使構件進入正常工作狀態,然后分級加載,每級加載穩定一段時間,讓構件在荷載作用下充分發展變形,待基本穩定后觀察混凝土裂縫開展情況。試驗后期,隨著構件的臨界裂縫急劇開展,液壓千斤頂繼續施加壓力,但力傳感器的讀數不再增加甚至減小,構件已經不能承受荷載,此時可以認為構件失效。試驗加載裝置如圖2所示,實際加載裝置如圖3所示。

圖2 加載裝置圖

圖3 實際加載裝置圖

1.4 加固粘貼方式

試驗6根加固梁粘貼纖維布層數均為1層,加固方式都采用U形條帶+壓條,條帶寬度為100、80、50 mm,條帶間距為150、100、50 mm,各構件的加固形式如圖4所示。

圖4 梁受剪加固粘貼形式

2 試驗結果和分析

2.1 破壞形態

3根未加固梁的破壞形式均為斜壓破壞。加固梁的破壞形式[7-9]為纖維布剝離之后立即發生斜壓破壞。在剪彎區邊緣出現一些垂直裂縫,它們沿豎向延伸一小段長度后,便斜向延伸形成一些斜裂縫,而后又產生一條貫穿的主要斜裂縫。加載前期,在纖維布的抑制作用下斜裂縫發展緩慢;加載后期,纖維布開始剝離,斜裂縫迅速延伸,剪彎區混凝土破壞,斜截面喪失承載能力,加固梁發生剝離破壞。

試件破壞形態如圖5所示。

圖5 破壞形態

2.2 抗剪承載力

各試件的試驗數據結果見表4所列。

表4中數據(579,580,606)反映了配箍率對極限承載力的影響。該組數據表明,配箍率對極限承載力的影響不大。

數據(612,581,573)反映了條帶寬度對極限承載力的影響。該組數據表明,加固試件的條帶越寬,梁的極限承載力越大。

數據(546,608,612)反映了條帶間距對極限承載力的影響。該組數據表明,條帶間距越小,梁的極限承載力越大。

數據(465,621,680)反映了纖維布種類對極限承載力的影響。與未加固梁相比,玄武巖纖維布加固梁的極限承載力提高了34%,碳纖維布加固梁的極限承載力提高了46%。

極差(27,39,66,215)反映了4個因素對極限承載力的影響大小。該組數據表明,影響加固梁抗剪性能的因素主次順序為纖維布種類、條帶間距、條帶寬度、配箍率。

表4 抗剪正交試驗數據與極差分析

注：條帶寬度、條帶間距的單位為mm,R為極差。

2.3 荷載-跨中撓度曲線

各梁的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。

圖6 荷載-撓度曲線

從圖6可以看出,加載前期,在相同荷載下各梁的撓度基本相同。試件開裂以后,由于內力重分布,梁的剛度衰減,曲線斜率減小,并且通過相同配筋的梁之間的比較得知,加固梁的撓度均比未加固梁的撓度小,這是因為纖維布可以有效地延緩斜裂縫的發展,從而提高梁的跨中撓度[10]。加載后期,撓度曲線突降,梁的破壞形式表現為脆性。從圖6可以得出結論:用玄武巖纖維布和碳纖維布加固均可以提高梁的變形能力,但在相同荷載下,用玄武巖纖維布加固比用碳纖維布加固梁的撓度大。

2.4 荷載與斜裂縫寬度的關系

各試件在同級荷載下的斜裂縫寬度見表5所列。

表5 斜裂縫寬度 mm

由表5可知,斜裂縫寬度隨著配箍率的增大而減小,由于配箍率的增加,箍筋對混凝土的約束力提高,從而限制斜裂縫的進一步發展;玄武巖纖維布和碳纖維布均能很好地限制斜裂縫的發展,但碳纖維布的效果更好。

2.5 纖維布應變的分析

試驗梁L2、L3測點布置如圖7所示。

圖7 測點布置圖

(1) 玄武巖纖維布的應變分析。① 荷載很小時,玄武巖纖維布的應變也很小,隨著荷載增加,荷載-應變曲線斜率開始發生變化,最先發生應變突增的是位于支座到加載點連線上的點;② 相同荷載作用下,各條玄武巖纖維布條帶的應變值相差較大,這與斜裂縫是否穿過纖維布條帶有關,與斜裂縫相交的玄武巖纖維布的應變大,遠離斜裂縫的玄武巖纖維布應變較小;③ 因為加固構件最后都發生剝離破壞,所以玄武巖纖維布不能充分發揮作用。

(2) 同一條玄武巖纖維布應變分布規律。梁L2上各測點應變發展情況如圖8所示。

圖8 L2第2條纖維布各測點荷載-應變曲線

由圖8可知,應變值在裂縫附近較大,并依次向兩端遞減。測點4、測點5距離主裂縫較近,其應變值大;測點3距離主裂縫較遠,其應變值比測點4、測點5處的應變值小;測點6距離主裂縫最遠,其應變值也最小。由此可以得出結論:玄武巖纖維布條帶上距離主裂縫較近的纖維布能更好地發揮強度,較遠處發揮作用較小。

(3) 玄武巖纖維布和碳纖維布應變對比分析。試驗梁L2上測點4和L3上測點8應變對比情況如圖9所示。

圖9 L2測點4、L3測點8的荷載-應變曲線

取箍筋間距相同、應變片位置類似的試驗梁L2測點4和L3測點8進行分析,可以看出用玄武巖纖維布加固的梁L2先發生應變突增,由此可知玄武巖纖維布對斜裂縫的限制效果沒有碳纖維布好。荷載較小時,2種纖維布的應變都很小,荷載增大到裂縫出現后,纖維布的應變突增,但可以發現在配箍率相同的條件下,荷載相同時,用玄武巖纖維布加固的L2的應變小于用碳纖維布加固的L3的應變。

3 結 論

(1) 在剝離破壞情況下玄武巖纖維布加固后混凝土梁的抗剪承載力平均提高34%,是碳纖維布加固效果的73%。

(2) 加固梁的剪切破壞均緣于玄武巖纖維布的剝離,玄武巖纖維布尚未達到其材料抗拉強度。

(3) 2種纖維布加固梁的開裂剪力基本相同,但玄武巖纖維布加固梁的裂縫寬度大于碳纖維布加固梁。

安徽夢谷纖維材料科技有限公司在試件制作中提供大力支持,在此表示衷心感謝!

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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

安徽省自然科學基金資助項目(1408085MKL14)

周 安(1964-),男,安徽績溪人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.016

TU375.1

A

1003-5060(2017)11-1515-05

(責任編輯 張淑艷)