AFRP-混凝土界面有效粘結(jié)長度模型分析

袁嬌嬌，苑 ，侯新宇，林 軍

(1.江蘇開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 210036; 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

近年來，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。外貼FRP片材加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以延長現(xiàn)有損傷結(jié)構(gòu)使用壽命，防止損傷結(jié)構(gòu)被拆除。FRP與混凝土界面的典型破壞模式是FRP與混凝土基層的剝離。因此，F(xiàn)RP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)依賴于FRP片材與混凝土之間的有效粘結(jié)。FRP片材通過膠粘劑，將粘結(jié)剪應(yīng)力傳遞給混凝土，從而使纖維片材與混凝土共同工作。這個粘結(jié)剪應(yīng)力傳遞長度是有限的，稱為有效粘結(jié)長度。當(dāng)粘結(jié)長度超過有效粘結(jié)長度時，增大粘結(jié)長度并不能提高FRP與混凝土界面剝離承載力。因此，有效粘結(jié)長度對確定FRP-混凝土界面剝離承載力至關(guān)重要。很多學(xué)者提出的剝離承載力模型也是基于有效粘結(jié)長度建立的。

ACI 440.2R-08[1]、CSA-S806-02[2]指出：有效粘結(jié)長度與纖維片材剛度成反比，Maeda等[3]的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。而Niedermeier[4]、陸新征[5]、Chen[6]、Wu[7]、Neubauer[8]的研究成果都表明有效粘結(jié)長度與纖維片材剛度成正比；JCI[9]、CNR-DT 200/04[10]也規(guī)定有效粘結(jié)長度與纖維片材剛度成正比。另外，ACI 440.2R-08[1]、CSA-S806-02[2]、JCI[9]規(guī)定有效粘結(jié)長度僅與纖維片材剛度有關(guān)，與混凝土強(qiáng)度無關(guān)，但楊勇新[11]的研究成果顯示纖維片材的剛度、混凝土強(qiáng)度與有效粘結(jié)長度之間并沒有明顯的相關(guān)性。

因此，針對學(xué)者們在FRP-混凝土界面有效粘結(jié)長度研究中存在結(jié)論不一致、機(jī)理解釋不夠全面的情況，本文依據(jù)JSCE2001試驗規(guī)程，采用雙面剪切的試驗對AFRP(芳綸纖維)-混凝土界面有效粘結(jié)長度模型進(jìn)行評價與分析。

2 試驗方法

2.1 試件設(shè)計與制作

此次試驗采用商品混凝土，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，中砂，5～25 mm碎石，日常飲用水，配合比如表1所列。混凝土試件在錨固端長度為250 mm，在加載端長度為230 mm，橫斷面尺寸為100 mm×100 mm。首先在兩混凝土塊側(cè)面確定好粘貼區(qū)域，纖維片材在粘貼區(qū)域居中對稱粘貼。錨固端環(huán)向纏繞多層纖維布，以確保破壞只在加載端產(chǎn)生。試件主要參數(shù)如表2所列。試件制作參考文獻(xiàn)[12]，試件組成如圖1所示。

圖1 試件組成示意(單位:mm)Fig.1 Graphic of the composition of specimen

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix proportion kg/m3

表2 雙剪試件主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of double shear specimen

將組別L200/B50/C30作為研究粘結(jié)層數(shù)、粘結(jié)寬度、混凝土強(qiáng)度的對比試件。

2.2 材料力學(xué)性能

混凝土強(qiáng)度測試采用標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，設(shè)計強(qiáng)度等級為C30、C40、C50，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度分別為32.1，43.7，51.6 MPa。試驗采用的AFRP纖維片材理論厚度為0.18 mm，延伸率為1.709%，彈性模量為118.800 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 905 MPa。

2.3 試驗過程

試驗采用雙面剪切試件，縱向纖維中部沿長度方向從木隔板邊緣開始，每隔20 mm布置一個應(yīng)變片，直至試件加載端端部。用MTS動靜萬能試驗機(jī)進(jìn)行位移控制，速率為0.2 mm/min，加載方式如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置示意Fig.2 Schematic diagram of test loading device

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 AFRP表面應(yīng)變分析

纖維布表面應(yīng)變分布隨荷載變化曲線如圖3所示。橫坐標(biāo)上的0點(diǎn)表示加載端(靠近木隔板)處，10～200 mm表示應(yīng)變片中心距離加載端的距離。由圖3可知：在加載初期，纖維應(yīng)變分布曲線是凹狀的；在加載中期，纖維應(yīng)變分布曲線開始由凹狀向凸?fàn)钷D(zhuǎn)變。圖3(b)纖維應(yīng)變分布曲線只有凸?fàn)睿@是由于該試件在加載初期加載速率過快，沒有采集到低荷載下的纖維應(yīng)變。

由圖3還可知：在加載初期，纖維應(yīng)變主要集中在加載端，遠(yuǎn)離加載端的纖維布上沒有應(yīng)變產(chǎn)生。隨著荷載的增大，加載端應(yīng)變急劇增大，并向遠(yuǎn)離加載端的方向增大。當(dāng)加載端應(yīng)變達(dá)到峰值時，應(yīng)變峰值不斷向遠(yuǎn)離加載端的方向移動。此時，應(yīng)變峰值形成水平狀的平臺，這段長度內(nèi)的纖維布已經(jīng)與混凝土發(fā)生剝離，纖維只承擔(dān)拉力不承擔(dān)剪應(yīng)力。應(yīng)變峰值過后，應(yīng)變沿長度方向迅速衰減，此段長度為纖維布與混凝土界面共同工作區(qū)域。而應(yīng)變?yōu)榱愕膮^(qū)域，表明此處纖維布還未參與工作。

圖3 AFRP應(yīng)變位置分布Fig.3 AFRP strain location distribution

3.2 AFRP-混凝土界面粘結(jié)剪應(yīng)力分析

本文AFRP-混凝土界面粘結(jié)剪應(yīng)力計算參考文獻(xiàn)[12]。粘結(jié)剪應(yīng)力分布隨荷載變化曲線如圖4所示。在加載初期，粘結(jié)剪應(yīng)力主要存在于加載端端部。隨著荷載的不斷增大，加載端端部剪應(yīng)力不斷增大，并向著遠(yuǎn)離加載端的方向移動。只有圖4(a)和圖4(b)沒有捕捉到剪應(yīng)力不斷向著遠(yuǎn)離加載端移動的規(guī)律，這是由于圖4(a)和圖4(b)的粘結(jié)長度分別為50 mm和80 mm，粘結(jié)長度較短，不易捕捉。

當(dāng)荷載增大到剝離荷載時，芳綸纖維與混凝土界面開始剝離。剝離從加載端開始，此時粘結(jié)剪應(yīng)力圖上靠近加載端處的剪應(yīng)力開始變?yōu)榱恪Ｕ辰Y(jié)剪應(yīng)力圖上不為零的區(qū)域即為芳綸纖維與混凝土界面?zhèn)髁^(qū)域。在傳力區(qū)域以內(nèi)，剪應(yīng)力梯度很大；在傳力區(qū)域以外，剪應(yīng)力變化很小，如圖4所示。

3.3 試驗數(shù)據(jù)與建立的模型預(yù)測值比較分析

Kasumassa等[13]建議以剪應(yīng)力分布曲線上剪應(yīng)力峰值兩側(cè)兩點(diǎn)之間的距離作為有效粘結(jié)長度。這兩點(diǎn)為峰值剪應(yīng)力10%對應(yīng)的橫坐標(biāo)，即圖4上距加載端的距離值。各試件有效粘結(jié)長度如表3所列。

圖4 AFRP-混凝土界面粘結(jié)剪應(yīng)力分布Fig.4 Shear stress distribution of AFRP concret interface

由表3可知：當(dāng)芳綸纖維粘結(jié)層數(shù)增加時，有效粘結(jié)長度增大；當(dāng)粘結(jié)寬度增加時，有效粘結(jié)長度也增大；而當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時，有效粘結(jié)長度減小。當(dāng)纖維布長度超過有效粘結(jié)長度增加時，增加粘結(jié)長度對提高有效粘結(jié)長度沒有影響。

表3 試件有效粘結(jié)長度Tab.3 Effective bond length of the specimen mm

有效粘結(jié)長度主要由2個因素控制：纖維片材剛度Eftf和混凝土強(qiáng)度fco。現(xiàn)有文獻(xiàn)已證實(shí)，有效粘結(jié)長度與FRP剛度Eftf[6]成正比。相關(guān)文獻(xiàn)[5-8，10]也表明，有效粘結(jié)長度與混凝土強(qiáng)度成反比；但一些學(xué)者認(rèn)為有效粘結(jié)長度不受混凝土強(qiáng)度的影響[3，9，11]。因此，關(guān)于混凝土強(qiáng)度對有效粘結(jié)長度的影響結(jié)論是不一致的。

本文依據(jù)文獻(xiàn)[14]，采用變異系數(shù)IAE評估模型的準(zhǔn)確性，如公式(1)所示。為了便于理解分析，本文取L200試件進(jìn)行試驗值和模型值的對比分析，誤差分析結(jié)果如表4所示。

(1)

由表4可知：各模型平均IAE為9.03%，最小IAE為2.57%。由于各學(xué)者獲取有效粘結(jié)長度的試驗方法不同，試驗結(jié)果具有差異性，由試驗結(jié)果擬合的模型也不盡相同，導(dǎo)致各學(xué)者模型預(yù)測本文試驗結(jié)果有很高的離散性。其中ACI 440.2R-08[1]模型是最精確的，模型IAE高估了2.57%。本文基于ACI 440.2R-08[1]模型，對本文試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到修正模型：

表4 各學(xué)者有效粘結(jié)長度模型分析Tab.4 Analysis of effective bond length model of each scholar

(2)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸分析確定常數(shù)α為22 727。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)芳綸纖維粘結(jié)層數(shù)、粘結(jié)寬度增加時，芳綸纖維與混凝土界面有效粘結(jié)長度增大；但當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時，界面有效粘結(jié)長度減小。當(dāng)纖維布長度超過有效粘結(jié)長度增加時，增加粘結(jié)長度并不能提高有效粘結(jié)長度。

(2) 本文采用變異系數(shù)IAE評估各學(xué)者所建模型的準(zhǔn)確性。不同模型的平均IAE為9.03%，最小IAE為2.57%，其中，ACI 440.2R-08提出的模型最精確，IAE僅高估了2.57%。

(3) 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，基于ACI 440.2R-08模型進(jìn)行修正，得到了AFRP-混凝土界面有效粘結(jié)長度修正模型。