混雜FRP及其加固混凝土結(jié)構(gòu)的性能

1、混雜FRP及其加固混凝土結(jié)構(gòu)的性能鄧宗才，李建輝，杜修力（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022）摘要：纖維增強(qiáng)塑料（FRP）在現(xiàn)代土木工程中極具應(yīng)用前景型材料，而混雜纖維增強(qiáng)塑料（HFRP）是未來FRP發(fā)展的主導(dǎo)方向。本文在綜合有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)了HFRP及其加固混凝土結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外最新研究成果，探討了它們的理論模型，并對(duì)應(yīng)用前景做出展望。關(guān)鍵詞：FRP;HFRP;混凝土；應(yīng)用與前景1 引言 混凝土結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今世界土木工程中最主要的結(jié)構(gòu)形式，但是由于材料老化、環(huán)境腐蝕、工作荷載改變、自然災(zāi)害及施工質(zhì)量等問題，大批結(jié)構(gòu)需要修復(fù)和加固。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有橋梁中危橋約占34.5，大部分橋梁

2、存在著不同程度的損傷。FRP以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、施工方便等優(yōu)異性能奠定了它在現(xiàn)在土木工程中的巨大優(yōu)勢，其應(yīng)用已經(jīng)引起了土木工程界的極大興趣。由于單一FRP變形能力不足，所加固結(jié)構(gòu)的延性差制約了FRP的廣泛引用。混雜技術(shù)是解決以上問題的有效途徑?；祀s增強(qiáng)能夠充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，優(yōu)化FRP的綜合力學(xué)性能。本文介紹了國內(nèi)外HFRP及其加固混凝土結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)它的應(yīng)用前景做出展望。2 HFRP材料性能 從理論上分析，高彈模（大于鋼）纖維能改變結(jié)構(gòu)的剛度、開裂和屈服荷載；高彈模、高強(qiáng)度的纖維能取得應(yīng)變強(qiáng)化行為，從而抑制變形；高彈性纖維能增強(qiáng)延性。已有的研究表明，碳纖維

3、增強(qiáng)塑料（CFRP）能夠增大結(jié)構(gòu)的剛性，在CFRP中混雜適當(dāng)比例的芳綸纖維（AF）或（GF）能提高結(jié)構(gòu)的延性。HFRP理想的應(yīng)力變力如圖1所示。實(shí)際上在混雜纖維逐步斷裂的過程中不平穩(wěn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移使周圍纖維產(chǎn)生應(yīng)力集中而受到損傷，從而導(dǎo)致HFRP過早破壞或承載力急劇下降，因此需要尋求混雜纖維的合理匹配或采取措施去控制承載力的降低。2.1 單軸拉伸力學(xué)性能 Wu Z.S研究了纖維布層間混雜特性，測試了高彈模（C7）、高強(qiáng)度（C1）碳纖維布和高延性纖維布（Dy）HFRP的單軸拉伸行為【1，2】，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。結(jié)果表明隨著C1布比例的增加，HFRP的延性提高、承載力降低幅度減小。圖2（ab）分別為相同

4、密度（200g/m2）的一層C1和一層C7混雜碳纖維布C1/C7以及兩層C1和一層C7混雜布2C1/C7的單軸拉伸荷載應(yīng)變曲線。由圖可知，隨著C1布混雜比例的增加，高彈模、低極限應(yīng)變的C7碳纖維布破壞過程變得緩慢，C7布應(yīng)轉(zhuǎn)移到C1布，荷載應(yīng)變曲線有應(yīng)變強(qiáng)化和多峰特點(diǎn)。圖2（c）證明，混雜高延性的Dy纖維布能獲取良好的延性，因?yàn)镈y纖維具有良好的變形和能量吸收能力。 對(duì)于FRP筋，F(xiàn)rank P.H提出采用編織技術(shù)設(shè)計(jì)延性混雜FRP(DHFRP)筋的新理念3.實(shí)驗(yàn)研究了DHFRP筋的單軸拉伸和與混凝土界面的粘結(jié)性能。拉伸結(jié)果表明，DHFRP筋具有明顯的屈服點(diǎn)、彈塑性階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段。與混凝土

5、界面粘結(jié)性能實(shí)驗(yàn)：將直徑10mm的DHFRP筋埋入直徑為152.4mm的混凝土圓柱體，埋置長度分別為63.5mm、127mm、190.5mm和254mm。筋的拉拔實(shí)驗(yàn)表明，所有的纖維埋置長度上均發(fā)生纖維筋斷裂破壞，未發(fā)生纖維筋拔出現(xiàn)象。這表明DHFRP滑移機(jī)理完全依賴于纖維筋的破壞機(jī)理。2.2 徐變行為 Vitauts T等研究了CFRP/芳綸纖維增強(qiáng)塑料（AFRP）、CFRP/GFRP筋的徐變行為【4，5】。各纖維的混雜比例為CFRP與AFRP的體積摻率分別為24和76；CFRP與GFRP體積摻率分別為19和81。徐變測試方案為CFRP筋初始拉應(yīng)變?yōu)?.69，為極限應(yīng)變的57；AFRP筋初始

6、應(yīng)變?yōu)?.38，為極限應(yīng)變的42；GFRP筋初始應(yīng)變?yōu)?.78，為極限應(yīng)變的30;CFRP/AFRP混雜筋初始應(yīng)變?yōu)?.86，為極限應(yīng)變（3.92）的26; CFRP/GFRP混雜筋初始應(yīng)變?yōu)?.68，為極限應(yīng)變（2.64）的26；編織空心AFRP筋的長期荷載為其極限荷載的41。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP筋在荷載持續(xù)17700h后無徐變；AFRP筋在荷載持續(xù)16800h后應(yīng)變由初始的1.38增加到2.326，增加了78；GFRP筋在荷載持續(xù)16600h后應(yīng)變由初始的0.78增加到0.83，增加量為6.4；CFRP/AFRP混雜筋在12000h后應(yīng)變由初始的0.86增加至1.46（超過了碳纖維的極

7、限應(yīng)變1.21），增加量為69，由于AFRP的徐變大，致使應(yīng)力轉(zhuǎn)移至CFRP上，導(dǎo)致碳纖維發(fā)生破壞；CFRP/GFRP混雜筋在17500h后應(yīng)變由初始的0.68增加到0.72，增加量為5.8；編織空心AFRP筋在1100h徐變?yōu)槌跏紤?yīng)變的54。 假定HFRP中各單一纖維徐變相等，HFRP筋的徐變通過下式計(jì)算：t H/EH(t) （1）EH(t)EA(t)A+ECC+ EM(t)(1-A-C) (2 ) nEA(t)=E0/1+Aj1-exp(-t/i) (3) =1 式中，H為HFRP筋的平均應(yīng)力；EA(t)、EC、EM(t)、A、C分別為芳綸、碳纖維和粘結(jié)劑的彈性模量和體積摻率；E0為芳綸纖

8、維的初始彈性模量；Aj、i為參數(shù)，n為近似描述徐變曲線所需參數(shù)數(shù)量。3 HFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)性能3.1 HFRP加固梁 Wu Z.S測量了HFRP布對(duì)簡支梁的加固效果【1】。由圖2（d）可知，含有一層C7布的HFRP能顯著提高簡支梁的剛度、屈服與極限荷載和延性，特別是C1/C7/Dy加固梁承載力下降緩慢，具有多峰的特點(diǎn)。盡管3層C1布（3C1）加固梁的承載力與2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁的相近甚至更高，但是3C1加固梁的屈服荷載低于2C1/C7或C1/C7/Dy加固梁。這表明高彈模的C7布對(duì)梁屈服荷載的提高效果優(yōu)于C1布。同時(shí)，C7布的逐步斷裂過程能使應(yīng)力平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，避免了周圍纖維產(chǎn)生

9、高度應(yīng)力集中。 Frank P.H比較研究了DHFRP筋及鋼筋加固混凝土梁的抗彎性能【6】。DHFRP筋能顯著增大梁的初始剛度，具有與鋼筋混凝土梁相似的開裂、裂縫發(fā)展行為和變形、能量吸收能力。熊光晶等實(shí)驗(yàn)研究了高強(qiáng)玻璃纖維/碳纖維HFRP加固混凝土梁的抗彎性能【7，8】，將極限撓度與屈服撓度比值定義為撓度延性，梁破壞時(shí)所吸收能量與屈服時(shí)所吸收能量之比定義為能量延性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在極限承載力提高幅度相近前提下HFRP加固梁的撓度延性、能量延性分別比單一CFRP加固梁提高89.5和57.9，加固價(jià)格降低38.2，剛度僅降低10；HFRP加固梁的撓度延性、能量延性僅比基準(zhǔn)混凝土梁降低13.7和21

10、.4。 為了防止混凝土與FRP剝離破壞，采用U型CFRP片材粘貼梁側(cè)的加固方法不僅增加了加固成本，且加固梁的變形能力差、延性低的問題未解決。熊光晶等提出了由單項(xiàng)一型CFRP和雙向L型GFRP混雜加固混凝土梁的方法【9】，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明該方法有效地阻止剝離破壞，大幅度提高了加固梁的變性能力和延性，并將低了成本。3.2 HFRP加固柱 姜浩等實(shí)驗(yàn)研究了GFRP、CFRP和CFRP/GFRP混雜加固150150450mm短柱的抗壓性能【10】。結(jié)果表明，HFRP加固短柱的極限荷載比基準(zhǔn)柱提高了14；HFRP布加固后短柱的塑性明顯提高，荷載應(yīng)變曲線如圖4所示。 李杰等實(shí)驗(yàn)研究了FRP管混凝土長柱

11、（900mm）、短柱（高220、264mm）的軸壓和偏壓性能【11】。試件設(shè)計(jì)為FRP管采用纏繞法制成，管內(nèi)徑D=88mm。類型鋪設(shè)4層玻璃纖維和1層碳纖維，鋪層角度為90/45o/0o/90，其中0度的鋪層為碳纖維，沿試件縱向。類型鋪層設(shè)四層玻璃纖維，鋪層角度為90/45o/90。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP和GFRP/CFRP混雜管混凝土組合結(jié)構(gòu)能有效地提高構(gòu)件的承載力，且構(gòu)件具有很大的變性能力，如圖5所示；45o鋪設(shè)層設(shè)計(jì)可以大幅度提高構(gòu)件斜截面承載力；彎矩曲率曲線為二折線，第一剛度由混凝土截面控制，第二剛度由FRP管剛度控制，如圖6所示。圖中BC、C分別代表柱、短柱；CG、G分別代表碳纖維/

12、玻璃纖維混雜布、單一玻璃纖維布加固；第一個(gè)數(shù)值代表鋼筋直徑；第二個(gè)數(shù)值代表偏心距。C-CG-4-A為FRP殼體不直接受力而引起約束作用，C-CG-4-A、C-G-2.1-B為FRP殼體直接受力。3.3 HFRP加固梁柱節(jié)點(diǎn) Li J.C試驗(yàn)研究了CFRP/GFRP混雜加固梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能【12】，測試了三個(gè)試件。其中兩個(gè)未加固，記為C1、C2;HFRP加固試件記為C3，HFRP粘貼部位如圖7所示。施加荷載分為：服役水平荷載和極限荷載。在加載至極限荷載前30kN對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行幾次檢測測試，但試件C2僅做一次。然后，試件C2、C3以服役水平荷載30kN循環(huán)加載100次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在服役水平荷

13、載作用下HFRP加固試件剛度提高45；循環(huán)荷載作用后HFRP加固試件極限承載力提高30；服役水平荷載作用下HFRP加固梁或柱的變形顯著減小，最大幅度達(dá)50。3.4 HFRP混凝土新型組合結(jié)構(gòu) 廖原等提出了一種由玻璃纖維（GF）布纏繞混凝土和粘結(jié)預(yù)應(yīng)力碳纖維(CF)布的預(yù)應(yīng)力組合梁【13】對(duì)于普通的鋼筋混凝土梁，其抗剪承載力大部分是由箍筋提供，作者的設(shè)想是在混凝土上纏繞GF布，相當(dāng)于均勻布置的箍筋，在梁底粘貼CF布以抵抗彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力。為充分發(fā)揮CF布的強(qiáng)度和減小梁的撓度，在粘貼布時(shí)進(jìn)行張拉，施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力組合梁。截面示意如圖8所示。 Nordin H 提出了HFRP梁【14】，即I型

14、GFRP梁。梁下翼抗拉區(qū)有一層3mm厚的CFRP，梁上翼抗拉區(qū)有一層115mm厚混凝土。這充分利用了CFRP高抗拉強(qiáng)度、GFRP的低價(jià)格和混凝土的高抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)研究了3種3m長HFRP梁的抗彎性能，圖9為梁截面示意。梁B上翼GFRP與混凝土采用鋼栓錨接，而梁C采用膠粘結(jié)。測試采用四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，凈跨為2.7m。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是梁A、B、C的極限荷載分別為133kN、275kN、292kN，荷載撓度曲線如圖10所示。HFRP梁的測試彎曲剛度EIest采用下式估計(jì)： EItest=PL2a/48test（34a2/L2）(4) 式中，P為總荷載；L為凈跨；a為支座與加載點(diǎn)距離；test為梁跨中撓度。

15、預(yù)測結(jié)果列于表2。表2 EItes估計(jì)平均值梁A梁B梁CP/kN100200200L/mm270027002700A/mm100010001000test/mm2317.414.3EItest/N.mm21.610124.310125.21012梁A/%1002713254 理論模型 Wu Z.S基于HFRP布的單軸拉伸試驗(yàn)【2】，提出了一個(gè)預(yù)測HFRP逐步斷裂時(shí)應(yīng)力轉(zhuǎn)移的宏觀力學(xué)模型，將該模型引入了有限元程序中，再預(yù)測HFRP單軸拉伸及其加固混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。所考慮的方面有混凝土裂縫的發(fā)展、鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移、FRP與混凝土的界面面粘結(jié)和HFRP逐步斷裂過程。采用線性拉伸軟化和線性理

16、想彈塑性曲線分別估計(jì)混凝土的拉伸和壓縮行為。假定鋼筋為線性理想彈塑性材料，鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移行為由圖11（a）所示。 通常情況下粘結(jié)劑對(duì)結(jié)構(gòu)抗拉承載能力的貢獻(xiàn)很小，所以再本模型中被忽略。然而，F(xiàn)RP與混凝土的界面粘結(jié)對(duì)加固效果是十分重要的。粘結(jié)劑的主要功能是在混凝土與FRP之間傳遞應(yīng)力。考慮到FRP主要承受拉應(yīng)力，而粘結(jié)劑主要承受剪應(yīng)力，脫粘發(fā)展與混凝土II型破壞模型相似，所以采用了一個(gè)線性軟化曲線模擬FRP與混凝土的界面粘結(jié)行為，如圖11（b）所示。 與鋼筋不同，F(xiàn)RP是各向異性，它不能承受抗壓和彎曲荷載，只能承受軸向拉伸荷載。單一FRP一般認(rèn)為線彈性直至斷裂，而HFRP承受荷載時(shí)的逐步

17、斷裂將產(chǎn)生不同的力學(xué)性能。由于高彈模纖維斷裂時(shí)不平穩(wěn)的應(yīng)力傳遞可能導(dǎo)致周圍未受損纖維的斷裂，所以估計(jì)高彈模纖維逐步斷裂時(shí)的應(yīng)力傳遞是非常重要的。如圖12（a）所示，用一條理想曲線估計(jì)高彈模纖維布C7逐步斷裂時(shí)C7布向C1布的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。考慮用C1布以獲得高強(qiáng)度的效果，所以假定C1布呈線性破壞，如圖12（b）所示。 理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，通過理論計(jì)算可預(yù)測：HFRP布逐步斷裂過程越平緩，混雜效果越好；提高混凝土強(qiáng)度和能量吸收能力，HFRP加固效果越顯著。5 結(jié)束語 HFRP能夠在保證承載力的前提下顯著提高延性和降低成本。CFRP、GFRP的徐變可以忽略，它們可以考慮為純彈性材料。AFRP徐變

18、較大，CFRP/AFRP混雜時(shí)AFRP較大的徐變可能導(dǎo)致CFRP應(yīng)力過大而發(fā)生破壞。HFRP能顯著提高混凝土梁、柱、梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力和延性，研究HFRP假延性材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的延性評(píng)價(jià)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。欲獲得高性能HFRP材料并用于工程實(shí)踐，應(yīng)該研發(fā)性能穩(wěn)定的特別是能適應(yīng)土木工程結(jié)構(gòu)要求的多種纖維混雜的高性能HFRP，研究混雜方式、比例等對(duì)其性能的影響，進(jìn)一步研究HFRP長期力學(xué)性能及其加固設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，建立HFRP的統(tǒng)一計(jì)算模型，加強(qiáng)對(duì)HFRP加固新方法及其與設(shè)計(jì)和施工有關(guān)的構(gòu)造措施及施工制作技術(shù)的研究。參考文獻(xiàn)【1】 Zhishen Wu, Hedong Niu. Recent

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