表層嵌貼碳纖維筋加固法的試驗(yàn)研究

表層嵌貼碳纖維筋加固法的試驗(yàn)研究

纖維增強(qiáng)纖維材料（frp）是一種新型的高級(jí)材料（圖1）。它具有輕重環(huán)境、高耐腐蝕和耐勞性等優(yōu)點(diǎn)。在過去的10年里，它被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土橋梁和建筑結(jié)構(gòu)的加固和設(shè)計(jì)。目前,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固常用方法是FRP表面粘貼加固法,即通過樹脂類粘結(jié)劑在需加固部位表面粘貼FRP布材或FRP板材,以提高或改善受力性能。近年來,工程實(shí)踐表明,該方法存在下列不足:1)FRP材料粘貼在構(gòu)件表面容易受到惡劣環(huán)境(高溫、高濕及腐蝕環(huán)境)不利影響;2)易遭受磨損和撞擊等意外荷載作用;3)不防火且不易與相鄰構(gòu)件錨固;4)容易發(fā)生FRP材料與混凝土表面的剝離破壞等。表層嵌貼FRP加固(near-surfacemounted,簡稱NSM)法是在原有FRP表層粘貼法基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新,其原理是在鋼筋混凝土構(gòu)件表面開槽,將FRP筋材或FRP板材嵌入槽中,利用粘結(jié)劑使其與構(gòu)件結(jié)合緊密(圖2),達(dá)到加固和補(bǔ)強(qiáng)目的。表層嵌貼FRP加固法與FRP表面粘貼法相比,具有以下主要優(yōu)點(diǎn):1)FRP嵌貼在混凝土保護(hù)層中,可避免磨損和撞擊等意外荷載作用,特別適用于橋面板和連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)加固;2)FRP與混凝土粘結(jié)表面積增加,提高了FRP加固效果;3)采用專用設(shè)備對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行開槽,減少混凝土構(gòu)件表面處理工作量,增加工作效率,且便于與相鄰構(gòu)件錨固;4)可利用水泥基粘結(jié)劑取代環(huán)氧樹脂,能應(yīng)用于高溫、高濕加固工程中。表層嵌貼加固法的思想最早起源于1947年鋼筋表層嵌貼加固方法,但表層嵌貼FRP加固技術(shù)的工程應(yīng)用開始于20世紀(jì)末。1997年,美國俄克拉荷馬市的Myriad會(huì)議中心采用表層嵌貼FRP筋對(duì)混凝土托梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng);1998年,美國波士頓地區(qū)的六個(gè)筒倉采用了表層嵌貼FRP筋加固方案;美國加利福尼亞州Hueneme港海軍工程服務(wù)中心在所開展的一項(xiàng)碼頭修復(fù)計(jì)劃中,對(duì)其中兩個(gè)項(xiàng)目采用了表層嵌貼FRP筋加固技術(shù),分別對(duì)鋼筋混凝土甲板負(fù)彎矩區(qū)和正彎矩區(qū)進(jìn)行加固;1999年,德國南部Tobel橋上的一個(gè)先張預(yù)應(yīng)力T形鋼筋混凝土梁在一次交通事故中被卡車撞壞,也是采用表層嵌貼FRP板條進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,圖3為表層嵌貼FRP法的典型工程實(shí)例。表層嵌貼FRP加固法在以下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中可以得到廣泛應(yīng)用:1)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的耐久性加固和補(bǔ)強(qiáng)加固;2)鋼筋混凝土橋梁及橋面板的維修加固;3)鋼筋混凝土筒倉、海港工程及隧道工程等結(jié)構(gòu)的耐久性加固、補(bǔ)強(qiáng)加固及維修改造。表層嵌貼FRP加固法還可以在石砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑橋梁的加固改造工程中得到應(yīng)用。因此,開展表層嵌貼FRP加固法的研究可在大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)的維修加固中得到應(yīng)用。表層嵌貼FRP加固法是近年來新的研究熱點(diǎn),但是目前國內(nèi)外對(duì)表層嵌貼FRP加固技術(shù)研究剛剛開始,關(guān)于嵌入法加固研究的文獻(xiàn)資料非常有限,且至今未有相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則頒布。國外在表層嵌入FRP與混凝土間粘結(jié)機(jī)理[4―5]、表層嵌入FRP對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎加固及抗剪加固均開展了一些研究[7―11],取得一些試驗(yàn)研究成果,但也尚未形成成套的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)范。而國內(nèi)有關(guān)表層嵌貼FRP加固技術(shù)的研究比較少,目前主要有藤錦光、岳清瑞和姚諫等開展了相關(guān)試驗(yàn)研究[1―3],其中姚諫教授對(duì)表層嵌貼FRP板加固混凝土梁受力性能研究較全面?？傮w而言,FRP嵌貼加固技術(shù)是國內(nèi)土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域值得進(jìn)一步深入研究的新課題,開展相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究具有較重要的工程實(shí)踐意義。為對(duì)FRP表層嵌貼加固技術(shù)的加固效果及設(shè)計(jì)方法開展研究,本文首先研究了CFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能,并同時(shí)對(duì)粘結(jié)劑的性能進(jìn)行了比較分析,隨后完成了一批采用表層嵌貼CFRP筋加固的鋼筋混凝土懸臂梁進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究,試驗(yàn)表明,采用表層嵌貼CFRP筋加固效果良好。1有機(jī)筋表面的嵌入測試1.1灌漿料4種粘結(jié)劑的粘結(jié)性能為選擇合適的粘結(jié)劑,首先進(jìn)行了一批碳纖維筋拉拔試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)康闹荚诒容^環(huán)氧樹脂膠、環(huán)氧樹脂砂漿、水泥基復(fù)合灌漿料及環(huán)氧樹脂基復(fù)合灌漿料4種粘結(jié)劑的粘結(jié)性能。共設(shè)計(jì)了4組共12個(gè)拉拔試件,拉拔試件采用在150mm×150mm×150mm混凝土立方體試塊表面開設(shè)20mm×20mm方形淺槽并埋入碳纖維筋制作而成,試件具體參數(shù)詳見表1。碳纖維筋選用HughesBrothers公司生產(chǎn)的Aslan200rebars,表面采用噴砂處理,碳纖維筋極限抗拉強(qiáng)度為2068MPa,彈性模量為1.24×105MPa。1.2試驗(yàn)構(gòu)件與試塊的制作試驗(yàn)加載采用自行設(shè)計(jì)的加載裝置(圖4),本試驗(yàn)采用豎向加載,碳纖維筋在端部加設(shè)加工設(shè)計(jì)的環(huán)氧樹脂套筒,并通過試驗(yàn)機(jī)夾具固定與試驗(yàn)機(jī)上,試件混凝土采用手動(dòng)千斤頂頂緊固定。在試驗(yàn)過程中,對(duì)端部碳纖維筋與混凝土試塊之間的滑移進(jìn)行測量,并于荷載采集數(shù)據(jù)同時(shí)輸出得到端部的荷載-滑移曲線,以確定各試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度。在每個(gè)拉拔試件的碳纖維筋上均貼有應(yīng)變片,以測量碳纖維筋的應(yīng)變發(fā)展及最大應(yīng)變值。1.3拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象試驗(yàn)中按每級(jí)荷載為2kN以觀察試件裂縫、碳纖維筋與混凝土端部滑移現(xiàn)象。試驗(yàn)加載初期,試件無明顯現(xiàn)象;到一定階段(約70%Pu―80%Pu)時(shí),局部出現(xiàn)斷續(xù)的噼啪開裂聲音,滑移傳感器開始測量到試件端部出現(xiàn)滑移,并隨著荷載逐漸增加,噼啪聲更加明顯;約在90%Pu時(shí),在碳纖維筋兩側(cè)面出現(xiàn)微小縱向裂縫,端部滑移明顯增加,可以觀察到碳纖維筋明顯拔出;達(dá)到極限荷載Pu時(shí),大部分試件出現(xiàn)突然斷裂的聲音,荷載突然下降,端部滑移發(fā)展較快?？傮w而言,拉拔試件均未出現(xiàn)碳纖維筋拉斷現(xiàn)象,主要破壞形態(tài)可以大致分為以下3類:1)碳纖維筋表面噴砂層斷裂,碳纖維筋拔出,嵌貼槽周圍未出現(xiàn)明顯裂縫;2)碳纖維筋噴砂層出現(xiàn)斷裂,槽周圍混凝土出現(xiàn)鋸齒狀小裂縫;3)碳纖維筋表面噴砂層完好,槽周圍混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重開裂。圖5為試件典型破壞照片。1.4荷載-端部滑移試驗(yàn)曲線試驗(yàn)中對(duì)各拉拔試件荷載-端部滑移曲線進(jìn)行了測量記錄,圖6為試件A1―試件A3和試件B1―試件B3的荷載-端部滑移試驗(yàn)曲線,各試件最大極限荷載及平均粘結(jié)強(qiáng)度列于表1中。從表1可以看出,采用環(huán)氧樹脂膠和環(huán)氧樹脂砂漿粘結(jié)劑的平均粘結(jié)強(qiáng)度(11.80MPa)高于采用復(fù)合灌漿料和復(fù)合灌漿料加環(huán)氧樹脂膠的平均粘結(jié)強(qiáng)度(10.30MPa)約15%。2用碳纖維表面填充加固懸臂梁試驗(yàn)2.1混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)鋼筋混凝土框架梁端或者連續(xù)梁支座處的負(fù)彎矩區(qū)一般處于鋼筋混凝土樓面板上,采用碳纖維筋表層嵌貼法加固施工方便,同時(shí),碳纖維筋表層嵌貼法用于加固挑梁也比較方便。因此,本文進(jìn)行了一批碳纖維筋表層嵌貼加固鋼筋混凝土懸臂梁的試驗(yàn)研究。鋼筋混凝土懸臂梁試件的截面尺寸與配筋情況詳見圖7?？偣苍囼?yàn)了11個(gè)懸臂梁試件,其中3個(gè)為未加固試件作為對(duì)比試件,2個(gè)二次受力試件(加載到開裂然后加固再加載到破壞,考慮加固的二次受力行為),6個(gè)加固后加載破壞試件,試件具體參數(shù)詳見表2。加固試件均采用表面噴砂處理碳纖維筋嵌貼加固,開槽尺寸均為20mm×20mm方槽(見圖8),采用手磨機(jī)開槽,混凝土強(qiáng)度為C20。懸臂梁受拉區(qū)φ8鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為350MPa。對(duì)懸臂梁試件抗剪承載能力驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)加固后的梁會(huì)發(fā)生剪切破壞,因此,在采用碳纖維筋表層嵌貼加固提高受彎承載能力前,先采用粘貼鋼板箍方法對(duì)懸臂梁進(jìn)行了抗剪加固,加固方法為采用5mm×40mm鋼板焊接成鋼板箍,然后用環(huán)氧樹脂砂漿粘貼于懸臂梁表面,形成鋼板箍,加固后懸臂梁照片見圖9。2.2次加載裝置懸臂梁試件加載裝置如圖10所示。圖10(a)為試件一次直接加載到破壞的加載示意圖,圖10(b)為考慮加固梁二次受力行為的加載裝置圖。二次加載是采用掛重加載到懸臂梁出現(xiàn)彎曲裂縫(約占30%為加固試件極限荷載),并保持掛重,再將碳纖維筋用粘結(jié)劑嵌入懸臂梁槽中,待粘結(jié)劑達(dá)到強(qiáng)度(1周)后再用500kN作動(dòng)器加載到試件破壞為止,試驗(yàn)加載采用手動(dòng)控制緩慢加載(每0.1kN一級(jí)加載)。在試驗(yàn)過程中,采用位移計(jì)測量加載點(diǎn)和支座位置位移,在碳纖維筋上粘貼應(yīng)變片測量碳纖維筋應(yīng)變發(fā)展。2.3懸臂梁破壞形態(tài)對(duì)比試件破壞為典型的懸臂梁彎曲破壞(圖11)。圖12為加固懸臂梁典型破壞照片,懸臂梁試件破壞特征主要為:首先在懸臂梁支座附近出現(xiàn)多條豎向彎曲裂縫,裂縫發(fā)展比較迅速,隨著荷載增加,在加載支座到懸臂端逐漸出現(xiàn)新彎曲裂縫,裂縫向梁底部迅速發(fā)展。根據(jù)最終破壞原因,懸臂梁試件最后破壞形態(tài)可以分為以下3類:1)懸臂梁支座向自由端區(qū)段未進(jìn)行抗剪加固區(qū)段發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致試件破壞,如圖12(a);2)懸臂梁支座附近發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致懸臂梁破壞,如圖12(b);3)懸臂梁支座處受拉區(qū)混凝土開裂嚴(yán)重,碳纖維筋發(fā)生折斷導(dǎo)致懸臂梁破壞,如圖12(c)。從試件破壞現(xiàn)象及破壞特征可以看出,碳纖維筋嵌貼加固懸臂梁抗彎強(qiáng)度提高很大,雖然部分試件最終破壞是抗剪破壞所致,但是碳纖維筋已經(jīng)發(fā)揮到了很大作用,加固后懸臂梁試件已接近于受彎破壞。2.4次加載試驗(yàn)圖13為各懸臂梁試件加載點(diǎn)荷載-撓度試驗(yàn)曲線,其中試件2G-9和2H-S-9為二次受力后加載曲線,未考慮初始加載大小。各懸臂梁試件的極限荷載列于表2中。從圖13和表2可以看出,碳纖維筋表層嵌貼法可以有效提高試件的受彎承載能力,主要表現(xiàn)為:1)未加固試件(對(duì)比試件)的平均極限荷載為8.57kN,采用灌漿料粘結(jié)劑加固的一次加載破壞試件的極限荷載分別為18.7kN(6mm碳纖維筋和18.2kN(9mm碳纖維筋),采用環(huán)氧砂漿粘結(jié)劑加固的一次加載破壞試件的極限荷載分別為22.0kN、22.1kN(6mm碳纖維筋)和20.8kN(9mm碳纖維筋),可見加固效果比較明顯;2)采用9mm直徑碳纖維筋加固懸臂梁試件的極限荷載均略小于6mm直徑碳纖維筋加固試件,原因可能是本次試驗(yàn)所有試件槽深及槽寬均相等,因此9mm直徑碳纖維筋相對(duì)槽尺寸而言較大,因此其粘結(jié)效果差于6mm直徑碳纖維筋,因而較早發(fā)生粘結(jié)破壞,而6mm直徑碳纖維筋由于槽深及槽寬相對(duì)碳纖維筋直徑而言加大,粘結(jié)效果更加明顯,所以碳纖維筋發(fā)揮效果更大。因此,關(guān)于開槽尺寸與碳纖維筋直徑比對(duì)加固效果的影響很有必要深入研究,同時(shí)在實(shí)際工程加固設(shè)計(jì)中,應(yīng)該選用小直徑碳纖維筋或者加大槽道尺寸;3)從二次受力加載試件試驗(yàn)結(jié)果來看,加固后受彎承載能力提高水平低于一次加載試驗(yàn)結(jié)果,主要是因?yàn)殇摻詈突炷烈呀?jīng)達(dá)到一定應(yīng)力水平,所以在實(shí)際工程中,應(yīng)優(yōu)先考慮將加固構(gòu)件卸載,然后再根據(jù)二次受力計(jì)算加固后承載能力。3碳纖維筋、混凝土梁、預(yù)應(yīng)力錨索之間的粘結(jié)本文完成了一批碳纖維筋拉拔試驗(yàn)和碳纖維筋表層嵌貼法加固鋼筋混凝土懸臂梁試驗(yàn),得到以下結(jié)論:(1)通過拉