FFRP加固鋼筋混凝土梁的受彎性能

許頎++黃靚

摘要：為研究亞麻纖維增強(qiáng)塑料（FFRP）加固鋼筋混凝土梁的受彎性能，在4種自然纖維布和3種厚度FFRP試件拉伸試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，以FFRP層數(shù)為參數(shù)對(duì)3根試驗(yàn)梁進(jìn)行了四點(diǎn)受彎加載試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、荷載撓度曲線和極限承載力進(jìn)行探討；依據(jù)FFRP加固鋼筋混凝土梁的最常見(jiàn)破壞模式，對(duì)相應(yīng)破壞模式下的抗彎承載力計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)。結(jié)果表明：300 g·m-2雨露麻亞麻布制作成的FFRP拉伸性能穩(wěn)定；FFRP加固梁的極限承載力和延性與普通鋼筋混凝土梁相比都有不同程度的提高；抗彎承載力公式計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好且偏于安全，可為該種加固梁的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：亞麻纖維增強(qiáng)塑料；加固；受彎性能；鋼筋混凝土梁

中圖分類號(hào)：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)塑料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)展了較為深入的研究，取得了很多成果[14]。然而傳統(tǒng)的人造纖維并不能在綠色可持續(xù)使用方面有很好的表現(xiàn)，為滿足環(huán)境保護(hù)需求，發(fā)展可再生材料，以植物纖維代替玻璃纖維等人造纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)物具有較好的前景。目前，植物纖維FRP的研究已經(jīng)越來(lái)越受到各國(guó)的重視，許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)研究[59]。

文獻(xiàn)[10]對(duì)亞麻纖維作為復(fù)合材料加強(qiáng)纖維的性能進(jìn)行了分析，提出通過(guò)合理的纖維選擇與加工處理，亞麻纖維在密度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)及彈性模量等方面具有復(fù)合材料應(yīng)用的潛力。文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了真空灌注成型法制作FFRP片材的斷裂性能研究，指出FFRP的斷裂性能是純環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合物的2倍～4倍，纖維布中纖維的方向以及纖維的體積分?jǐn)?shù)對(duì)斷裂性能有較大的影響。這些研究主要集中在材性方面，對(duì)于其工程應(yīng)用研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[12]首次提出將自然纖維增強(qiáng)塑料用于約束混凝土，并進(jìn)行了一系列FFRP約束混凝土的試驗(yàn)研究，提出了其抗壓性能、抗彎性能理論分析模型。

亞麻纖維是人類最早使用的自然纖維之一，是直接從人工培植或野生亞麻中提取的，具有可再生、可降解、自重小、價(jià)格低等特點(diǎn)，盡管在力學(xué)性能方面FFRP并不及碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）等優(yōu)越，但是通過(guò)增加加固體量的方式仍然可以達(dá)到一定的效果。在一些非重要的結(jié)構(gòu)或臨時(shí)結(jié)構(gòu)等特殊場(chǎng)合，這種再生、環(huán)保、廉價(jià)的材料具有替代CFRP和GFRP等的工程應(yīng)用前景。本文通過(guò)材性試驗(yàn)、破壞模式與承載力分析和受彎試驗(yàn)，為FFRP加固鋼筋混凝土梁的研究應(yīng)用提供參考。

1 自然纖維布及FFRP的拉伸性能試驗(yàn)1.1 試驗(yàn)材料

在進(jìn)行膠固化處理之前，對(duì)200 g·m-2半漂亞麻、300 g·m-2雨露亞麻、400 g·m-2雨露亞麻和黃麻4種自然纖維進(jìn)行純纖維布的拉伸性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇性能較好的纖維布進(jìn)行膠固化處理制成自然纖維增強(qiáng)塑料，再測(cè)定該種自然纖維增強(qiáng)塑料的拉伸性能。膠固化材料環(huán)氧樹(shù)脂為湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)的JNC3P改性環(huán)氧膠粘劑，其物理和力學(xué)性能見(jiàn)表1。

1.2 自然纖維布拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

分別制作200 g·m-2半漂亞麻布、300 g·m-2雨露亞麻布、400 g·m-2雨露亞麻布經(jīng)向試件2個(gè)、緯向試件2個(gè)；肉眼觀察黃麻布緯向纖維明顯稀疏，只制作黃麻布經(jīng)向試件2個(gè)。對(duì)以上試件逐個(gè)進(jìn)行拉伸測(cè)試，得到的材性應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

由圖1可以看出：同種纖維布在經(jīng)向與緯向上的拉伸性能明顯不同；雨露亞麻布試件沿經(jīng)向的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高，強(qiáng)度可達(dá)近40 MPa，但400 g·m-2雨露亞麻布試件沿經(jīng)向拉伸的伸長(zhǎng)率過(guò)高，能達(dá)到10%以上。由于編織特點(diǎn)，纖維束在剛開(kāi)始受拉時(shí)會(huì)有一個(gè)由彎到直的過(guò)程，因此開(kāi)始階段曲線相對(duì)平緩。綜合試驗(yàn)結(jié)果，選擇300 g·m-2雨露亞麻布（經(jīng)向）作為試驗(yàn)用布進(jìn)行膠固化處理，制作FFRP進(jìn)行材性分析。

1.3 FFRP拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

用濕粘法分別制作2層、4層和6層FFRP片材試件各5個(gè)。逐個(gè)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得到的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率如表2所示。FFRP片材單向拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。

由表2可知：2層、4層和6層FFRP的拉伸強(qiáng)度均值分別為98.8，94.2，84.4 MPa，隨著FFRP層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度有所下降；FFRP的初始彈性模量約為10 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率在1.8%左右。

FFRP加固鋼筋混凝土梁的破壞模式及承載力分析 用FRP進(jìn)行受彎加固的鋼筋混凝土梁破壞模式主要分為7個(gè)類型：①FRP拉斷引起的彎曲破壞；②混凝土壓碎引起的彎曲破壞；③剪切破壞；④混凝土保護(hù)層剝離破壞；⑤FRP端部界面剝離破壞；⑥中部彎曲裂縫引起的界面剝離破壞；⑦中部彎剪裂縫引起的界面剝離破壞。

如果FRP端部錨固可靠，加固梁達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)取決于FRP拉斷或受壓區(qū)混凝土壓碎[13]。FFRP拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)不如CFRP那么大，因此FFRP加固鋼筋混凝土梁最常見(jiàn)的破壞模式有2種：①在混凝土被壓壞之前受拉鋼筋先屈服，隨后FFRP被拉斷（破壞模式1）；②在梁底FFRP達(dá)到其極限拉應(yīng)變之前鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎（破壞模式2）。

2.1 破壞模式1

這種狀態(tài)下受壓區(qū)混凝土未破壞，F(xiàn)FRP卻已達(dá)到極限拉應(yīng)變，此時(shí)不能將受壓區(qū)混凝土直接按照等效應(yīng)力原則來(lái)計(jì)算，需要進(jìn)一步分析受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變分布。

該種破壞模式應(yīng)力應(yīng)變分布如圖3所示，其中，h為梁截面高度，h0為受拉鋼筋合力作用點(diǎn)至梁受壓邊緣的距離，as為受拉鋼筋作用點(diǎn)至受拉邊緣的距離，tff為FFRP的厚度，b為梁截面寬度，x0為平截面假定確定的受壓區(qū)高度，εcc為混凝土受壓區(qū)邊緣壓應(yīng)變，εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變（本文取為0.003 3），εs為受拉鋼筋的應(yīng)變，εy為受拉鋼筋的屈服應(yīng)變，εff為FFRP的應(yīng)變，εffu為FFRP的極限應(yīng)變，F(xiàn)c為梁受壓區(qū)混凝土的合力，F(xiàn)s為梁縱向受拉

鋼筋的合力，As為受拉鋼筋截面面積，fy為受拉鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，F(xiàn)ffu為纖維布的極限合力，Aff為FFRP截面面積， Affu為FFRP的極限拉應(yīng)力。截面上不同高度處應(yīng)變之間的關(guān)系為

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）同種纖維布在經(jīng)向和緯向上的拉伸性能明

顯不同；300 g·m-2雨露亞麻布試件與400 g·m-2雨露亞麻布試件沿經(jīng)向的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較高；400 g·m-2雨露亞麻布試件沿經(jīng)向拉伸的伸長(zhǎng)率過(guò)高，能達(dá)到10%以上，而300 g·m-2雨露亞麻布試件沿經(jīng)向拉伸的伸長(zhǎng)率適中。

（2）300 g·m-2雨露亞麻布（經(jīng)向）制作成的FFRP試件拉伸性能較為穩(wěn)定，隨著FFRP層數(shù)的增加，拉伸強(qiáng)度有所降低，初始彈性模量約為10 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率在1.8%左右。

（3）FFRP加固鋼筋混凝土梁的荷載撓度曲線在線性階段之后趨于平緩上升狀態(tài)，最后FFRP被拉斷，荷載下降到比普通鋼筋混凝土梁峰值荷載略低的位置。這表明FFRP加固對(duì)鋼筋混凝土梁的延性有較顯著的提高。

（4）與普通鋼筋混凝土梁相比，F(xiàn)FRP加固鋼筋混凝土梁的極限承載力都有不同程度的提高。加固4層FFRP的承載力提高了16.5%；加固6層FFRP的承載力提高了22.2%。

（5）對(duì)于FFRP加固鋼筋混凝土梁常見(jiàn)破壞模式的抗彎承載力計(jì)算公式，計(jì)算值與驗(yàn)證性試驗(yàn)值吻合良好且偏于安全。鑒于試件數(shù)量有限，將通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)，得到該種加固梁設(shè)計(jì)計(jì)算的更多依據(jù)。

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