CFRP布加固凍融后素混凝土梁的抗彎性能

周 樂, 吳佳奇

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

社會發(fā)展遵循的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提高了新增建筑物的建設(shè)標準,現(xiàn)有建筑物的使用年限各不相同,部分建筑物在前期設(shè)計和施工過程中可能存在不合理問題及后期維護使用不當和自然因素作用的不利影響,導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)承載能力降低而提前進入衰退期.為使建筑物保持原有使用功能,采取在原有結(jié)構(gòu)上進行加固的方法既可以節(jié)省拆除重建的成本,又實施了節(jié)能環(huán)保的理念.此方法要求對需加固的建筑物進行可靠性鑒定,若鑒定結(jié)果不滿足要求則考慮在原有的結(jié)構(gòu)上進行加固[1].

纖維復(fù)合增強材料(FRP)在工程加固領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,將FRP材料與鋼筋的力學(xué)性能作比較,其強度是鋼筋的幾倍到十幾倍,當選用FRP材料對結(jié)構(gòu)進行加固時,加固構(gòu)件在破壞形態(tài)、極限承載力、可靠性等方面出現(xiàn)了新的值得探討的問題[2].中國的鋼結(jié)構(gòu)及混凝土規(guī)范與歐洲的相應(yīng)規(guī)范是同一種計算體系,在構(gòu)造方面的要求相似,而中國組合結(jié)構(gòu)規(guī)范的構(gòu)造要求與歐洲的規(guī)范卻不是同一種計算體系[3].因此,在進行理論計算時不能完全參考規(guī)范,需根據(jù)工程實際情況綜合考量建設(shè)經(jīng)驗和造價因素調(diào)整設(shè)計方案[4].

周樂等[5]探討了FRP材料在建筑物結(jié)構(gòu)加固中的運用,完善了構(gòu)件在承載方面的不足,結(jié)果表明FRP材料顯著提高了建筑構(gòu)件的承載能力,該結(jié)論可應(yīng)用于工程實踐.導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大部分破壞性損傷的環(huán)境因素離不開凍融循環(huán)[6].凍融作用是降低混凝土構(gòu)件承載力的原因之一,反復(fù)凍融作用會引起混凝土部件凍脹和面層掉渣,甚至粗骨料外露等不良現(xiàn)象,從而降低混凝土部件的承載力.混凝土構(gòu)件的抗凍性能與受凍齡期有關(guān),凍齡期越長,抗凍性越好,這是因為混凝土部件的凍齡越長越有助于試件中的水泥進行充分的水化作用,綜上分析,在氣候變化顯著的地區(qū),考慮凍融作用對混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響是非常有必要的[7].

1 國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究動態(tài)

混凝土材料因其取材方便、抗壓性能高、耐腐蝕性能好、可塑性強及施工方法多樣等優(yōu)點,在現(xiàn)實工程建設(shè)中被普遍使用,但由于其組成材料的多樣性及施工過程的多變性使得其存在一定的不足[8],對混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能和壽命都有一定的影響.從20世紀50年代至今,結(jié)構(gòu)加固成為快速成長的一門新領(lǐng)域,其中運用在混凝土結(jié)構(gòu)中的防震加固、危舊建筑物維護及施工過程中的緊急意外處置等許多現(xiàn)實案例功效顯著[9].混凝土結(jié)構(gòu)加固的主要方法有4種.

(1) 截面增大法.此方法是直接對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固,采取在混凝土受壓構(gòu)件周圍或受彎構(gòu)件受壓區(qū)澆筑混凝土或采用鋼筋混凝土材料進行加固的施工方法,達到增大建筑物構(gòu)件的截面積或受壓區(qū)高度的目的,但與此同時也限制了原建筑物凈空間的利用,施工完成后通過現(xiàn)加固部分與原待加固部分二者的聯(lián)合作用獲得增大原來混凝土構(gòu)件承載能力使其得到加固的理想結(jié)果[10].

(2) 粘鋼法.此方法是一種直接加固方法,采用專用膠將鋼板或其他型鋼粘貼在素混凝土構(gòu)件或鋼筋混凝土構(gòu)件的外面層.外粘貼鋼板法只適用在不小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[11]中最小縱筋配筋率規(guī)定值的建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件中[12].此方法較其他加固方法優(yōu)越,施工快速,加固之后幾乎不影響凈空間的使用,而且構(gòu)件的承載力提高明顯.

(3) 粘貼纖維增強復(fù)合材料法.FRP材料中GFRP、CFRP和AFRP應(yīng)用最為普遍,具有抗拉能力高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、與混凝土材料協(xié)同作用好等優(yōu)點,因此未來在建筑物結(jié)構(gòu)修補增強和加固之中得到更普遍的應(yīng)用.在具體施工操作時首先要處理建筑物構(gòu)件的外表面,之后粘貼纖維材料.此種方法操作簡便,但是在設(shè)計中需要考量建筑物的防火等級要求[13].

(4) 預(yù)應(yīng)力法.是一種當待加固建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件不易卸載時采用的非直接進行加固的方法.此方法集卸荷、調(diào)整混凝土構(gòu)件內(nèi)力和補強加固3種形式于一體.此種方法加固的構(gòu)件具有強度高、耐久性優(yōu)越、構(gòu)件截面尺寸較小等優(yōu)點.但對于施工技術(shù)方面要求較高,需要有專業(yè)設(shè)備、操作人員等,而且預(yù)應(yīng)力鋼筋進行張拉時要考慮張拉值的大小,張拉值與待加固建筑物的使用齡期、混凝土自身徐變及鋼筋生銹等方面因素有關(guān)[10].

2 試驗概況與因素分析

混凝土試件因存在微裂縫和孔隙,浸水吸收水分后會膨脹,在經(jīng)過凍融循環(huán)試驗機的凍融作用之后,試件自身微裂縫和孔隙浸入的水分會結(jié)成冰,造成混凝土試件上原有的裂縫和孔隙體積變大,隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的不斷增加,導(dǎo)致混凝土試件出現(xiàn)不同程度的損傷[14].本文采用CFRP布全包加固損傷混凝土試件后進行抗彎試驗,觀察試件的破壞形態(tài),分析承載力等參數(shù).通過理論推導(dǎo)分析,將經(jīng)過計算得到的理論值與試驗測得的實際值進行對比,驗證公式的合理性.

2.1 CFRP布的力學(xué)特性

本試驗中的CFRP布由遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院制造,基本的力學(xué)特性參數(shù)如表1所示,黏結(jié)劑采用建筑結(jié)構(gòu)用膠,由遼寧省建筑研究院制造,基本力學(xué)特性參數(shù)如表2所示.

表1 CFRP布力學(xué)特性參數(shù)表

表2 黏結(jié)劑力學(xué)特性參數(shù)表

2.2 粘貼方法

(1) 凍融后混凝土試件的表層處理.本文主要研究對象為經(jīng)過加固后的凍融損傷混凝土試件的抗彎承載力,因為試件在經(jīng)過凍融作用后,試件的表層會有不同程度的凍裂、蜂窩和剝落,所以在粘貼CFRP布之前需對試件的表面進行仔細處理,以保證試驗結(jié)果的可靠性.首先用角磨機處理混凝土試件表面的凹凸部分和倒角位置,直到露出新的混凝土平整表面,并用砂紙去除混凝土梁表面的油污和粉塵,使混凝土梁表面平整、清潔.最后用酒精擦拭表面,不再用手觸碰,方便后續(xù)CFRP布的粘貼.

(2) CFRP布的粘貼.首先需要調(diào)配黏合劑,根據(jù)JGN碳纖維黏合劑(A級)的用法說明,將甲、乙膠按質(zhì)量比為3∶1的比例配合,并用木棍攪勻,將碳纖維布提前進行清洗保持清潔并檢查CFRP布表面是否有缺失,在CFRP布完整的前提下對其進行測量,確定尺寸后裁剪.之后用小刷子將黏合劑均勻涂抹于混凝土試件梁上,將CFRP布放在指定的位置,用刮板或滾筒在CFRP布表面沿同一方向涂刮、滾壓以去除氣泡,不得來回刮,最后使CFRP布充分浸透黏合劑,膠層平均厚度2 mm,整體的貼補過程在1 h內(nèi)完成.

2.3 試件制作與分組

本試驗連續(xù)澆筑了15根混凝土梁,試驗分為4組,每組3個試件.為了減小試驗的誤差,試件成型脫模在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 d后,隨機選取3個試件進行抗壓強度測試,符合標準后開始凍融試驗,將凍融試驗之后受損傷的混凝土試件用CFRP布進行全包加固,作為試驗中的抗彎試件,其基本參數(shù)見表3.試件編號中字母W代表未采用CFRP布進行全包加固;L代表梁試件;數(shù)字代表凍融次數(shù).

表3 加固試件的基本參數(shù)

2.4 試驗方法

模型試驗采用速凍法,凍融次數(shù)分別定為0、50和200次.每次在快速凍融循環(huán)試驗機中凍融循環(huán)2～4 h, 之后進行CFRP布單層全包加固,將凍融后的加固混凝土小梁試件在300 kN的壓力機上進行抗彎試驗.試驗期間混凝土試件被壓斷、受拉區(qū)CFRP布被拉斷都看作混凝土抗彎試件達到承載能力極限狀態(tài),同時將反復(fù)凍融次數(shù)為0、50和200次的混凝土抗彎試件的抗彎承載力記錄下來.

本測試采用兩點對稱力加載方法,采取300 kN的壓力機施載至分配梁上分荷,具體操作是在混凝土小梁抗彎試件需要加載的位置安放直徑為30 mm的鋼軸,壓力機加載時,壓力機頂板施加的載荷傳遞到鋼軸上,由鋼軸將載荷傳遞到混凝土小梁抗彎試件,完成分荷,加載位置即鋼軸位置,距離支座90 mm,兩個對稱加載點即兩鋼軸的距離,為180 mm,具體加載方式見圖1.采用控制載荷加載法單調(diào)連續(xù)加載,具體加載位置見圖2,具體步驟如下.

圖1 壓力機加載圖Fig.1 Loading diagram of pressure machine

圖2 抗彎構(gòu)件示意圖(單位:mm)Fig.2 The schematic diagram of flexural member (unit: mm)

(1) 保證儀器處于正常工作的狀態(tài),將壓力機卸載至壓力為零,操作步驟按沈陽大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室壓力機的操作規(guī)程進行.

(2) 抗彎試驗施行逐級持續(xù)加載的方式,起初使壓力機的加載速度為50 N·s-1,在持續(xù)加載過程中要仔細觀察混凝土小梁抗彎試件的開裂變形和CFRP布的變化情況,當載荷達到估量極限載荷的80%時,加載速度變?yōu)?0 N·s-1,持續(xù)至試件出現(xiàn)破壞特征.

(3) 保留試驗過程中的數(shù)據(jù)和試驗照片.

2.5 試驗現(xiàn)象

凍融200次,但未經(jīng)過CFRP布加固的混凝土小梁試件突然斷裂破壞,破壞載荷僅為0.049 kN·m,表4記錄了加固凍融損傷混凝土小梁抗彎試件的試驗現(xiàn)象與破壞載荷.

表4 抗彎試驗的試驗結(jié)果和破壞情況

3 CFRP布全包加固凍融損傷混凝土試件抗彎承載力計算方法

3.1 基本假定

CFRP布全包加固的混凝土小梁試件正截面抗彎承載力按下列基本假設(shè)進行推導(dǎo):

(1) 適用于平截面假說;

(2) 試件達到極限承載力狀態(tài)時,混凝土部分開展裂縫較深,所以不考慮受損混凝土部分的抗拉強度;

(3) 由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[11]的原則定義混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;

(4) 由混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[15],CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系選取直線式;

(5) CFRP布與混凝土面層之間沒有黏結(jié)剝離現(xiàn)象發(fā)生.

3.2 CFRP布與混凝土的本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)文獻[15],CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系選取直線式,當εcf<εcfu時,

σcf=εcfEcf.

(1)

根據(jù)文獻[11],給出混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式,當εc≤ε0時,

(2)

當ε0≤εc≤εcu時,

式(1)～式(6)中:σcf為CFRP布的拉應(yīng)變?yōu)棣與f時的拉應(yīng)力;σc為混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時的混凝土壓應(yīng)力;fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值;ε0為混凝土壓應(yīng)力達到fc時的混凝土壓應(yīng)變,當計算的ε0值小于0.002時,取0.002;εcu為正截面的混凝土極限壓應(yīng)變,當處于非均勻受壓且按式(6)的計算值大于0.003 3時,取0.003 3,當處于軸心受壓時取ε0;fcu,k為混凝土的立方體抗壓強度;n為系數(shù),n≤2.

3.3 承載力計算

對于加固受損混凝土小梁試件而言,承載力是由CFRP布、結(jié)構(gòu)黏結(jié)劑和混凝土3部分協(xié)同工作的,當試件達到承載力極限狀態(tài)時,理想的破壞狀態(tài)是受拉區(qū)損傷,混凝土被壓碎,且CFRP布斷裂.

(1) CFRP布抗拉強度修正.由文獻[16]可知,CFRP布參加工作的程度會隨著粘貼層數(shù)的增加而降低,因為CFRP布層數(shù)增多后,各層CFRP布之間的協(xié)同承載能力會降低;另外,CFRP布只能有限地提高試件抗彎剛度,施加載荷后期CFRP布加入受力工作部分時,試件的撓度迅速增加,有可能導(dǎo)致CFRP布還未完全承載試件就已破壞;根據(jù)謝劍等[16]的研究,CFRP布在承載過程中會突然破壞.綜合以上原因,應(yīng)對應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固中的CFRP布進行強度上的折減修正,見式(7).

fcf=1 800εβγ.

(7)

式中:fcf為CFRP布抗拉強度設(shè)計值;ε為環(huán)境折減系數(shù), 對于處于室內(nèi)環(huán)境的CFRP布,ε取值為0.95[17];β為CFRP布層數(shù)折減系數(shù), 單層β取值為1;γ為CFRP布強度折減系數(shù), 取值為0.85.

(2) 凍融損傷混凝土受壓區(qū)高度的修正.試件在理想破壞狀態(tài)時,文獻[18]根據(jù)平截面假說下混凝土和CFRP布的應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)出折算后的受壓區(qū)高度,見式(8).

(8)

由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[11]規(guī)定,

x=β1x0.

(9)

式(8)、式(9)中:x為等效矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高度;x0為適用于平截面假說的中和軸高度;β1為系數(shù),混凝土強度等級不超過C50時取0.8,混凝土強度等級為C80時取0.74,混凝土強度等級介于C50與C80之間時按線性插值法取值;εcfu為CFRP布極限拉應(yīng)變.

由于選用的試件是在凍融循環(huán)試驗設(shè)備中經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)后,經(jīng)CFRP布單層全包加固后進行試驗,所以在計算抗彎承載力時要確定與未經(jīng)過凍融損傷試件壓力等效的矩形應(yīng)力圖.因為試件在加固以前已經(jīng)受零至多次不等的反復(fù)凍融作用,所以在計算受壓區(qū)混凝土的抗壓承載力時應(yīng)對受凍融損傷的混凝土小梁試件的受壓區(qū)高度進行修正.文獻[19]從應(yīng)力圖等效原理出發(fā),提出受壓區(qū)混凝土等效矩形應(yīng)力圖中的受壓區(qū)高度x在經(jīng)過N次凍融循環(huán)之后與中和軸高度x0的比例系數(shù)μn,取值見表5.

表5 受壓區(qū)高度修正系數(shù)

(10)

(3) CFRP布加固凍融損傷混凝土梁的極限抗彎承載力公式.首先需要考慮凍融損傷作用下混凝土界面與CFRP布的黏結(jié)力,Gangarao等[20]通過采用試驗的方法研究了纖維布外包加固混凝土梁在凍融循環(huán)作用下纖維布與混凝土試件二者接觸面的黏結(jié)強度,指出加固試件經(jīng)過凍融作用后二者的黏結(jié)強度降低了16%;任慧韜等[21]的試驗研究表明,凍融環(huán)境中的FRP-混凝土界面黏結(jié)力變化較大,所以在設(shè)計FRP布加固混凝土構(gòu)件的承載力時,需充分考慮凍融環(huán)境對降低加固構(gòu)件承載力的影響因素,其中主要原因是受凍后的混凝土強度縮減,自身內(nèi)部的微裂縫發(fā)展等.綜上所述,FRP-混凝土接觸面粘結(jié)作用主要考慮混凝土受凍后的強度修正.

參照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[11]中的正截面抗彎承載力的計算公式和計算圖,由文獻[22]得到經(jīng)過反復(fù)凍融作用之后修正的混凝土抗壓強度fdc與未經(jīng)凍融作用的混凝土抗壓強度的數(shù)值關(guān)系,見式(11).通過引用相關(guān)系數(shù)來修正混凝土經(jīng)過凍融損傷作用對承載力的影響,可以推導(dǎo)出CFRP布全包加固凍融損傷混凝土小梁試件的正截面抗彎承載力,見式(12),計算簡圖見圖3.

(11)

綜合以上分析,由∑Mcf側(cè)=0可得出CFRP布全包加固后凍融損傷混凝土小梁的極限抗彎承載力公式,

式中:α1為系數(shù),混凝土強度等級不超過C50時取1,混凝土強度等級為C80時取0.94,混凝土強度等級介于C50與C80之間時按線性插值法取值;fdc為混凝土經(jīng)過反復(fù)凍融作用之后修正的抗壓強度;fcf為CFRP布的抗拉強度;Acf為CFRP布的截面面積;b為混凝土小梁的寬度;hf為混凝土受壓區(qū)邊緣距底層CFRP布的高度.

圖3 計算簡圖Fig.3 Calculation diagram

由式(11)得到凍融0、50、200次的混凝土抗壓強度見表6.

由式(12)計算得出本文試驗中CFRP布單層全包加固混凝土小梁試件的極限彎矩值見表7,可見通過式(12)得出的計算值均小于試驗值,試驗值與式(12)的計算值誤差在10%以內(nèi),驗證了公式的合理性.

表6 混凝土抗壓強度修正表

表7 極限彎矩理論值與試驗值對比

4 結(jié) 論

(1) 對不同凍融循環(huán)次數(shù)的損傷混凝土小梁試件全包加固后進行抗彎試驗,觀察其破壞現(xiàn)象并分析可知:采用CFRP布加固對凍融損傷混凝土試件的抗彎承載力影響很大;選取CFRP布全包加固凍融損傷混凝土試件能有效提高其承載力;當凍融循環(huán)次數(shù)為200次時,加固試件較未加固的試件抗彎承載力提高了84.5%.

(2) 加固試件在不同次數(shù)凍融作用下存在臨界載荷值,在臨界值之前仍能適用于平截面假定,但隨著凍融次數(shù)的不斷增加,試件的極限承載力迅速降低,經(jīng)歷的凍融次數(shù)越多,試件越來越快地不符合平截面假定.

(3) 本文通過CFRP布加固凍融損傷混凝土小梁的抗彎模型試驗,得到了試件極限抗彎承載力的試驗數(shù)據(jù),考慮凍融循環(huán)作用的影響對混凝土受壓區(qū)高度提出修正,綜合分析推導(dǎo)出式(12),將式(12)得出的承載力計算值與試驗值進行對比,誤差控制在10%以下,驗證了公式的合理性.

(4) 本文的模型試驗變量比較少,后續(xù)應(yīng)該展開其他變量對凍融損傷混凝土梁試件抗彎效果影響的試驗研究,比如CFRP布的粘貼長度、粘貼層數(shù)、膠體厚度等.