鋁合金板加固鋼筋混凝土梁的剝離破壞機(jī)理試驗(yàn)研究

楊立軍 鄧志恒 楊海峰

摘 要：剝離破壞是鋁合金板加固鋼筋混凝土（RC）梁常見的早期破壞形式，為了避免剝離破壞的出現(xiàn)，對鋁合金板加固RC梁的剝離破壞機(jī)理開展試驗(yàn)研究。制作了24根RC梁，利用結(jié)構(gòu)膠將鋁合金板粘貼在RC梁底部。為了研究附加錨固對剝離破壞的影響，部分試驗(yàn)梁在鋁合金板特定位置設(shè)置了化學(xué)螺栓或U形箍。通過鋁合金板加固RC梁的簡支梁三分點(diǎn)對稱單調(diào)加載試驗(yàn)，得到鋁合金板加固RC梁的4種破壞模式：適筋破壞、超筋破壞、板端剝離破壞和中部裂縫剝離破壞。剝離破壞的原因是界面剪應(yīng)力過大。利用鋁合金板應(yīng)變片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了鋁合金板的粘貼界面剪應(yīng)力分布曲線，分析了界面剪應(yīng)力分布規(guī)律：在板端取得最大值后迅速下降至零值，RC梁裂縫處界面剪應(yīng)力發(fā)生突變。板端剝離破壞發(fā)生的機(jī)理：鋁合金板端界面剪應(yīng)力達(dá)到鋁合金板與混凝土的粘貼強(qiáng)度后，界面剪應(yīng)力導(dǎo)致保護(hù)層內(nèi)混凝土剝離;中部裂縫剝離破壞發(fā)生的機(jī)理：界面剪應(yīng)力在混凝土齒狀塊體端部產(chǎn)生的正應(yīng)力大于混凝土受拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土齒狀塊體從梁體剝離。在此基礎(chǔ)上，得到了兩種剝離破壞的判別式，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了判別式的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：鋁合金板;加固;鋼筋混凝土梁;剝離破壞;破壞機(jī)理

中圖分類號： TU375.1;TU398 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）06-0095-08

Abstract： Debonding failure is a common early damage form of aluminum alloy plate strengthened RC beam. In order to avoid the occurrence of debonding failure， the experimental research on the mechanism of aluminum alloy plate strengthened RC beam debonding failure was conducted. 24 RC beams were fabricated， and the aluminum alloy plates were adhered to the bottom of the RC beams with structural adhesive. In order to study the effect of additional anchoring on debonding failure， part of the test beams is equipped with chemical bolts or U-shaped hoops at specific positions on the aluminum alloy plate. Through the three-point symmetrical monotonic loading test of simply supported beams with aluminum alloy plates strengthened RC beams， four failure modes of RC beams strengthened by aluminum alloy plates are obtained： suitable reinforcement failure， over-reinforced failure， debonding failure at end plate or at mid-span induced by crack. The debonding failure is mainly caused by the excessive interfacial shear stress. Therefore， the test data of the strain gauge of the aluminum alloy plate were used to obtain the interfacial stress distribution curves， and the principle of interface shear stress distribution is analyzed. After reaching the maximum value at plate end， the stress quickly falls to around null. The interfacial shear stress in the cracking section of RC beam has a sudden change. The mechanism of debonding failure was analyzed： the mechanism of debonding failure at plate end is that after the interfacial shear stress reaches the bonding strength of the aluminum alloy plate and concrete， the interfacial shear stress will peel off the concrete in the protective layer; The mechanism of mid-span crack induced debonding failure is that the interfacial shear stress peels off the concrete fragment blocks from the beam body after the normal stress generated at the end of the concrete block is greater than the concrete tensile strength. On this basis， the discriminant formulae of two kinds of debonding failure were obtained， and the accuracy of the discriminants was verified by combining the test data. Above work provides a theoretical basis for the engineering application of RC beams strengthened with aluminum alloy plates.

Keywords：aluminum alloy plate; strengthening; reinforced concrete beam; debonding failure; failure mechanism

由于環(huán)境侵蝕、使用功能改變、長期超荷使用、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高、超過服役年限以及施工或設(shè)計(jì)失誤等諸多原因，很多混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性要求，需要采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固處理。在混凝土構(gòu)件表面粘貼片材加固由于不顯著增大構(gòu)件截面，不改變結(jié)構(gòu)傳力途徑，施工方便，是目前應(yīng)用最廣泛的加固技術(shù)。鋼板和FRP作為常用的粘貼片材，得到了較多的研究[1-4]，但兩種材料有明顯的缺點(diǎn)：鋼板容易腐蝕，維護(hù)成本高;FRP為脆性材料，變形性能差。文獻(xiàn)[5]指出，在pH值為4～9的環(huán)境中，鋁合金是最耐腐蝕的材料。鋁合金材料以其比強(qiáng)高、耐腐蝕、變形性能好、強(qiáng)度和延性低溫不敏感等優(yōu)良力學(xué)性能，特別適合應(yīng)用于侵蝕、潮濕、低溫和高寒等極端環(huán)境，是一種很好的加固材料[6]。已有學(xué)者對鋁合金板加固鋼筋混凝土（RC）梁的粘結(jié)、抗彎和抗剪性能開展了試驗(yàn)、理論和有限元模擬研究[7-12]，驗(yàn)證了鋁合金板加固RC梁的可行性和優(yōu)越性。剝離破壞是由于粘貼片材連接失效發(fā)生的早期破壞，具有突然性和脆性，是加固設(shè)計(jì)要避免的破壞形式，目前關(guān)于粘貼片材加固RC梁剝離破壞的研究主要集中在FRP片材[13-16]，如文獻(xiàn)[13]基于部分黏結(jié)作用復(fù)合梁理論，對端部錨固CFRP加固RC梁IC剝離過程進(jìn)行了有限元模擬;文獻(xiàn)[14]考慮FRP的剝離破壞，利用纖維梁模型對FRP抗剪加固RC梁進(jìn)行了數(shù)值模擬;文獻(xiàn)[15]對CFRP加固RC梁進(jìn)行了兩點(diǎn)對稱簡支加載試驗(yàn)，研究了CFRP初始剝離時的應(yīng)變;文獻(xiàn)[16]提出了用于預(yù)測FRP加固RC梁剝離破壞的彎曲疲勞性能的模型。鋁合金板加固RC梁的剝離破壞鮮有報(bào)道。鋁合金板的力學(xué)性能和材料表面性能與FRP存在明顯差異，有必要對鋁合金板加固RC梁的剝離破壞開展專門研究。筆者通過24根鋁合金板加固RC梁的簡支梁三分點(diǎn)單調(diào)對稱加載試驗(yàn)，研究了鋁合金板加固RC梁剝離破壞機(jī)理，通過理論分析得到了剝離破壞的判別式，為鋁合金板應(yīng)用于RC梁加固工程提供了理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

RC梁全長3 000 mm，兩端支承在鉸支座上，鉸支座中心間距l(xiāng)=2 700 mm，RC梁寬b=200 mm，高h(yuǎn)=300 mm，在梁的三分點(diǎn)處對稱施加集中荷載，如圖1所示。純彎段EF箍筋配置8@180，彎剪段DE、FG箍筋8@100，架立筋通長設(shè)置，28?；炷梁涂v筋各分為兩種情況：C20和C35，212和412。

1.2 測點(diǎn)布置

在RC梁側(cè)面布置6個混凝土應(yīng)變片，試驗(yàn)梁三分點(diǎn)布置位移計(jì)，布置示意圖如圖1所示。在U形箍側(cè)面設(shè)置3個應(yīng)變片，如圖3所示;在鋁合金板外表面軸線上除板端外每隔50 mm布置應(yīng)變片，如圖4所示;在液壓千斤頂和反力板之間設(shè)置壓力式荷重傳感器，如圖5所示。所有信號由DH3821測試分析系統(tǒng)自動采集。

1.3 試驗(yàn)原材料

混凝土由南寧華潤西鄉(xiāng)塘混凝土有限公司生產(chǎn)，由28 d混凝土立方體同養(yǎng)試塊抗壓試驗(yàn)得到，C20立方體抗壓強(qiáng)度fcu=26.8 MPa;C35立方體抗壓強(qiáng)度fcu=41.3 MPa。

鋼筋采用柳州鋼鐵股份有限公司產(chǎn)品，由拉伸試驗(yàn)得到其力學(xué)性能，如表2所示。表中：fy（εy）和fu（εsu）分別為鋼筋屈服狀態(tài)和極限狀態(tài)的強(qiáng)度（應(yīng)變）;Es為彈性模量。

鋁合金材料從深圳鑫錦發(fā)銅鋁材料行購買， JN建筑結(jié)構(gòu)膠由湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)。鋁合金力學(xué)性能如表3所示，表中：Ea為彈性模量;f0.1（f0.2）為殘余應(yīng)變0.1%（0.2%）時的應(yīng)力;fau為與極限應(yīng)變εau對應(yīng)的極限強(qiáng)度;n為反映材料應(yīng)變硬化的參數(shù)。JN建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能如表4所示，表中：fpt、fpm和fpc分別為抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度;Ep為彈性模量;εpu為伸長率。

1.4 加載制度

試驗(yàn)梁加載裝置如圖5所示。工字鋼分配梁跨中放置液壓千斤頂，試驗(yàn)梁中部三分點(diǎn)設(shè)置分配梁的球形鉸支座，千斤頂通過反力系統(tǒng)以5 kN為一級施加集中荷載，每級荷載持荷5 min，直到試件破壞。

1.5 試驗(yàn)梁的破壞模式

如表1所示，試驗(yàn)梁的破壞模式存在4種類型：適筋破壞、超筋破壞、鋁合金板端剝離破壞、中部裂縫剝離破壞。試驗(yàn)梁的破壞模式如圖6所示。

適筋破壞、超筋破壞是正截面破壞，前者具有明顯征兆，延性破壞;后者是受拉縱筋和鋁合金板配置過多，導(dǎo)致混凝土抗壓能力不足，是脆性破壞。鋁合金板端剝離破壞和中部裂縫剝離破壞統(tǒng)稱為剝離破壞，為早期破壞，具有突然性，為脆性破壞。兩種剝離破壞都是由于界面剪應(yīng)力過大產(chǎn)生的。

1.6 試驗(yàn)梁的荷載撓度曲線

部分試驗(yàn)梁三分點(diǎn)荷載P跨中撓度f曲線如圖7所示。從圖中可以看出，發(fā)生剝離破壞時，試驗(yàn)梁承載能力和延性均有所降低，適筋破壞的試驗(yàn)梁具有很好承載能力和很好的延性。

根據(jù)式（3），圖8給出了部分試驗(yàn)梁在彎矩M=0.1Mu、0.3Mu……0.9Mu（Mu為試驗(yàn)梁極限彎矩）作用下的界面剪應(yīng)力分布試驗(yàn)曲線，圖中x為測點(diǎn)與板端距離，考慮對稱，只給出了0～1 m區(qū)間的界面剪應(yīng)力。從圖8可以看出：隨著荷載變大，板端界面剪應(yīng)力變大，界面剪應(yīng)力分布試驗(yàn)曲線形狀也發(fā)生變化。試驗(yàn)梁裂縫出現(xiàn)前（M=0.1Mu），界面剪應(yīng)力分布試驗(yàn)曲線是一條光滑曲線，界面剪應(yīng)力在板端取得最大值τmax后以雙曲線形式迅速下降，彎剪區(qū)界面剪應(yīng)力稍大于零，至純彎區(qū)減至零。裂縫出現(xiàn)后（M>0.1Mu），曲線出現(xiàn)波浪。M<0.7Mu時波浪只在純彎區(qū)出現(xiàn)，M>0.7Mu后，彎剪區(qū)也出現(xiàn)了波浪。

1.8 鋁合金板端界面剪應(yīng)力

界面剪應(yīng)力在板端取得最大值，表5給出了試驗(yàn)梁在三分點(diǎn)荷載P=20、35、50 kN作用下的鋁合金板端界面剪應(yīng)力試驗(yàn)值。

1）外荷載越大，板端界面剪應(yīng)力越大，二者近似成正比例關(guān)系。

2）相同外荷載作用下相同連接方式的鋁合金板加固RC梁，鋁合金板厚度越大，板端界面剪應(yīng)力越大。如試驗(yàn)梁S20（2）-2-A在P=20 kN時τ=0.59 MPa，S20（2）-4-A為0.78 MPa。由式（2）可以看出界面剪應(yīng)力與板厚及正應(yīng)力變化率的乘積成正比。

3）僅連接方式不同的試驗(yàn)梁，板端設(shè)置化學(xué)螺栓或U形箍時界面剪應(yīng)力變小。如P=50 kN時，S35（2）-4-B1和S35（2）-4-B2界面剪應(yīng)力分別為0.99、1.06 MPa，較之S35（2）-4-A的1.95 MPa小得多。試驗(yàn)測試的是鋁合金板結(jié)構(gòu)膠RC梁界面的界面剪應(yīng)力。當(dāng)設(shè)置U形箍時，鋁合金板通過U形箍將部分剪應(yīng)力傳給了RC梁;當(dāng)設(shè)置化學(xué)螺栓時，化學(xué)螺栓直接將剪力傳給RC梁，從而鋁合金板端界面剪應(yīng)力變小?？梢?，板端錨固有效分擔(dān)了部分界面剪應(yīng)力，加強(qiáng)了鋁合金板與RC梁的連接。

2 板端剝離破壞

試驗(yàn)中S20（2）-4-A、S20（2）-4-B1、S20（4）-4-A、S35（2）-4-A和S35（4）-4-A等5根鋁合金板加固RC梁發(fā)生了鋁合金板端剝離破壞。發(fā)生板端剝離破壞的機(jī)理是，鋁合金板端界面剪應(yīng)力τ0達(dá)到鋁合金板與混凝土的粘貼強(qiáng)度[τ]后，界面剪應(yīng)力τ0導(dǎo)致保護(hù)層內(nèi)混凝土剝離，即板端剝離破壞的判別式是τ0≤[τ]。

極限彎矩Mu作用下發(fā)生板端剝離破壞的試驗(yàn)梁板端界面剪應(yīng)力τ0和粘貼強(qiáng)度[τ]，如表6所示，表中δ=（τ0-[τ]）/[τ]，[τ]按文獻(xiàn)[7]公式計(jì)算。從表6可以看出，τ0和[τ]吻合較好，δ較小，最大值為8.66%。δ的平均值A(chǔ)ve（δ）=0.06，標(biāo)準(zhǔn)差Std（δ）=0.02。

板端錨固影響試驗(yàn)梁的破壞模式。如S20（2）-4- A發(fā)生板端剝離破壞，在板端設(shè)置U形箍后，S20（2）- 4-B2發(fā)生了適筋破壞，極限彎矩Mu變大的同時，板端剝離破壞被克服;S20（4）-4-A發(fā)生板端剝離破壞，S20（4）-4-B1和S20（4）-4-B2發(fā)生了中部裂縫剝離破壞，一方面，板端剝離破壞被克服，另一方面，其極限荷載相對S20（4）-4-A有較大的提高。圖9給出了試驗(yàn)梁鋁合金板端部U形箍應(yīng)力σa-試驗(yàn)梁三分點(diǎn)荷載P曲線，從圖9可以看出，隨著試驗(yàn)梁荷載P的增大，U形箍應(yīng)力σa也隨著變大，U形箍參與了粘貼界面受力。

S20（2）-4-B1是試驗(yàn)中唯一一根設(shè)置了板端附加錨固仍然發(fā)生板端剝離破壞的試驗(yàn)梁，如圖10所示。發(fā)生這種情況的原因是化學(xué)螺栓受到混凝土的握裹力不足以承擔(dān)鋁合金板的拔出力。增加化學(xué)螺栓數(shù)目，擴(kuò)大螺栓間距，條件許可情況下增加植入深度，可以有效避免這種破壞。

3 中部裂縫剝離破壞

S20（4）-4-B1、S20（4）-4-B2、S35（2）-6-B2、S35（4）-4-B1、S35（4）-4-B2和S35（4）-6-B2等6根鋁合金板加固RC梁發(fā)生了中部裂縫剝離破壞，剝離破壞發(fā)生于集中荷載附近斜裂縫相交的位置。這些試驗(yàn)梁破壞時箍筋正應(yīng)力沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度，說明不是由于斜截面抗剪能力不足造成的。發(fā)生中部裂縫剝離破壞的機(jī)理是：相繼出現(xiàn)的彎剪型斜裂縫將混凝土分割成齒狀塊體，猶如一固支于受拉縱筋的懸臂梁，懸臂梁跨度為縱向受拉鋼筋外表面到梁底的距離c，高度為裂縫間距l(xiāng)cr，如圖11所示。設(shè)界面剪應(yīng)力τ對懸臂梁根部產(chǎn)生的彎矩為M，其大小為當(dāng)界面剪應(yīng)力τ>[τ]中時發(fā)生中部裂縫剝離破壞。

c按試驗(yàn)梁制作尺寸選定，取28 mm，ft取材料性能試驗(yàn)結(jié)果，ft =2.12 MPa （C20），ft =2.69 MPa （C35），lcr取試驗(yàn)梁實(shí)測裂縫間距，根據(jù)式（7）即可得到中部裂縫剝離破壞強(qiáng)度[τ]中。表7給出了發(fā)生中部裂縫剝離破壞試驗(yàn)梁的強(qiáng)度[τ]中和極限狀態(tài)的裂縫位置界面剪應(yīng)力試驗(yàn)值τ，以及二者相對誤差ζ，ζ=（τ-[τ]中）/[τ]中。從表7可以看出，強(qiáng)度[τ]中與界面剪應(yīng)力試驗(yàn)值τ相近，相對誤差ζ介于-8.84～1.07之間。

中部三分點(diǎn)設(shè)置U形箍后，與中部裂縫剝離破壞的6根梁相對應(yīng)的S20（4）-4-C1、S20（4）-4-C2、S35（2）-6-C2、S35（4）-4-C1、S35（4）-4-C2和S35（4）-6-C2都克服了中部裂縫剝離破壞，可見設(shè)置U形箍后，U形箍與鋁合金板協(xié)同受力，有效地阻止了鋁合金板和混凝土梁的分離趨勢。圖12給出了試驗(yàn)梁鋁合金板中部U形箍應(yīng)力σa試驗(yàn)梁荷載P曲線，從曲線中可以看出，在裂縫出現(xiàn)以前，U形箍參與截面受剪，應(yīng)力σa隨剪力增大而線性增大，裂縫出現(xiàn)后，裂縫處界面剪應(yīng)力增大，鋁合金板界面剪應(yīng)力相應(yīng)變大，U形箍應(yīng)力σa試驗(yàn)梁三分點(diǎn)荷載P曲線斜率變小。

4 結(jié)論

1）鋁合金板加固RC梁的剝離破壞有板端剝離破壞和中部裂縫剝離破壞兩種破壞形式。

2）通過密布在鋁合金板表面的應(yīng)變片測得了界面剪應(yīng)力分布曲線，得到了界面剪應(yīng)力的分布規(guī)律：界面剪應(yīng)力在板端取得最大值后以雙曲線形式迅速下降，彎剪區(qū)界面剪應(yīng)力稍大于零，至純彎區(qū)減至零。裂縫處界面剪應(yīng)力發(fā)生突變。

3）板端剝離破壞發(fā)生的機(jī)理：鋁合金板端界面剪應(yīng)力達(dá)到鋁合金板與混凝土的粘貼強(qiáng)度后，界面剪應(yīng)力導(dǎo)致保護(hù)層內(nèi)混凝土剝離。中部裂縫剝離破壞發(fā)生的機(jī)理：界面剪應(yīng)力在混凝土齒狀塊體端部產(chǎn)生的正應(yīng)力大于混凝土受拉強(qiáng)度導(dǎo)致混凝土齒狀塊體從梁體剝離。

4）在板端或板中設(shè)置U形箍或化學(xué)螺栓錨固，可以增加連接承載力。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 章潤紅）