L形FRP粘贴法加固混凝土框架梁负弯矩区试验研究

朱 虹 张 赟 周 臻 陈昊阳

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(2江苏省住房和城乡建设厅科技发展中心, 南京 210036)

钢筋混凝土结构是多高层工业和民用建筑最常见的结构类型．在服役期内,自身老化、外荷载增加或使用功能改变等原因导致了钢筋混凝土建筑结构大量的加固改造需求．其中,框架和框剪结构的框架梁或连梁的端部负弯矩区常出现受弯承载能力明显不足的情况,必须进行加固．对于采用现浇板的混凝土框架结构,由于有效翼缘范围内的板筋(钢筋或其他增强材料)参与梁受弯,因此对与中柱相连梁的端部负弯矩区进行加固时,一般可以充分利用现浇板成为梁有效翼缘参与整体受力的特点[1-2],在有效翼缘范围内进行加固[3];对于与边柱或角柱相连梁的端部负弯矩区,由于只有单侧存在楼板,很多加固方法受到限制,尤其是粘贴FRP加固方法;对于采用预制板的混凝土框架结构,则只能直接在梁柱宽度内进行加固,粘贴FRP将受到更大限制．

针对FRP无法直接在柱两侧梁的有效翼缘范围内进行粘贴的情况,国内外学者开发的便捷实用方法并不多见．Farahbod等[4]在梁柱转角处浇筑混凝土斜三角,而后粘贴FRP,并在2次转向处分别进行锚固,虽然达到了加固效果,但对转向处的处理方式在实际工程中并不实用．我国学者对此提出了一些新方法[5-7],但这些方法在不同程度上存在着加固后抗震性能不理想或者实际工程中操作较困难等问题．我国《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)[3]中建议的方法是,在梁正上方粘贴纤维复合材,然后用L形薄钢板锚固纤维复合材,再用U形钢箍板对L形钢板进行附加锚固．文中后续提到该方法时均简称为规范建议法．

本文提出了一种新的FRP加固法——L形FRP粘贴加固法，该方法中利用L形截面的热轧角钢实现了FRP在梁柱阴角处的转向锚固.通过6个足尺框架梁柱边节点试件的单向静力加载和低周反复加载试验,对比了利用L形FRP粘贴加固法及规范建议法加固后梁的破坏形态、受弯承载力、刚度、延性、耗能能力和FRP应变等指标．采用ABAQUS软件进行数值模拟分析,以验证规范建议法存在的不足以及本文方法的有效性．

1 锚固装置设计

FRP材料具有轻质高强、耐腐蚀等突出优点,但同时也存在横向抗剪强度低、加固混凝土梁后易产生剥离破坏等显著缺点[8-11]．在FRP片材粘贴加固钢筋混凝土结构技术中,如何控制FRP剥离是研究工作的长期热点．解决方法包括采用混杂纤维代替单种纤维[12]、改外贴式加固为嵌入式加固[13]、采取必要的锚固措施等．

规范建议法中的锚固方式如图1所示．然而,数值模拟分析结果显示,用于锚固的U形钢箍板无法无间隙地锚固至柱根部,且钢箍板会产生平面外弯曲,因此造成了加固效果的不稳定．梁正上方水平粘贴的纤维复合材在梁柱相交位置处终止,导致根部FRP因剥离而无法承担拉力．此外,规范建议法涉及粘贴纤维片材、粘贴L形钢板、粘贴U形钢箍板以及植入锚栓等多道施工工序,施工相对繁琐．

图1 规范建议的FRP加固梁端负弯矩实施法示意图

本文提出的粘贴L形FRP加固法,是将粘贴于梁表面的FRP在梁柱阴角处转向后延伸粘贴至柱上一定高度处,梁表面FRP和柱表面FRP在承受轴向力的同时,互相作为对方的锚固长度．但是,如果没有合适的锚固装置限制FRP从梁柱阴角处脱离的趋势,上述思想将无法实现．

由热轧角钢的外形特点可知,转折处内侧已热轧处理成弧形,而外侧仍为直角,因此整个角钢截面在转折处的厚度和刚度最大．在保证转折处刚度不低于其他位置截面刚度的前提下,将角钢的外侧直角切削形成圆滑表面．由于角钢的整体刚度大,故不需要设置箍条对其锚固,仅需采用化学锚栓(或植筋)或者对拉螺杆传递荷载和安装固定．锚固装置如图2所示．

1-锚栓;2-角钢;3-角钢倒角;4-基面倒角;5-锚栓/螺杆;6-黏结胶;7-FRP布

在基面打磨清洗等处理工作完成后,需要采用结构胶对图2中的基面进行倒角处理,其倒角弧度尽量与角钢转角处外侧倒角弧度一致,微小的差异可通过粘贴FRP和角钢时用黏结胶进行调节．

2 试验方案

共制作了6个尺寸及配筋相同的足尺构件,梁为T形截面,柱为矩形截面(见图3)．非加密区的箍筋间距为200mm．φ8mm,16mm和18mm钢筋的屈服强度平均值分别为325.0,437.5,425.0MPa．混凝土立方体抗压强度平均值为42.90MPa．

图3 试件尺寸和配筋及加载点位置图(单位:mm)

在柱端部铰支和梁悬臂端附近施加单向荷载或低周反复荷载．加固方式及加载方式见表1．将6个试件分为2组,每组均由1根未加固对比试件和2根加固试件构成,梁端负弯矩区受弯承载力加固分别采用规范建议法和本文提出的L形FRP粘贴加固法进行．一组开展静载试验,另一组开展低周反复加载试验．对比2种方法加固后的梁受弯承载力和刚度、梁端FRP应变变化、梁耗能能力等．

表1 试件编号、加固方法及加载方式

2种加固方法的具体做法见图4．所贴FRP均为2层宽130mm的CFRP布,型号为日本三菱人造丝公司的CFW300,单层计算厚度为0.167mm．经测试得到抗拉强度平均值为3781.0MPa,弹性模量平均值为274.1GPa,延伸率平均值为1.53%．锚固所用钢板、U形钢箍板、角钢、锚杆、螺杆见图4．加载点如图3所示,位移测点在同一位置．

图4 2种加固方法加固的试件

3 试验结果与分析

各试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、屈服位移、极限位移以及各荷载相较于对比试件的提高百分数见表2．以试件B1-J和B2-J为代表,试件梁根部CFRP应变随荷载的变化如图5所示;各静力加载试件的梁悬臂端荷载-位移曲线如图6所示;将低周反复加载试件滞回曲线的峰值点连线形成骨架曲线,结果见图7．滞回曲线是循环反复荷载作用下结构或试件的荷载-位移曲线,是结构抗震性能的综合体现．试件B0-D,B1-D,B2-D的梁悬臂端荷载-位移滞回曲线见图8．

3.1 规范建议法

由图5可知,静力荷载作用下,试件B1-J中,梁上距离梁柱转角最近的34号和36号截面处CFRP的应变增长很慢．当荷载达到120kN时,应变反而开始变小,即使当试件达到极限荷载时CFRP应变仍无明显增长,表明在承受最大弯矩的转角附近,CFRP发生了明显的剥离和滑移．

表2 试件试验结果

图5 J组试件梁根部CFRP片材应变

图6 J组试件梁悬臂端荷载-位移曲线

图7 D组试件梁悬臂端骨架曲线

由图6可知,静力荷载作用下,加载初期试件B1-J与B0-J的开裂荷载基本相同,且屈服前两者表现出基本相同的抗弯刚度,说明试件B1-J的加固措施在加载初期未发挥作用．但在图7所示的骨架曲线中,正向荷载作用下,试件B1-D的曲线斜率明显大于试件B0-D．2组试验中试件B1的刚度表现不相同,表明规范建议法的加固效果出现了差异,加固效果不太稳定．

图8 低周反复加载下梁悬臂端荷载-位移滞回曲线

对比图6和图7可以看出,虽然D组中利用规范建议法得到的加固试件的初期刚度相较于对比试件有所提高,但是当正反向荷载加至148kN左右时,试件B1-D梁顶及梁底部受拉钢筋均开始屈服,与试件B0-D的屈服荷载基本相同,表明在较大的反复荷载作用下,加固效果已基本丧失．其原因是：(1) 由于CFRP与混凝土的进一步剥离;(2) 由于U形钢箍板平面外弯曲的加剧．

在弹塑性阶段,试件B1-D的荷载-位移滞回曲线基本呈直线;随着荷载的增加,进入塑性变形阶段后,曲线虽然逐步趋于饱满,但曲线所包围的面积与试件B0-D相比,并没有增加很多．这说明由于加固材料与混凝土的过早剥离以及后期U形钢箍板产生的平面外弯曲,该加固方法对框架梁根部的抗震性能改善不大．

3.2 L形FRP粘贴加固法

由图5可知，试件B2-J中,对于距离梁柱转角最近的38号截面处的CFRP,在梁开裂后到裂缝基本出齐前,其应变增大较多且不断调整．当裂缝基本出齐后,CFRP应变增长速度开始明显加快,并超过钢筋的应变增长速度．当梁破坏时,转角处的CFRP应变达到了12.120×10-3,与基于平截面假定计算得到的理论应变值13.061×10-3差不多,表明CFRP在负弯矩最大的转角部位得到了有效锚固．

由图6和图7对比可知，无论是静力单向加载还是低周反复加载,在弹塑性阶段,试件B2-J和B2-D在正向加载下的刚度均较对比试件提高较多．这表明该方法中的角钢保证了CFRP在转角处的锚固,加强了梁柱的整体性能,加固效果稳定．

与对比试件相比,试件B2-J和B2-D的屈服荷载分别提高了17.12%和25.39%,实现了设计预期屈服荷载提高20%左右的加固目标．极限荷载的提高幅度十分接近,而且在极限荷载下,2个试件中角钢无任何松动迹象,完全限制了阴角处FRP片材从被加固体基面上法向剥离的位移趋势,从而保证了稳定可靠的加固效果．

由图8可知，当试件B2-D进入屈服阶段后,荷载-位移滞回曲线逐渐饱满,整体呈现平行四边形．相比于试件B0-D和B1-D,试件B2-D表现出更加优异的抗震耗能性能．

4 有限元模拟分析

4.1 平截面假定关系验证

采用ABAQUS软件对试验构件进行数值模拟．采用规范建议方法时,CFRP布上距梁根部不同距离处截面应变的模拟结果见图9．由图可知,CFRP布距梁根部d为5mm截面处的应变最小,且在前期增长缓慢,中后期则出现下降趋势．这表明在梁根部附近的CFRP片材发生了剥离和滑移,即计算公式中所依据的平截面假定实际并不成立．

图9 规范建议方法中的梁根部CFRP片材应变

4.2 钢箍板位置及平面外弯曲对锚固效果的影响

采用规范建议法时,梁柱节点处L形钢板和U形钢箍板的变形模拟结果见图10．由图可见,当钢箍板位置靠近梁根部时,L形钢板的变形和剥离明显减轻,但由于施工等原因,U形钢箍板无法无间隙地卡至柱根部．此外,即使在仅留有20mm间隙时,仍会因为钢箍板自身的平面外弯曲,导致L形钢板发生剥离;而且柱子越宽,钢箍板的平面外弯曲越明显．钢箍板距柱底的距离以及钢箍板的平面外弯曲程度的不同是造成加固效果不稳定的主要原因．图11显示,采用L形加固法时,角钢通过螺栓与梁柱根部几乎紧密贴合,对CFRP片材的锚固效果较好．

图10 规范建议法中箍板距柱底距离对锚固效果的影响

图11 L形加固法中角钢变形示意图

5 角钢和锚栓的受力模型及选取原则

梁柱转角处的混凝土基面、FRP、结构胶层、角钢相互黏结在一起,受力较为复杂．根据有限元模拟结果可知,经过角钢转向后,柱侧面角钢上端点处FRP内部应力已下降为梁侧角钢端点最大应力的1/5以下,且转角圆弧处应力下降最快,由此可知转角圆弧对FRP的锚固作用明显．如图12(a)所示,忽略胶层原有化学黏结力的有利作用后,角钢对FRP的锚固作用主要包括角钢对FRP的压应力q以及由此压力产生的静摩擦应力τ．由于τ的作用,B端FRP拉力Tb小于A端拉力Ta．F为四分之一圆弧上q的合力,它与水平方向的夹角θ大于45°．

图12 转角处纤维布和角钢的受力简图

为了简化计算,且是偏于安全的做法,角钢受力简图12(b)中也不考虑胶层对角钢原有的黏结力的有利作用．根据角钢与梁柱关系可知,为了平衡来自于FRP的反作用应力q和τ,角钢将受到混凝土柱对肢端的压应力R、柱上锚栓的拉力Tx以及梁上锚栓(或螺杆)的拉力Ty和剪力S．经计算,当柱上和梁上锚栓设置于角钢肢背中部以下和以左时,任何情况下Tx和Ty均小于T,因此可偏于安全地按等于T进行计算．例如,粘贴3层300mm宽的碳纤维布,布的计算厚度为0.167mm,抗拉强度设计值为1.6GPa;经计算,柱上采用3根直径为22mm的锚栓,梁上采用1根直径为22mm的锚栓和2根同直径的螺杆．碳纤维布分2条粘贴,位于3根锚栓之间．螺杆下端采用螺帽拧紧于楼板底面．

根据有限元计算结果可知,角钢中应力较小,因此主要根据构造要求确定角钢型号．《混凝土结构加固设计规范》[3]和《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[14]均规定,当碳纤维布沿其纤维方向需绕构件转角处粘贴时,构件转角处外表面的曲率半径不应小于20mm．因此,选用内圆弧半径大于10mm且壁厚大于10mm的角钢,即可满足倒角处理后角钢的外圆弧半径达20mm以上,同时转角处截面刚度不低于其他截面．在此前提下,选择肢长最短的角钢．角钢用量很小且价格低廉,因此可偏于安全地选择．

6 应用实例

L形FRP粘贴加固法已在苏州某健身中心改造工程以及浙江地区多个工程中得到应用．苏州某健身中心为框架结构,该改造工程中采用了多种加固方法,包括体外预应力加固法、外包钢加固法、粘贴碳纤维布加固法等,大部分梁端负弯矩区抗弯承载力不足处的加固采用了连续多跨体外预应力筋加固和粘贴碳纤维布加固法相结合的方法．但是,由于若干位置处的梁为楼梯间梁、边框架梁和与角柱相交梁,且相交柱的横截面较大,加固方法受到较大限制．因此,采用本文提出的L形FRP加固法进行了加固(见图13),取得了良好的效果．

图13 本文加固法的应用示例

7 结论

1) 角钢锚固装置完全限制了阴角处FRP片材从被加固体基面上法向剥离的位移趋势,且安装工艺简单,避免了规范建议方法中U形钢箍板不能无间隙地锚固至梁柱根部以及钢箍板自身平面外弯曲程度大小不同而造成加固效果不稳定的问题,从而保证了加固效果．

2) 利用L形FRP加固法加固梁端负弯矩区时,转角处FRP的拉应变实测值与基于平截面假定计算得到的理论应变值相吻合,表明可以采用平截面假定来计算加固后截面的受弯承载力．

3) 在相同静力加固效果的前提下, L形FRP粘贴加固法较规范建议法具有更加优异的抗震性能和更稳定的受力性能．

4) 锚固装置中的角钢和锚栓依据本文给出的选取原则进行选用．角钢的选用和外侧倒角处理需满足构造要求．锚栓和螺杆的面积经计算得出．

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