FRP筋材嵌入式加固混凝土结构的抗剪承载力研究

郭卫彤 苏建遥 徐永峰

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

FRP筋材嵌入式加固混凝土结构的抗剪承载力研究

郭卫彤 苏建遥 徐永峰

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

在FRP筋材嵌入式加固混凝土结构的受弯承载力试验中，发现部分梁由于抗剪能力不足，在受弯未达到破坏时发生了抗剪承载力不足的破坏，基于此文对FRP筋材嵌入式加固混凝土抗剪承载力进行了进一步的试验研究，发现抗剪区域嵌入式布置FRP筋材能有效提高混凝土的抗剪承载力，加固区域破坏遵循混凝土抗剪破坏的规律，加固承载力受混凝土强度和加固体与混凝土界面的面积影响较大.

FRP；结构加固；抗剪承载力

0 引 言

纤维增强复合材料(FRP)以其高强、轻质、耐腐蚀、抗磁性、电绝缘性、良好的抗疲劳、等性质及施工方便等优点，使得FRP筋材正在被越来越多地应用到土木工程结构加固中[1-3].在FRP筋材嵌入式加固混凝土结构的受弯承载力试验中，结构承载力得到了较为明显的提高.在试验过程中发现部分梁由于抗剪能力不足，在受弯未达到破坏时发生了抗剪承载力不足的破坏，基于此本文对FRP筋材嵌入式加固混凝土抗剪承载力进行了进一步的试验研究.

1 试件设计

我们以抗弯试验试件为基础，对其进行改造，去掉抗剪区域的箍筋，只保留抗弯区域和支座附近的箍筋以削弱其抗剪能力，之后在抗剪区域外侧进行斜向FRP嵌入式加固，完成抗剪加固试件的设计工作.如图1、图2所示.混凝土为C20、∅7.4和∅11.5 FRP筋材，试件尺寸为长×宽×高为2200×150×200 mm，受拉区和受压区分别配置2∅12钢筋，受拉区按不同位置开槽配置两根FRP筋，开槽宽度分别根据不同FRP直径为10 mm和15 mm，具体开槽位置见各试件编号表1-1所示.

本次试验共计设计采用五根试验梁，其中KJL1为基础试件，用于对比，KJL2和KJL3相同，KJL4和KJL5相同，分别按照不同的开槽宽度嵌入直径为7.4 mm和11.5 mm的FRP筋材.

图1 试件配筋构造示意图

图2 试件斜向加固嵌入位置示意图

试件编号开槽宽度(mm)槽间净距(mm)FRP直径(mm)KJL1无无无KJL2101007.4KJL3101007.4KJL41510011.5KJL51510011.5

2 试验现象与分析

2.1 试验现象

KJL1试验现象：

首先对基础试件KJL1进行加载试验，并通过加载设备自动记录相对时间点的加载值.加载示意图如图3所示，试验数据如图4所示.

图3 加载示意图 图4 KJL1加载数据图

KJL1试验开始后，如图2-2所示，随着时间的推移，荷载逐渐增加，增加速率接近于线性.当荷载达到77.87 KN时，荷载突然出现断崖式下滑，此时混凝土梁抗剪区域发生开裂，之后荷载开始慢慢的降低，说明试件已经破坏.在整个加载过程中，破坏形式基本为脆性破坏.在试件梁的受剪区域出现明显的剪切裂缝.

KJL1最终破坏荷载为77.87 KN，相比于KWL3极限破坏荷载141 KN，由于抗剪区域箍筋的欠缺，导致其承载力接近腰斩.

KJL2试验现象：

对基础试件KJL2进行加载试验，并通过加载设备自动记录相对时间点的加载值.试验数据如图5所示.

试件KJL2在试验开始后，荷载增加较快，前期增加成线性增长.荷载增加到115 KN时，出现一个长期的平台，在115 KN左右小幅度振动，振幅约为5 KN,在这个过程中出现最大峰值为119.8 KN.随着时间的继续推进，在相对时间达到540时，荷载出现断崖式急速下跌，试件发生破坏.破坏极限荷载值119.8 KN，试件破坏为延性破坏.破坏过程中首先在受拉区域出现受弯裂缝，随着进一步加载，在抗剪加固区开始出现垂直于加载FRP筋材的裂缝.随着时间推移，斜裂缝逐渐贯通合并，部分抗剪加固筋材在胶体和混凝土界面出现拉裂，脱开，抗剪能力开始丧失，试件完全破坏.KJL2极限荷载为119.8 KN，相比于KJL1最终破坏荷载为77.87 KN增加明显，但是相比于KWL3极限破坏荷载141 KN，由于抗剪区域加固用FRP筋材较早的被拉拔脱开，加固后承载力提高虽然明显，但是仍然没有达到原梁141 KN的破坏荷载.

KJL3试验现象：

对基础试件KJL3进行加载试验，并通过加载设备自动记录相对时间点的加载值.试验数据如图6所示.

图5 KJL2加载数据图 图6 KJL3加载数据图

试件KJL3在试验开始后，荷载开始较快增长，前期增加成线性增长.荷载增加到115.9 KN时，开始下降.之后开始在85 KN左右以小振幅振动，在加载曲线上形成一个平台，试件梁进入延性阶段，直到最后破坏.破坏过程同KJL2类似，首先在受拉区域出现受弯裂缝，随着进一步加载，在抗剪加固区开始出现垂直于加载FRP筋材的裂缝.随着时间推移，斜裂缝逐渐贯通合并，部分抗剪加固筋材在胶体和混凝土界面出现拉裂，脱开，抗剪能力开始丧失，同时，在试件的上侧受压区发生了混凝土压碎现象，试件完全破坏.

KJL3极限荷载为115.9 KN，相比于KJL1最终破坏荷载为77.87 KN增加明显，接近于KJL2的119.8 KN，但是相比于KWL3极限破坏荷载，由于抗剪区域加固用FRP筋材较早的被拉拔脱开，加固后承载力提高虽然明显，但是仍然没有达到原梁破坏荷载.

KJL4试验现象：

对基础试件KJL4进行加载试验，并通过加载设备自动记录相对时间点的加载值.试验数据如图7所示.

图7 KJL4加载数据图

试件KJL4在试验开始后，荷载开始较快增长，前期增加成线性增长.荷载增加到140.59 KN时，开始下降.之后开始在80 KN左右以小振幅振动，在加载曲线上形成一个平台，试件梁进入延性阶段，直到最后破坏.破坏过程同KJL2和KJL3类似，首先在受拉区域出现受弯裂缝，随着进一步加载，在抗剪加固区开始出现垂直于加载FRP筋材的裂缝.随着时间推移，斜裂缝逐渐贯通合并，部分抗剪加固筋材在胶体和混凝土界面出现拉裂，脱开，抗剪能力开始丧失，同时，在试件的上侧受压区发生了混凝土压碎现象，试件完全破坏.

KJL4极限荷载为140.59 KN,相比于KJL1最终破坏荷载为77.87 KN增加明显，高于KJL2的119.8 KN和KJL3的115.9 KN，基本和KWL3相同.考虑原因是抗剪破坏多形式多发为抗剪FRP筋材胶体材料与混凝土界面发生剪切破坏，KJL4相比于KJL2和KJL3开槽宽度较大，故KJL4较之于KJL2和KJL3极限荷载也较大.

KJL5试验现象：

对基础试件KJL5进行加载试验，并通过加载设备自动记录相对时间点的加载值.试验数据如图8所示.

试件KJL5在试验开始后，荷载同样呈现出线性增长.在达到最大值136.61 KN后，荷载先是发生了陡降，之后开始缓慢下降.试验结束时，施加荷载下降到约70 KN，试件梁进入延性阶段，直到最后破坏.破坏过程首先在受拉区域出现受弯裂缝，随着进一步加载，在抗剪加固区开始出现垂直于加载FRP筋材的裂缝.随着时间推移，斜裂缝逐渐贯通合并，部分抗剪加固筋材在胶体和混凝土界面出现拉裂，脱开，抗剪区混凝土剪切开裂，抗剪能力开始丧失，试件完全破坏.

KJL5极限荷载为136.61 KN，相比于KJL1最终破坏荷载为77.87 KN增加明显，高于KJL2的119.8 KN和KJL3的115.9 KN，基本同KWL3和KJL4接近.考虑原因是抗剪破坏多形式多发为抗剪FRP筋材胶体材料与混凝土界面发生剪切破坏，KJL4和KJL5相比于KJL2和KJL3开槽宽度较大，故KJL4和KJL5较之于KJL2和KJL3极限荷载也较大.

2.2 试验结果分析

在抗剪加固试验中，各梁最终都发生了破坏，最终的破坏形式均为受剪破坏，并伴随有正弯矩受拉区拉裂破坏.受剪破坏KJL2-KJL5的破坏形式都伴随有混凝土的拉裂和压碎，同时FRP筋材与混凝土相接触的截面发生剪切破坏，FRP筋材与混凝土脱离.试件KJL2-KJL5相比于KJL1在承载力方面都有了明显的提高，各极限荷载整理如图9所示.

图8 KJL5加载数据图 图9 极限荷载对比图

根据上图可以发现，KJL2和KJL3，KJL4和KJL5的破坏荷载分别接近，且KJL4和KJL5接近于原抗弯梁KWL3.破坏形式多是由抗剪区域混凝土开裂开始，继而拉力开始有加固FRP筋材承担，最终FRP筋材拉拔同混凝土玻璃破坏，期间伴有混凝土的劈裂，压碎等现象.故加固效果受混凝土强度和接触截面的面积大小影响较大.KJL4和KJL5相比于KJL2和KJL3极限荷载增大，也说明了这一点.

3 结 论

(1)通过试验发现，在混凝土梁出现抗剪承载力不足时，在抗剪区域嵌入式布置FRP筋材能有效提高混凝土的抗剪承载力.

(2)加固区域破坏遵循混凝土抗剪破坏的规律，在混凝土开裂退出工作后，加固区FRP筋材很好的承担了抗剪区域的拉应力，最终破坏形式为FRP筋材在与混凝土相连的界面发生破坏.

(3)加固承载力受混凝土强度和加固体与混凝土界面的面积影响较大.

[1]叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006,(03):24～36

[2]孙秀红,徐向东,徐茂波.影响FRP基本力学性能的因素[J].山东建筑工程学院学报,2005,(02):18～23

[3]李荣,滕锦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域—嵌入式(NSM)加固法[J].工业建筑,2004,(04):5～10

Research on the Shear Capacity of Reinforced Concrete Beams with FRP

GUOWei-tong,SUJian-yao,XUYong-feng

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Heibei,075000,China)

During the flexural bearing capacity experiment of concrete structure with embedded FRP reinforcement material,part of the beam is damaged due to insufficient shear capacity without achiving its bending damage extreme.Based on a further experiment of shear capacity of concrete structure with embedded FRP reinforcement material,this article indicates that,to embed FRP reinforcement material in the shear area of the concrete can improve the concrete shear bearing capacity complying with the laws of concrete shear destruction,and that the concrete strength and the rate area of the reinforcement material have a great influence on the concrete reinforcement bearing capacity.

FRP；structure reinforcement；the shear capacity

2016-12-20

河北省交通运输厅科学技术项目(Y-2012051)

郭卫彤(1965-)，女，副教授.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.008

TU 4

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