喷射玻璃纤维聚合物加固钢筋混凝土梁的挠度研究

2020-07-13翁维素马晨阳孙潇涵郭洪礼潘宏宾

河北建筑工程学院学报 2020年1期

刘宁翁维素马晨阳孙潇涵郭洪礼潘宏宾

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

钢筋混凝土结构在我国的建筑材料中占有很大的比重.但是钢筋混凝土结构又存在着一些因素致使结构会产生破坏，因此对于混凝土结构的加固的研究很有必要.相较于传统加固方法，喷射玻璃纤维聚合物具有高强轻质且抗疲劳等许多优点.[1]

分析国内外对纤维加固钢筋混凝土梁刚度的研究，发现，目前对于喷射短切玻璃纤维加固技术的研究大多是双剪实验下的界面粘结力研究[2]、构件节点抗震性能的研究[3]以及砌体构件的抗震性能[4]的研究.但是对于喷射GFRP聚合物加固钢筋混凝土梁跨中挠度的影响还没有研究.

本文针对喷射玻璃纤维聚合物加固钢筋混凝土适筋梁的跨中挠度进行了试验研究和理论研究.利用4根试验梁和9根理论梁推导出了喷射GFRP聚合物对钢筋混凝土梁跨中挠度影响的结论.得到了开裂前、开裂后，喷射GFRP聚合物对加固梁跨中挠度影响的具体结论.

1 试验分析

1.1 构件设计

试验进行了4根钢筋混凝土梁的抗弯实验.简支梁的尺寸为100 mm×200 mm×2200 mm,混凝土强度等级为C30(弹性模量Ec=3×104N/mm).喷射GFRP聚合物的厚度分别为3 mm、5 mm和7 mm，极限强度为150 MPa，弹性模量[5]为10 GPa，极限应变为5%;实测混凝土强度为14.4 MPa;钢筋的实测屈服强度分别为302 MPa.具体加固方式和加固厚度如下图.

图1-1 试验梁L1-0

图1-2 底面加固试验梁

表格1-1 各个试验梁加固方式和加固厚度

1.2 加载方式

试验通过手动式液压千斤顶为试验梁提供集中荷载，以分配梁传力的方式随梁进行三分点对称分级加载.通过分配梁的作用，在试验梁的中部形成一个长为一米的纯弯段，具体见下如图.

图1-3 加载简图

采用单调分级加载机制，每次加载的时间间隔为10分钟.在正式加载之间，对试验梁进行预加载，具体采用分级荷载的前两级进行预加载.当加载到开裂荷载计算值的90%之前，每级加载不大于开裂荷载的20%.达到90%之后每级荷载不大于开裂荷载的5%.在试件开裂后，每级取荷载值为承载力试验荷载计算值的10%.当荷载加载到受力纵筋屈服后，按照跨中位移控制加载，加载的级距为钢筋屈服工况对应的跨中位移.在玻璃纤维即将破坏之际，将仪表拆除，最后加载到破坏.

开裂荷载的实测值通过放大镜观测法进行确定，采用八倍的放大镜观察裂缝的出现.观察到裂缝出现时，选取前一级荷载作为开裂荷载的实测值.而在相应的荷载时间内出现裂缝，则取两级荷载的平均值作为开裂荷载的实测值.

特别注意的是，在分级加载中，每次加载后一定要静停到规定时间，使得数据稳定，试验梁变形趋于稳定后再开始记录相关数据[6].

1.3 试验结果分析

通过试验得到下面的数据并整理成相应的图表，具体如下：

表格1-2 试验记录的跨中荷载和挠度

在弹性阶段中，各试验梁的开裂荷载都集中在10 KN到12 KN之间.相应的挠度差别并不大，各梁挠度差值不超过0.5 mm.因此可知加固厚度和加固方式对简支梁的开裂荷载影响不大.

加载到25 KN时，加固厚度为7 mm的试验梁的跨中挠度仅为无加固梁跨中挠度的一半.加载到40 KN时，为比加固厚度3 mm的试验梁的挠度减少21%.加载到50 KN时，比加固厚度5 mm试验梁的跨中挠度减少13%.

图1-4 试验梁加固厚度对比图

综上所述，开裂前，加固厚度对试验梁跨中挠度的影响不大.开裂后，在同一荷载下，加固厚度越厚，试验梁的刚度越大，跨中挠度值越小.试验梁的承载能力随着加固厚度的增加也越来越大.

2 玻璃纤维对简支梁抗弯挠度影响的理论分析

为了更为深刻的说明加固厚度对加固梁挠度影响的试验结论，这里通过理论分析，将底面加固两端锚固这种加固方式下加固梁的跨中挠度计算出来，从而进一步加深了加固厚度对于简支梁抗弯挠度影响的研究.

本文通过对9根简支梁的理论分析，研究了开裂前以及裂缝工作阶段玻璃纤维对加固梁抗弯挠度的影响[7].钢筋混凝土简支梁的加固方式、梁长、截面形式、配筋率、混凝土标号等和试验梁一样，下面是各个简支梁的加固厚度:

表格2-1 加固厚度

2.1 公式推理

2.1.1 开裂前计算公式

表格2-2 各种规范经验公式

上表为几种规范中的经验公式，这里喷射GFRP复合材料加固梁的截面抗弯刚度可以通过材料力学进行计算，但是由于混凝土事实上在受拉区内已经表现出一定的塑性.所以在实测抗弯刚度时，加固梁的跨中抗弯刚度相对于EcI0实际上是要更低的.因此实际计算要对其抗弯刚度进行适当折减，通过文献研究取折减系数为0.85[8].最终得到喷射玻璃纤维复合材料加固钢筋混凝土梁在开裂前阶段的短期抗弯刚度表达公式为：

B=0.85EcI0

(2-1)

其中公式里的Ec为混凝土弹性模量，I0换算截面惯性矩.

2.1.2 裂缝工作阶段加固梁刚度计算

图2-1 加固梁跨中截面受力分析图

通过上图，由相应的受力以及应变关系可以计算得到下面的公式:

M=EsεsAsηh0+EsfεsfAsf(ηh0+as)

(2-2)

结合上式可以得到：

整理之后可以得到：

通过计算喷射玻璃纤维复合材料的等效钢筋面积可以更加方便的计算出加固梁的抗弯刚度.计算出公式(2-4)，使用公式(2-4)的结果导算出公式(2-5).通过公式(2-5)得到在喷射玻璃纤维复合材料的影响下钢筋的应力.在上述工作做完之后，便可以去探索计算喷射玻璃纤维复合物加固钢筋混凝土的梁的抗弯刚度.从而推导出加固梁跨中挠度的计算方法.

为了推导加固梁在有裂缝工作阶段挠度的计算方法.使用刚度解析方法[9].通过以上的分析以及文献的参考，可以得到加固梁的短期抗弯刚度.由于试验中使用的是矩形截面的钢筋混凝土梁，因此计算出矩形截面的加固梁在裂缝工作阶段下抗弯刚度的计算公式(2-6)-(2-8).最终经过整理可以得到相应的矩形截面加固梁的抗弯刚度计算公式：

通过公式(2-8)特别注意在计算ρte时要加入喷射玻璃纤维复合材料的换算面积.其中具体的参数参考文献[10]，定义如下：

Esf、Asf——喷射纤维截面面积与弹性模量

As、Es——钢筋面积与弹性模量

εsf、εs——喷射纤维与钢筋的拉应变

η——截面内力臂系数

as——纵向受拉钢筋合力点至截面受拉边的距离

K——截面受压区高度与截面有效高度的比值

A——喷射纤维换算的等效钢筋面

B——加固梁的短期抗弯刚度

φ——纵向钢筋应变不均匀系数

ρte——等效钢筋配筋率

2.2 数据分析

按照最小刚度原则取加固梁刚度为跨中截面刚度，由材料力学方法计算加固梁跨中挠度，公式如下：

其中公式中参数M为喷射玻璃纤维复合材料加固梁的跨中弯矩；参数βf为挠度系数，由于试验中采用的是三分点对称加载的简支梁受弯构件，因此选取βf为23/216[11]；参数l0为喷射GFRP复合材料加固梁的计算跨度.

利用上述公式得到相应简支梁的跨中挠度，具体如下：

表格2-3 理论推导计算的跨中荷载和挠度

图2-2 理论梁挠度荷载曲线对比

分析图表可以发现：(1)钢筋混凝土梁在开裂前阶段随加固厚度的加大，跨中挠度的变化值并不是很明显，这一现象和试验一致，印证了试验的相应结论.(2)钢筋混凝土梁在裂缝工作阶段，喷射玻璃纤维复合材料对于加固梁挠度的加固效果十分明显.加载到33 KN时，加固厚度7 mm仅为加固厚度1 mm简支梁跨中挠度的64%.加载到40 KN时，跨中挠度比3 mm加固厚度的梁少了27%.相较于其他各梁，跨中挠度都有不同程度的减少.(3)不过和8 mm、9 mm加固厚度的简支梁比较，跨中挠度值相差不大.