AFRP布加固预损RC梁抗剪性能试验研究*

2021-03-12邢丽丽孔祥清何文昌刘华新

建筑结构 2021年4期

邢丽丽，孔祥清，韩飞，何文昌，刘华新

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，锦州 121001)

0 引言

随着经济建设的不断加快，钢筋混凝土结构被广泛应用于各种建筑工程领域，但由于钢筋锈蚀、使用年限临近等问题导致结构使用功能发生改变，造成钢筋混凝土结构无法满足正常使用要求，故需要对结构采取加固和修复措施[1]。混凝土受弯构件的破坏模式主要分为受弯破坏和剪切破坏两种，其中受弯破坏属于延性破坏，试件破坏前具有明显的征兆；而剪切破坏属于脆性破坏，破坏前无明显征兆且破坏较为突然，通常会造成较严重的后果以及经济损失。因此，当受弯混凝土构件上发生抗剪承载力不足时，为了确保构件的正常使用，亟需对其进行抗剪加固[2]。

纤维增强复合材料(FRP)作为一种新型的复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀性好等优点[3-6]。此外，由于外贴FRP布加固混凝土梁(RC梁)施工简单、易操作等特点，近年来备受国内外学者的关注。国内外学者对外贴FRP布加固RC梁的抗剪性能已经进行了大量研究[7-10]。例如，董江峰等[7]对外贴玻璃纤维(GFRP)布和碳纤维(CFRP)布的RC梁进行抗剪性能加固试验，分析了外贴FRP布加固对试验梁的刚度、裂缝、破坏模式以及极限承载力的影响。Javed M等[8]对钢筋混凝土深梁通过外贴CFRP布进行抗剪加固，分析了不同加固形式对梁抗剪性能的影响。赵彤等[9]对外贴CFRP布的混凝土梁进行抗剪加固试验研究，研究结果表明，外贴CFRP布加固形式能够明显改善低配箍率试验梁的抗剪性能，尤其是对于无腹筋梁的抗剪力学性能。Chaallal等[10]对外贴CFRP布加固RC梁进行抗剪试验研究，结果表明，外贴CFRP布可明显提高RC梁的抗剪承载能力和刚度，并且斜向加固效果比垂直加固效果更好，可更有效地抑制斜裂缝的开展。

综上可以发现，虽然在FRP抗剪加固RC梁研究方面已取得丰富的成果，但加固材料多集中采用GFRP和CFRP，而对于AFRP加固RC梁结构的研究却鲜有报道，AFRP作为FRP材料中的一种，除了常见FRP的优点外，还具有良好的热稳定性和耐疲劳性。此外，已有FRP布加固RC梁的抗剪性能研究大多是基于无损梁，而实际工程中大多数抗剪承载力不足的构件均存在不同程度的损伤。因此，为了更好地解决在实际工程中出现的问题，本文制作了6根AFRP布加固预损RC梁，进行了抗剪试验，研究了AFRP布不同加固方式和粘贴层数对预损RC梁加固效果的影响，并基于试验结果建立了AFRP布加固预损RC梁的抗剪承载力计算公式。

1 试验概况

1.1 材料性能

试验中所有梁混凝土的强度等级设计为C40，混凝土的力学性能测试结果如表1所示，试验中水泥采用的是P·O42.5级渤海牌普通硅酸盐水泥；选用HPB300光圆直径6mm的钢筋作为箍筋，试验梁的纵筋采用HRB400带肋钢筋，梁底部配置3根直径为20mm的钢筋作为纵向受拉筋，架立筋采用直径为10mm的HRB400带肋钢筋，筋材的力学性能如表2所示。表3为加固AFRP布基本性能指标。采用环氧树脂胶作为AFRP布和混凝土之间的粘结材料，其抗拉强度为45～70MPa，粘度在25℃时为20 000～40 000MPa·s，环氧值为(0.41～0.47)g/100g。

混凝土力学性能表1

钢筋的力学性能表2

AFRP布基本性能指标表3

1.2 试验梁设计

本试验中浇筑了6根RC梁(编号分别为L-0，L-1，L-2，L-3，L-4，L-5，其中L-0为参照梁)，试验梁长l=1 900mm，截面尺寸b×h=250mm×150mm，净跨l0=1 600mm，混凝土保护层厚度为25mm，剪跨比为2.87。各试验梁配筋率相同，且选取配筋率较保守，其目的是为了确保参照梁的破坏在斜截面发生，此外，在支座处增设了箍筋以避免出现筋材锚固长度不够的现象，试验梁的尺寸及配筋如图1所示。

图1 试件的尺寸及配筋

1.3 加固方案

在对试验梁加固前，需要对试验梁进行预损处理，各试验梁的加载量为参照梁最大承载力的50%，对试验梁加载完成后进行卸载，然后采用外贴AFRP布对试验梁进行加固处理，加固完成后再对试验梁加载直至破坏。本次试验梁的加固采用三种形式：分别为U形条带+压条、斜向U形条带+压条及交叉U形条带+压条，具体加固形式如图2所示。为了研究AFRP布粘贴层数对试验梁加固效果的影响，在混凝土梁的剪弯区粘贴不同层数的AFRP布，试验梁的具体设计参数如表4所示。

试验梁的设计参数表4

图2 AFRP布加固形式及测点分布示意图

1.4 试验加载制度及测量内容

本试验所采用的设备是5 000kN机控制电液伺服压剪试验机，试验梁两端简支，加载方式采用四点加载，两侧支座到邻近加载点的水平长度为600mm，在跨中布置跨度为400mm的分配梁以实现两点对称加载，加载示意图如图3所示。

图3 试验梁钢筋测点分布及加载装置示意图

采集荷载和应变的系统由两台计算机分别控制，如图4所示，保持它们同时进行，以便后期数据处理。对预损程度为50%的试验梁预加载至75kN，卸载后进行加固，受损后待加固梁如图5所示。在加载过程中，采用记号笔对试验梁开裂趋势进行标记，以便于观察裂缝的发展趋势，同时记录不同荷载作用下裂缝的发展高度情况。

图4 加载装置、采集系统图

图5 受损后倒置待加固梁图

本次试验所测量的内容主要有裂缝的分布状态、位移以及应变的情况，其中对剪弯区箍筋、AFRP布应变进行了重点测量，跨中纵向受力筋的应变主要作为辅助测量数据。试验梁应变所需测点分布分别如图2和图3所示，试验梁位移的测点主要布置在跨中、支座和加载点位置；而裂缝的宽度采用型号为DJCK-2裂缝测宽仪进行测量，主要记录在试验梁开裂时、斜截面开裂时以及裂缝达到最大时的裂缝宽度，同时观察裂缝在加固梁的分布情况。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏模式

各试验梁在加载初期发展情况类似，均在纯弯段首先出现裂纹，且裂缝发展高度相近；随着荷载的继续增加，试验梁在斜截面出现主斜裂缝。参照梁的斜截面仅有一条腹剪斜裂缝贯穿到梁顶，随着裂缝继续发展，在弯剪段偏向加载点位置处裂缝逐渐成为主斜裂缝；然而，各加固梁在斜截面处出现多条可贯穿到梁顶的腹剪斜裂缝，此外，主斜裂缝的位置基本在弯剪段的中间。对比于参照梁，加固梁在靠近支座的裂纹条数相对较少。加固梁L-3在主斜裂缝出现后，在继续加载过程中，主斜裂缝的宽度变化较小，同时纯弯段裂缝继续向上延伸，最终纯弯段混凝土被压坏而发生弯曲破坏，其余各试验梁均在斜截面处发生剪切破坏。

各试验梁及AFRP布的最终破坏形态见图6。从图中可以看出，各加固梁的AFRP布均出现了不同程度的剥离现象。加固梁L-1和L-2在AFRP条带与斜裂缝交汇处出现明显剥离现象，并且加固梁L-2最终破坏时AFRP条带与压条出现大面积的剥离；可见在受力过程中，AFRP条带与压条之间具有较好的整体性，若提高加固梁L-2 AFRP条带末端的锚固性能，可更充分地发挥AFRP布的抗拉性能，进而可更显著地提高试验梁的加固效果。而加固梁L-3，L-4及L-5在AFRP条带与斜裂缝交汇处未出现明显剥离，且加固梁L-3在AFRP压条末端也未出现明显的剥离现象，而加固梁L-4和L-5在压条穿过主斜裂缝处发生部分拉断。

图6 试验梁的裂纹分布及破坏模式图

另外，在加载过程中发现，当荷载加载至100kN左右时，试验梁的AFRP布与混凝土之间会产生“噼啪”的声音，试验梁在发生破坏前，加固梁具有相对明显的征兆，改善了试验梁在发生受剪破坏时的突然性，具有一定的安全性，与目前任海东等[11]的研究结果类似。

2.2 试验特征荷载

AFRP布加固混凝土梁的特征荷载值如表5所示。由表可以看出，经过外贴AFRP布加固处理的试验梁，受损梁的抗剪承载力均有不同程度上的提高。对预损试验梁进行加固后发现开裂荷载与参照梁相差不大，而梁斜截面开裂荷载相比于参照梁要滞后，这是因为斜截面出现裂缝前在抗剪性能方面AFRP布的作用较小，因此，加固梁斜裂缝出现时开裂荷载相差较小，而随着荷载继续增加，AFRP布在斜截面裂缝的发展中发挥作用。此外，对加固梁L-1，L-2及L-3的特征荷载进行对比分析发现，在加固条件相同的情况下，AFRP布粘贴层数为1层、2层、3层的加固梁极限抗剪承载力分别为176.8，199.1，208.3kN，与参照梁相比分别提高了13.1%，27.3%，33.2%。这表明加固AFRP布粘贴层数越多，加固效果越好，但加固效果并不是随着AFRP布粘贴层数的增加呈线性增长。这是因为加固AFRP布粘贴层数为3层时，加固梁L-3破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏，在此情况下再继续增加AFRP布的粘贴层数并不会提高梁的抗剪承载力，这与孙海霞等[12]的研究结果类似。另外，通过对比不同加固形式的梁L-1，L-4及L-5的特征荷载发现，采用U形+压条加固形式的梁L-1极限抗剪承载力为176.8kN，与参照梁相比提高13.1%；斜向U形条带+压条加固形式的梁L-4粘贴的条带方向与支座到加载点连线方向垂直，可有效地抑制裂缝的发展，其极限抗剪承载力为185.1kN，与参照梁相比提高18.4%；梁L-5采用交叉U形条带+压条的加固形式进行加固后，极限抗剪承载力为190.9kN，与参照梁相比提高22.1%。由此可知，交叉U形条带+压条加固形式的加固效果最好，U形条带+压条加固形式的加固效果最差，斜向U形条带+压条形式加固形式的加固效果介于两者之间。

试验梁特征荷载及其破坏模式表5

2.3 梁荷载-挠度曲线

外贴AFRP布抗剪加固受损混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线如图7所示。由图可以看出，加载前期，试验梁斜截面开裂前，各试验梁的挠度曲线变化趋势基本相似；随着荷载继续增加，试验梁斜截面开裂，各试验梁的挠度发展趋势呈不同发展规律；相比于参照梁，加固梁的跨中挠度均有所减小，这表明通过AFRP布加固的试验梁，其抵抗变形的能力均得到了不同程度的提升。对比不同粘贴层数的AFRP加固梁L-1，L-2及L-3可以看出，随着AFRP粘贴层数增多，同一荷载下梁挠度逐渐减小。但值得说明的是AFRP粘贴层数为3层的梁L-3相较于加固层数为2层的梁L-2，挠度相差不大，仅稍有减小，这主要是因为AFRP粘贴层数达3层时，加固梁的破坏模式由剪切破坏转变为弯曲破坏。另外，通过对比不同加固形式的梁L-1，L-4及L-5发现，采用不同加固形式的试验梁产生不同挠度，采用斜向U形条带+压条加固形式的梁挠度小于交叉U形条带+压条加固形式的梁，但要大于U形条带+压条加固形式的梁。

图7 试验梁荷载-跨中挠度曲线

2.4 AFRP布荷载-应变曲线

外贴AFRP布抗剪加固受损混凝土梁的荷载-应变曲线如图8所示，应变取值为距离主斜裂缝较近的最大应变值。由图8可以看出，外贴AFRP布抗剪加固受损混凝土梁的AFRP布荷载-应变曲线由两个阶段组成：曲线转折点处为斜截面出现主斜裂缝，试验梁斜截面开裂前，AFRP布的应变基本无明显变化；斜截面开裂后，随着荷载继续增加，AFRP布的应变显著增加，这与目前Mosallam等[13]的研究结果相吻合。通过分析不同AFRP布粘贴层数的梁L-1，L-2和L-3发现，粘贴3层AFRP布的梁L-3和粘贴2层AFRP布的梁L-2的AFRP布应变均小于粘贴1层AFRP布的梁L-1，并且加固梁L-2的AFRP布的应变值介于梁L-1和L-3之间，但两者应变值之间相差不大，这说明，虽然随着AFRP布粘贴层数增加，AFRP布的应变有所减小，但改变AFRP布粘贴层数对AFRP布应变的影响较小。另外，比较不同加固形式的梁L-1，L-4和L-5试验结果发现，采用斜向U形条带+压条加固形式的梁L-4和采用交叉U形条带+压条加固形式的梁L-5的AFRP布应变明显大于采用U形条带+压条加固形式的梁L-1，并且可以看出加固梁L-5的AFRP布应变小于梁L-4，且梁L-5的极限承载力提高程度大于梁L-4，这主要由于交叉U形条带+压条加固形式的U形条带之间相互搭接，提高了AFRP布的整体加固效果。

图8 AFRP布荷载-应变曲线

2.5 箍筋荷载-应变曲线

外贴AFRP布抗剪加固受损混凝土梁的箍筋荷载-应变曲线如图9所示，其箍筋应变取值点为图3中的测点2。箍筋荷载-应变曲线与AFRP布荷载-应变曲线变化规律相似：加载初期，箍筋应变呈线性变化，且应变较小；随着荷载增加，梁斜截面开裂，曲线斜率明显减小，不同加固形式的箍筋应变大小呈不同的变化。对比试验梁L-1，L-2和L-3可以看出，当AFRP布粘贴层数由1层增加为2层和3层时，箍筋的应变由3 102με减小为2 923με和2 691με。由此可以得出，随着AFRP布粘贴层数的增加，箍筋应变呈减小趋势。另外对比试验梁L-1，L-4和L-5可以发现，斜向U形条带+压条加固形式梁L-4和交叉U形条带+压条加固形式梁L-5的应变明显大于U形条带+压条加固形式梁L-1，相比于斜向U形条带+压条加固形式梁L-4，交叉U形条带+压条加固形式梁L-5的极限抗剪承载力的提高程度相对较大，而梁L-5的箍筋应变相对较小，由此可见，交叉U形条带+压条的加固形式可更显著地抑制梁L-5箍筋应变的增大。