往复荷载下AFRP-混凝土界面性能研究

袁娇娇 苑溦 侯新宇 林军

摘要：纤维增强聚合物（FRP）加固钢筋混凝土结构的性能依赖于FRP片材与混凝土之间的有效粘结。尽管已有大量实验对FRP-混凝土界面性能进行了研究，但是研究主要集中在静態荷载，对动态荷载下的FRP-混凝土界面性能研究较少。通过模拟地震荷载，对往复荷载下芳纶纤维增强聚合物（AFRP）片材与混凝土界面的动态界面性能进行了试验研究。试验结果表明：在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面剥离承载力、延性及最大粘结剪应力降低，AFRP-混凝土界面有效粘结长度增大。试件加卸载刚度随着往复加卸载次数的增加而退化。

关 键 词：

FRP; 芳纶纤维增强聚合物; 界面性能; 往复荷载; 有效粘结长度; 剥离承载力

中图法分类号： TU528.572

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.028

随着我国国民经济的不断发展，基础设施数量不断增加。大量基础设施由于材料老化和使用环境恶化，已经不再符合安全适用耐久等设计要求[1-2]。使用外部粘结纤维增强聚合物（FRP）复合材料加固钢筋混凝土结构可以提高原有损伤结构力学性能，提高原有损伤结构使用寿命，较大限度地减少拆除原有结构，降低经济损失[3-5]。

目前已有许多分析模型预测FRP-混凝土界面最大局部粘结应力[6-7]、剥离承载力[8-9]以及有效粘结长度[10-11]等。大多数现有模型与试验结果相符合，但是都是采用的静态荷载，忽略了动荷载对界面性能的影响。工程结构在使用过程中受到爆炸、冲击、地震等动荷载作用，动荷载下的承载力值高于相应的静荷载下的承载力值[12]。

在地震作用下，动态最大局部粘结应力、动态剥离承载力、动态有效粘结长度的确定是保证外贴FRP结构加固技术可靠性的基础。为了模拟地震荷载，本文设计制作了3组双面剪切试件，对芳纶纤维（AFRP）混凝土界面进行往复荷载下界面性能试验研究。

1 试验方法

1.1 试件设计与制作

本试验混凝土设计强度为C30，混凝土配合比为：水164 kg/m3，水泥260 kg/m3，石1 088 kg/m3，砂725 kg/m3，粉煤灰41 kg/m3，矿粉72 kg/m3，外加剂9.7 kg/m3。纤维布在加载端长度为230 mm。试件设计制作参考文献[13]，如图1所示。试件有3组，1组编号为S200-1、S200-2、S200-3;2组编号为A200-1、A200-2、A200-3;3组编号为C200-1、C200-2、C200-3。S代表静态加载，A代表芳纶纤维布往复加载，C代表碳纤维布往复加载。 纤维片材长度为200 mm，宽度为50 mm。在试件加载端纤维表面布置应变片，间距为20 mm。

1.2 材料力学性能

混凝土试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，与双面剪切试件养护条件相同，测得抗压强度为32.1 MPa。AFRP出厂力学性能试验报告为：h=0.180 mm，δ=1.709%，Ef=118.8 GPa，σ=1 905 MPa。CFRP出厂力学性能试验报告为：h=0.167 mm，δ=2.101%，Ef=230.0 GPa，σ=4 900 MPa，其中：h为纤维片材厚度，δ为延伸率，Ef为弹性模量，σ为抗伸强度。

1.3 试验过程

3组试件均用MTS动静万能试验机进行加载，如图2所示。静态加载采用位移控制，速率为0.2 mm/min。纤维布能承受拉力不能承受压力。为了模拟地震荷载，动态加卸载制度设计参考文献[14]，具体加载如图3所示。具体的加载方式为：由静态加载得到S200的加载端极限位移2.674 mm和剥离承载力13.28 kN;先采用力控制加载到4.0 kN后卸载到零;再加载到8.0 kN后卸载到零;然后采用位移控制，加载到加载端位移为0.200 mm后卸载到荷载为零，再加载到加载端位移为0.400 mm后卸载到荷载为零，以此类推循环下去，直至试件破坏。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏特征

对于静态荷载试件，试件在荷载达到13.3 kN时，迅速剥离，属于脆性破坏，如图4（a）所示。

对于往复荷载试件A200-1，在荷载控制循环的过程中在木隔板附近胶层表面出现微裂纹。之后采用位移控制循环，在位移0.800 mm的循环中，当荷载达到8.6 kN时，距木隔板2 cm左右处出现第一道斜裂缝。在位移为1.000 mm的循环中，当荷载达到9.7 kN时，距木隔板3 cm左右处出现第二道斜裂缝。在位移为1.600 mm的循环中，纤维布开始剥离发展，从混凝土界面上剥离下的长度为8 cm左右，如图4（b）所示。在下一个循环也是最后一个循环，纤维布从混凝土上被完全剥离下来。在整个往复加载过程中，试件是逐步剥离的，剥离时间比静态试件S200延长很多。

对于往复荷载试件C200-1，在荷载控制循环的过程中，在木隔板附近胶层表面出现微裂纹。之后采用位移控制循环，在位移0.400 mm的循环中，当荷载达到12.9 kN时，距木隔板3 cm左右处出现第一道斜裂缝。在位移为0.600 mm的循环中，当荷载达到13.6 kN时，距木隔板4 cm左右处出现第二道斜裂缝。在位移为0.800 mm的循环中，纤维布开始剥离发展，从混凝土界面上剥离下的长度为4 cm左右，如图4（c）所示。在下一个循环也是最后一个循环，纤维布从混凝土上被完全剥离下来。

2.2 荷载-位移滞回曲线分析

图5为A200-1的荷载-位移滞回曲线，该位移值是由布置在试件两侧的位移计所测得的平均结果。每组试件仅取一个试件作为代表，其他两个试件曲线规律类似。

由图5可知：在最后3个位移循环加载下，试件的最大荷载值基本保持不变，表明此荷载即为往复荷载作用下AFRP-混凝土界面的剥离承载力。比较各级加载曲线，后次曲线的斜率比前次曲線的斜率小，说明往复荷载下试件的加载刚度退化。每次卸载，试件都有一定的残余变形。卸载曲线的斜率随着往复加载卸载次数的增加而减小，说明卸载刚度退化。

由图5还可知：往复荷载作用下，与试件C200-1相较，A200-1试件加卸载刚度较小，延性较好。

将荷载-位移滞回曲线每级荷载下的荷载峰值点绘于同一图中，即得荷载-位移骨架曲线，如图6所示。

从骨架曲线中能更加明显地看到试件的强度、刚度以及延性性能。为了与静态加载下的试件做比较，图6绘出了静态加载下S200-1的荷载-加载端位移曲线。

由图6可知：静态荷载下试件S200-1剥离承载力为13.28 kN，加载端极限位移为2.674 mm。往复荷载下试件A200-1剥离承载力为9.53 kN，加载端极限位移为1.928 mm。与静态加载下AFRP-混凝土界面的剥离承载力和加载端位移相比，在往复荷载的作用下，剥离承载力降低了28.2%，加载端位移降低27.9%。这是由于重复加载卸载作用，使得粘结界面的微孔隙或微裂纹逐渐形成并逐步累积，并开始相互贯通，导致界面剥离承载力降低。因此，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面剥离承载力降低且延性下降。

由图6可知：往复荷载下试件C200-1剥离承载力为16.20 kN，加载端极限位移为1.021 mm。与往复加载下C200-1试件的剥离承载力相比，A200-1试件剥离承载力降低了41.2%;与往复加载下C200-1试件加载端位移相比，A200-1试件加载端位移提高了88.8%。因此，在往复荷载作用下，A200-1试件界面剥离承载力虽然不如C200-1，但是A200-1试件界面延性优于C200-1。这表明在遭遇地震荷载时，AFRP延性更好，更有利于耗散地震能量。

2.3 粘结剪应力分析

由图7可知，往复荷载下界面粘结剪应力分布规律与静态加载相似。在加载较小时，首先是靠近木隔板处纤维布受力，粘结剪应力只存在靠近木隔板的区域。随着荷载增大，此区域粘结剪应力不断增大，直至靠近木隔板区域的纤维发生剥离。剥离处不存在混凝土与纤维粘结，因此粘结剪应力为零。此后加载过程中，荷载不再增大，最大粘结剪应力向着远离木隔板的位置移动。

往复加载下，AFRP-混凝土界面最大粘结剪应力为2.27 MPa;静态加载下，AFRP-混凝土界面最大粘结剪应力为2.78 MPa。相较于静态荷载下的试件S200-1，往复荷载下的试件A200-1的界面最大粘结剪应力降低了18.3%。因此，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面粘结粘结剪应力下降。

往复加载下，AFRP-混凝土界面最大粘结剪应力为2.27 MPa;CFRP-混凝土界面最大粘结剪应力为3.21 MPa。往复荷载下，相较于CFRP-混凝土界面试件C200-1，AFRP-混凝土界面最大粘结剪应力降低了41.4%。

文献[15]中提出采用剪应力-加载端距离关系曲线计算有效粘结长度的结果如下：往复加载下，AFRP-混凝土界面有效粘结长度为80 mm左右;静态加载下，AFRP-混凝土界面有效粘结长度为60 mm左右。试验结果表明：与静态加载相比，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面有效粘结长度增大。对于碳纤维布，往复加载下，有效粘结长度为90 mm左右。试验结果表明：在往复荷载作用下，芳纶纤维布试件A200-1有效粘结长度小于碳纤维布试件C200-1有效粘结长度。

3 结 论

（1） 在往复荷载作用下，试件加卸载刚度随着往复加卸载次数的增加而退化。

（2） S200-1、A200-1和C200-1的剥离承载力分别为13.28，9.53 kN和16.20 kN。S200-1、A200-1和C200-1的加载端极限位移分别为2.674，1.928 mm和1.021 mm。与S200-1相比，A200-1剥离承载力降低了28.2%，加载端位移降低27.9%。与静态加载相比，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面剥离承载力降低且延性下降。与C200-1相比，A200-1界面剥离承载力降低了41.2%，加载端位移提高了88.8%。这表明相较于碳纤维布，使用芳纶纤维布的试件，在往复荷载作用下虽然剥离承载力较小，但是延性得到很大提高。

（3） S200-1、A200-1和C200-1的最大粘结剪应力分别为2.78，2.27 MPa和3.21 MPa。相较于试件S200-1，A200-1最大粘结剪应力降低了18.3%。与静态加载相比，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面粘结性能下降。相较于试件C200-1，A200-1最大粘结剪应力降低了41.4%。

（4） S200-1、A200-1和C200-1的有效粘结长度分别为60，80 mm和90 mm左右。与静态加载相比，在往复荷载作用下，AFRP-混凝土界面有效粘结长度增大。在往复荷载作用下，芳纶纤维布试件有效粘结长度小于碳纤维布试件有效粘结长度。

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（编辑：郑 毅）