吳 昆,翟愛(ài)良,王 暉,劉書(shū)壯,李建軍

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安271018)

0 前 言

玻璃纖維增強(qiáng)塑料布(以下簡(jiǎn)稱GFRP)生產(chǎn)歷史長(zhǎng),廠家分布廣,成本低,質(zhì)量穩(wěn)定可靠,延伸率較大,彈性模量相對(duì)較低,抗拉強(qiáng)度較高,但在工程加固中作為加固材料較少采用。GFRP是一種高強(qiáng)度的材料,應(yīng)用于土木領(lǐng)域的通常強(qiáng)度都達(dá)到2 000MPa以上,而其彈性模量相對(duì)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)卻低得多,常用的一般為70 GPa。要發(fā)揮較大的強(qiáng)度,GFRP需要相當(dāng)?shù)淖冃?。在一般情況下,當(dāng)與鋼筋共同工作時(shí),鋼筋完全發(fā)揮強(qiáng)度時(shí)GFRP才發(fā)揮出不到30%的強(qiáng)度,難以抑制結(jié)構(gòu)的變形與裂縫的發(fā)展。GFRP不能被充分合理地利用,現(xiàn)有的加固技術(shù)不能使其強(qiáng)度得到充分發(fā)揮,是制約GFRP在工程加固領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展的主要原因。

為了解決上述問(wèn)題,本文提出對(duì)GFRP施加預(yù)應(yīng)力的技術(shù)。對(duì)GFRP施加預(yù)應(yīng)力后,在構(gòu)件承受荷載之前就已經(jīng)承擔(dān)了相當(dāng)?shù)念A(yù)拉應(yīng)力,既充分利用了GFRP的高強(qiáng)度,又能有效抑制構(gòu)件的變形和裂縫的發(fā)展,可解決GFRP強(qiáng)度模量比值過(guò)高的矛盾[1,2]。本文將加固對(duì)象確定為已損構(gòu)件,有效的結(jié)合工程實(shí)際,旨在了解已損構(gòu)件經(jīng)GFRP預(yù)應(yīng)力加固后的性能變化,探究受損程度對(duì)加固效果的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5根混凝土梁,在第一次加載過(guò)程中,分別控制其產(chǎn)生裂縫或鋼筋屈服兩種不同程度的初始損傷,經(jīng)預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力GFRP布加固后,再對(duì)梁進(jìn)行二次加載,各梁的加固情況見(jiàn)表1。

表1 加固方案

各梁混凝土均采用C20,縱筋采用2Φ 12鋼筋,配筋率0.7%,箍筋采用φ 8@100鋼筋,配箍率0.67%,架立筋2φ 8,截面為250 mm×150 mm的矩形截面,梁長(zhǎng)2 100 mm,經(jīng)驗(yàn)算不會(huì)先發(fā)生斜截面剪切破壞,各試驗(yàn)梁配筋情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)梁配筋圖

非預(yù)應(yīng)力加固梁B2,B3底部粘貼GFRP布長(zhǎng)2 100 mm,寬60mm,3層疊加,兩個(gè)端部均采取5道U形箍錨固,箍長(zhǎng)65 cm,寬5 cm,在錨固區(qū)均勻布置,間距5 cm。普通GFRP布粘貼施工按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行。

預(yù)應(yīng)力加固梁 B4,B5底部粘貼GFRP布長(zhǎng) 1 800 mm,寬60 mm,3層疊加(如圖 2),采用自行開(kāi)發(fā)的“拉錨一體化”機(jī)具對(duì)GFRP布施加預(yù)應(yīng)力(如圖3),張拉應(yīng)力值控制在208 MPa,張拉完成后機(jī)具自動(dòng)形成錨固。采用此裝置加固混凝土受彎構(gòu)件的主要施工工藝為:通過(guò)梁端植筋在被加固構(gòu)件底部?jī)啥税仓霉潭ā袄^一體化”設(shè)備→在梁底涂涮樹(shù)脂→將GFRP布纏繞于鋼輥→立即旋轉(zhuǎn)鋼輥張拉GFRP布→達(dá)到張拉控制應(yīng)力后用銷栓固定鋼輥→最后將GFRP布?jí)簩?shí)使其與梁底混凝土面層良好粘結(jié)。

試驗(yàn)所用GFRP采用武漢長(zhǎng)江加固技術(shù)有限公司生產(chǎn)的L500-E型GFRP,單位面積重量444 g,厚度為0.57mm,抗拉強(qiáng)度1 512MPa,延伸率2.23%,彈性模量74.5 GPa。粘結(jié)膠采用該公司生產(chǎn)的與GFRP配套的YZJ-CQ浸漬膠和YZJCQ底膠,經(jīng)測(cè)定,正拉粘接強(qiáng)度均大于4.0 MPa。

圖2 GFRP加固位置示意

圖3 施加預(yù)應(yīng)力(機(jī)具固定在梁上)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在梁跨中、加載點(diǎn)梁底正下方、端部支座處安設(shè)百分表,以測(cè)量撓度;在梁跨中和加載點(diǎn)截面的側(cè)面粘貼應(yīng)變片,各設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)量應(yīng)變,同樣在跨中GFRP布及鋼筋上粘貼應(yīng)變片。測(cè)點(diǎn)布置及加載示意圖,如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置及加載示意圖

1.3 加載過(guò)程

試驗(yàn)在YAW-3000F微機(jī)控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(如圖5)。采用三分點(diǎn)加載,先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,使試驗(yàn)設(shè)備與試件接觸良好,檢查各儀器的工作性能,然后以極限荷載10%為級(jí)度逐級(jí)加載,各級(jí)載間停5 min,便于觀測(cè)數(shù)據(jù),加載速率約為1 kN/min。在試驗(yàn)梁臨近破壞時(shí),采用手動(dòng)加載,以確保能夠觀察在每一級(jí)荷載下的各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括:XL3403G靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集混凝土、鋼筋、GFRP布應(yīng)變;百分表測(cè)量梁撓度;裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)裂縫寬度。

圖5 試驗(yàn)梁加載示意圖

2 破壞過(guò)程及裂縫開(kāi)展

預(yù)應(yīng)力GFRP布加固鋼筋混凝土梁受彎承載力極限狀態(tài)的標(biāo)志為下述現(xiàn)象之一:GFRP布與混凝土之間剝離;GFRP布拉斷;受壓區(qū)混凝土壓碎。

對(duì)比梁B1的破壞過(guò)程:試驗(yàn)力加至15 kN時(shí),在純彎段跨中位置出現(xiàn)明顯的豎向裂縫。隨著荷載增加,裂縫寬度明顯變大,裂縫條數(shù)增多。在46.6 kN左右,鋼筋屈服,撓度急劇增大。最后達(dá)60 kN時(shí),跨中百分表指針劇烈擺動(dòng),根本無(wú)法讀數(shù),梁上部混凝土被壓碎。參照混凝土構(gòu)件破壞標(biāo)志,認(rèn)定混凝土梁已破壞。

梁B2的破壞過(guò)程:二次加載起初荷載較小時(shí),只是初始裂縫繼續(xù)發(fā)展,隨著荷載的增加,48 kN時(shí)出現(xiàn)新的一條裂縫,位于東側(cè)加載點(diǎn)處,長(zhǎng)13 cm,寬 0.1 mm,當(dāng)荷載增加至57 kN時(shí),該裂縫長(zhǎng)18 cm,寬0.2 mm,此時(shí)試驗(yàn)力加不上去,并且GFRP布應(yīng)變加快。當(dāng)加載至70 kN時(shí),梁底發(fā)出噼啪的響聲,東側(cè)GFRP布與梁底粘結(jié)面逐漸剝離,撓度急劇增大。74 kN時(shí)GFRP布發(fā)出砰的一聲脆響,在東部U形箍?jī)?nèi)側(cè)斷裂,梁底有混凝土碎屑掉落,上部混凝土壓碎,前面的那條裂縫長(zhǎng)度變?yōu)?1 cm,寬度瞬時(shí)超過(guò)1.5 mm。

梁B3的破壞過(guò)程:在第一次加載中,該梁的受拉縱筋發(fā)生屈服,二次加載前梁上已有部分初始裂縫,跨中位置分別有長(zhǎng)20 cm、寬0.9 mm和長(zhǎng)22 cm、寬0.8 mm的兩條裂縫,二次加載過(guò)程中,已有裂縫繼續(xù)發(fā)展,變長(zhǎng)變寬,新的裂縫不斷出現(xiàn)。首先,加載至45 kN時(shí),在西側(cè)加載點(diǎn)下出現(xiàn)毛細(xì)裂縫,長(zhǎng)15 cm,寬0.5 mm。加至60 kN時(shí),試驗(yàn)力加不上去,撓度變化和GFRP布的應(yīng)變變化顯著加快,跨中兩條裂縫迅速貫通。當(dāng)加至67.7 kN時(shí),聽(tīng)見(jiàn)梁底東側(cè)發(fā)出噼啪的響聲,距跨中15 cm處的GFRP布部分剝離。加載至71.4 kN時(shí),撓度急劇增大,梁底有混凝土碎屑掉落,剝離處GFRP布發(fā)出砰的一聲脆響后斷裂,并粘下了部分結(jié)構(gòu)層,最大裂縫寬度超過(guò)了1.5 mm。

梁B4的破壞過(guò)程:預(yù)應(yīng)力施加后,初始裂縫部分閉合。跨中的一條裂縫長(zhǎng)20 cm,寬1 mm,施加預(yù)應(yīng)力后閉合,二次加載中該裂縫隨荷載增加逐漸重新顯現(xiàn),寬度變寬,84 kN時(shí)寬度達(dá)到了1.4 mm。加載過(guò)程中,新的裂縫不斷出現(xiàn),鋼筋與GFRP布應(yīng)變不斷變大。加載至64 kN時(shí),百分表讀數(shù)與鋼筋應(yīng)變迅速加快。加至65.6 kN時(shí),在距離跨中8 cm處出現(xiàn)毛細(xì)裂縫,寬0.01 mm,長(zhǎng)4 cm,隨著荷載增加,裂縫迅速發(fā)展,長(zhǎng)度最終達(dá)到了20 cm,GFRP布拉斷前該裂縫寬1.3mm,拉斷后裂縫寬度突變,瞬時(shí)達(dá)到了3.5 mm。當(dāng)荷載達(dá)82 kN時(shí),聽(tīng)見(jiàn)梁底發(fā)出噼啪的響聲,聲音逐漸變大,最終在梁的東西部均發(fā)生不同程度的剝離。試驗(yàn)力加至85 kN時(shí),百分表指針劇烈轉(zhuǎn)動(dòng),撓度急劇增大,無(wú)法讀數(shù),GFRP布發(fā)出砰的一聲脆響,在東側(cè)錨具附近斷裂,梁底有混凝土碎屑掉落。主要裂縫分布均勻。

梁B5的破壞過(guò)程:距跨中11 cm處,有條初始裂縫長(zhǎng)15 cm,寬0.1 mm,在最終極限狀態(tài)下長(zhǎng)20 cm,寬1.5 mm。當(dāng)荷載加至68 kN時(shí),撓度和GFRP布應(yīng)變變化迅速加快,試驗(yàn)力加不上去,梁東側(cè)加載點(diǎn)處GFRP布剝離,發(fā)出噼啪的響聲。加載至89 kN時(shí),梁西部GFRP布發(fā)出砰的一聲脆響后斷裂,梁底有混凝土碎屑掉落,受壓區(qū)混凝土壓碎。主要裂縫基本均勻分布。

B1,B3是由于裂縫開(kāi)展過(guò)寬,超過(guò)1.5 mm,到達(dá)承載力極限狀態(tài)而發(fā)生破壞;B2的GFRP布斷裂在U形箍?jī)?nèi)側(cè),是因?yàn)榧袅^大而被剪斷;B4是由于錨具的埋置造成梁表面凹凸不平,使GFRP布發(fā)生應(yīng)力集中而破壞;B5是因?yàn)镚FRP布粘貼的質(zhì)量不好,在多處發(fā)生剝離,上部混凝土壓碎導(dǎo)致破壞。荷載從30 kN增加至45 kN的這一階段,B1出現(xiàn)了11條裂縫,最大裂縫寬度為1 mm,間距較大;B2出現(xiàn)了3條裂縫,寬度最大為0.7 mm,平均間距為7 cm;B5出現(xiàn)了5條裂縫,最大裂縫寬度僅為0.3 mm,平均間距為6 cm。對(duì)比預(yù)應(yīng)力加固B5與非預(yù)應(yīng)力加固B2可知,采用預(yù)應(yīng)力GFRP布加固后,原有裂縫發(fā)展明顯減緩,荷載較大時(shí)主要裂縫寬度才明顯增長(zhǎng),新的毛細(xì)裂縫不斷出現(xiàn),裂縫間距變小,分布趨于均勻,裂縫的最終寬度明顯變小。

3 正截面受彎承載力

加固后二次加載受彎承載力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各梁受彎承載力試驗(yàn)結(jié)果

由表2看出,GFRP布加固后,試件屈服荷載、極限荷載都有很大提高。預(yù)應(yīng)力加固效果更好,如預(yù)應(yīng)力B5、B4的極限荷載分別比非預(yù)應(yīng)力B2、B3提高了26%和24%。B4的屈服荷載與極限荷載,比B5的分別低了9%和6%,可見(jiàn)較大的受損程度,降低了預(yù)應(yīng)力加固的效果。

4 荷載-撓度曲線

荷載-撓度曲線如圖6。

圖6 荷載-撓度曲線對(duì)比圖

由圖6可以看出,鋼筋混凝土梁經(jīng)加固后,極限承載能力提高而撓度減小。從反映其剛度的撓度曲線的斜率來(lái)看,在受拉縱筋屈服前(55 kN),所有加固梁曲線的變化基本是線性的,除B5前期剛度略有提高外,其它梁的剛度和對(duì)比梁相比沒(méi)有多大變化,此階段GFRP布的加固效果并不明顯。隨著荷載增大,GFRP布與混凝土間的相互作用增強(qiáng),使得構(gòu)件剛度提高[3]。預(yù)應(yīng)力加固梁B4、B5剛度提高更大,這在荷載較大時(shí)更加明顯。B4、B5的曲線后期較平緩,破壞呈明顯的延性,說(shuō)明預(yù)應(yīng)力加固延緩裂縫的開(kāi)展,經(jīng)加固后的梁延性較好。與 B2、B5相比,B3、B4的剛度較小,可見(jiàn)在相同的加固狀況下,較大的受損程度,會(huì)降低構(gòu)件加固后的剛度。

5 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

鋼筋應(yīng)變曲線如圖7。

圖7 鋼筋應(yīng)變對(duì)比圖

由圖7可以看出,試驗(yàn)梁經(jīng)GFRP布加固后,縱筋應(yīng)變變小,屈服荷載以及極限承載力明顯提高,說(shuō)明承載力由GFRP和鋼筋共同承擔(dān)。從圖上曲線的斜率看,在受拉縱筋屈服前(55 kN),加固梁的鋼筋應(yīng)變是線性的,隨著荷載增加,曲線斜率變大,鋼筋應(yīng)變加快,進(jìn)入屈服階段,GFRP布更多的參與工作,預(yù)應(yīng)力的作用得以充分顯現(xiàn),預(yù)應(yīng)力梁B4與非預(yù)應(yīng)力梁B3相比,鋼筋變化趨于平緩,同等荷載增量下應(yīng)變變化較小。預(yù)應(yīng)力GFRP布加固實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋的部分卸荷,減小鋼筋應(yīng)變,延緩鋼筋屈服,進(jìn)一步提高了構(gòu)件的極限承載力[4]。

6 荷載-GFRP布應(yīng)變曲線

GFRP布應(yīng)變曲線如圖8。

圖8 GFRP應(yīng)變對(duì)比圖

由圖8可以看出,B4、B5曲線斜率較大,預(yù)應(yīng)力GFRP布的應(yīng)變變化比其它梁大,這在鋼筋屈服階段尤為明顯,說(shuō)明預(yù)應(yīng)力加固更快更好的發(fā)揮了GFRP布的高強(qiáng)性能。加載初期,GFRP布的應(yīng)變隨荷載增加呈線性變化,趨勢(shì)平緩,鋼筋屈服后,GFRP布更多的參與承載工作,應(yīng)變急劇增加。對(duì)比B3與B2,B4與B5可知,GFRP布加固初始損傷較大的構(gòu)件時(shí),產(chǎn)生了較大的應(yīng)變,發(fā)揮出了更大的作用,但這部分構(gòu)件的極限承載力相對(duì)較低,初始損傷降低了加固效果。

對(duì)比圖7鋼筋應(yīng)變與圖8 GFRP布應(yīng)變可以看出,加載初期GFRP布的應(yīng)變略大于受拉縱筋的應(yīng)變,這符合平截面假定,說(shuō)明GFRP布與混凝土梁表面粘接良好,沒(méi)有滑移。隨著荷載增加,試驗(yàn)梁縱筋屈服后,兩者的應(yīng)變均開(kāi)始急劇增加,GFRP布應(yīng)變的變化速度逐漸大于鋼筋應(yīng)變的變化速度,兩者之間的應(yīng)變差越來(lái)越大[5]。

7 結(jié)論與建議

(1)普通GFRP布加固,使構(gòu)件的屈服荷載,極限荷載都有明顯提高,而用預(yù)應(yīng)力GFRP布加固,對(duì)構(gòu)件屈服荷載,極限荷載的提高程度更大,效果優(yōu)于普通GFRP布加固。

(2)構(gòu)件的受損程度對(duì)加固效果影響較大。裂縫剛出現(xiàn)時(shí)加固相對(duì)受拉鋼筋屈服時(shí)加固,加固后構(gòu)件的屈服荷載、極限荷載及剛度等均有明顯增強(qiáng)。

(3)與加固受損程度較小的構(gòu)件相比,在加固受損程度較大的構(gòu)件時(shí),GFRP布最終的變形量比較大,發(fā)揮出了更大的作用。

(4)加載初期GFRP布的應(yīng)變略大于受拉縱筋的應(yīng)變,符合平截面假定,說(shuō)明GFRP布與混凝土梁表面粘接良好,沒(méi)有滑移。隨著荷載增加,受拉縱筋屈服后,兩者的應(yīng)變均開(kāi)始急劇增加,GFRP布應(yīng)變的發(fā)展速度逐漸大于鋼筋應(yīng)變的發(fā)展速度,兩者之間的應(yīng)變差越來(lái)越大,GFRP布發(fā)揮更大的作用。

(5)預(yù)應(yīng)力的存在增加了梁的剛度,減小了撓度變形,可有效延緩裂縫開(kāi)展,使裂縫寬度變小,數(shù)量增多,分布均勻,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的卸荷,減小鋼筋應(yīng)變,延緩鋼筋屈服,提高構(gòu)件延性。

(6)預(yù)應(yīng)力加固的效果在初期并不明顯,而在后期荷載較大時(shí),其補(bǔ)強(qiáng)作用得以充分體現(xiàn)。

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