嵌入式FRP筋加固梁抗弯承载力分析_郑志勇

第 46 卷 第 5 期
郑志勇， 等． 嵌入式 FRP 筋加固梁抗弯承载力分析
试验梁基本参数 表1
备注 对比梁 加固梁 加固梁 加固梁
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编号 BC TG TC TLC
加固材料 — GFRP 筋 CFRP 筋 CFRP 筋
FRP 筋表面特征 — 光圆 光圆 带肋
FRP 筋应变和跨中位移随荷载的变化规律 。 筋应变、 各测点的布置如图 4 所示。
［6 ］
图6
混凝土斜裂缝及剥落
。 虽然目前对在混凝土表层嵌贴 FRP
粘结性能的试验开展得比较少， 但是已有的试验结 局部粘结剪应力滑移关系可以利用 BPE 果表明，
图7 试验梁跨中荷载位移曲线
模型进行分析， 并且已经在已有的 BPE 模型基础上 提出了与试验数据吻合较好的改进 BPE 模型， 主要
［7 ］ ［8 ］ 如 包括改进 BPE 模型 Ⅰ 和改进 BPE 模型 Ⅱ ， 图 9 所示。
green @ 163． 作者简介： 郑志勇，学士，高级 工程师，Email： xiaojincom。
用于混凝土结构加固的 FRP 材料有很多不同 ［3 ， 4 ］ ， FRP 片 材、 FRP 筋 材 和 的形态 包 括： 短 纤 维、 FRP 型材。在表层嵌贴法加固中， FRP 片材得到了 比较充分的研究和应用， 但是 FRP 片材的高厚比较 大， 在运送过程中易发生弯折甚至折断 ， 将运输过程 FRP 中发生局部破坏或者细微损坏的 片材应用于 加固梁后， 加固梁的力学性能就大打折扣。 FRP 筋 的圆形截面形式可以弥补 FRP 片材的这一缺陷， 因 此 FRP 筋也不断地应用到结构加固中， 并得到国内 外研究者的重视。 本文通过 3 根表层嵌贴 FRP 筋加固的钢筋混
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引言
表层 嵌 贴 FRP 法 （ Near Surface Mounted， 简称 NSM 方法， 又称嵌入式 FRP 加固法） 是一种混凝土结 构加固的新技术。该方法是在混凝土构件需要加固 的部位开槽， 将 FRP 筋或 FRP 板条通过粘结材料嵌 贴于槽内， 使 FRP 材料与构件紧密结合， 达到提高构
［ 1 ］ 件承载力或可靠性的目的 。美国最早将该加固方 ［ 2 ］ 法应用于桥梁加固中， 取得了理想的效果 。
凝土 T 形损伤梁的试验， 研究了嵌入式 FRP 筋加固 梁的破坏模式、 极限承载力和刚度等力学性能， 分析 了 FRP 筋 纤 维 种 类 和 FRP 筋 表 面 特 性 对 嵌 入 式 FRP 筋加固梁受力性能的影响， 并建立相关剥离承 载力计算公式。 1 试验概述 1. 1 试件制作 试验设计了 4 根试验梁， 其中 BC 为不加固的 TG 为玻璃纤维光圆筋 （ GFRP 筋 ） 加固梁、 对比梁、 TC 为碳纤维光圆筋 （ CFRP 筋 ） 加固梁、 TLC 为碳 纤维带肋筋（ CFRP 筋） 加固梁。其中未加固梁未进 3 个加固梁在预裂之后才进行加固。 各试 行预裂， 验梁的外形尺寸相同， 均为钢筋混凝土 T 形 截 面 梁， 试 验 梁 的 跨 度 为 2 900mm， 计 算 跨 度 为 2 700 mm， 纵向受力钢筋为 2 12 ， 顶部架立筋为 2 8 ， 弯 剪段箍筋为 6 @ 75 ， 纯弯段箍筋为 6 @ 100 ， 试验 梁的构造见图 1 ， 加固方式见图 2 ， 基本参数见表 1 。
表4
破坏模式 A B B C
注： 破坏模式 A 为受拉钢筋屈服， 适筋梁弯曲破坏； B 为受拉钢 筋屈服， 主裂缝处 FRP 筋胶层界面破坏； C 为受拉钢筋屈服， 胶层混凝土界面破坏。
2. 2 梁的跨中荷载位移曲线 图 7 为试验梁的跨中荷载位移曲线。 从图 7
图3 试验室加载装置
可以看出， 加固梁的跨中荷载位移曲线上只存在一
FRP 筋的力学性能
材料种类 CFRP 筋 GFRP 筋 弹性模量 / MPa 1. 24 × 10 5 4. 10 × 10 4 延伸率 / % 0. 8 4. 8
表2
极限强度 / MPa 1 440 504. 2
XH111A / B 常固型环氧树脂粘结剂力学性能
力学性能 检测值 抗压强度 / MPa 81 弹性模量 / MPa 4. 8 × 10 3 抗拉强度 / MPa 33 伸长率 /% 1. 4
表3
结合力 / MPa 3. 32
1. 2 试验装置 试验采用两点静力加载方式， 分级加载， 每级荷 载为 2kN， 荷载由第一级零荷载开始， 逐级加载至极 加 限荷载。采用 NYL500 型液压试验机进行加载， 载装置如图 3 所示。 1. 3 量测内容及测点布置 试验量测的主要内容有： 跨中截面应变、 受拉纵
第 46 卷 第 5 期 2016 年 3 月上
建 筑 结 ar． 2016
嵌入式 FRP 筋加固梁抗弯承载力分析
郑志勇， 孙海平
（ 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 ，武汉 430056 ）
［摘要］ 通过两点静力荷载作用下 3 根表层嵌贴 FRP 筋加固的钢筋混凝土 T 形损伤梁的试验， 研究了嵌入式 FRP 筋加固梁的破坏特征和受力性能 。分析了 FRP 筋表面特征和 FRP 筋材料种类对加固梁破坏模式 、 极限承载力、 刚 度等方面的影响。试验结果表明： 嵌入式 FRP 筋加固方法能显著提高梁的屈服荷载和极限承载力； 加固量一定时， 带肋 CFRP 筋加固梁的极限承载力最高， 光圆 GFRP 筋加固梁的极限承载力最低 。在试验研究的基础上， 建立了剥 离破坏模式下嵌入式 FRP 筋加固梁的抗弯承载力计算公式， 计算结果与试验结果吻合较好 。 ［ 关键词］ FRP 筋； 嵌入式加固； 预裂 T 形梁； 极限承载力 中图分类号： TU375. 2 文献标识码： A 848X（ 2016 ） 05008006 文章编号： 1002-
试验梁的破坏模式及承载力
编号 BC TG TC TLC FRP 筋类型 — 光圆 GFRP 光圆 CFRP 带肋 CFRP 破坏荷载 / kN 提高程度 / % 31. 66 — 48. 46 55. 41 65. 82 53. 06 75. 02 107. 90
混凝土设计 强 度 等 级 为 C50 ， 实测混凝土立 方体抗压 强 度 标 准 值 为 53. 7 MPa 。 受 力 纵 筋 屈 服强度的实测 值 为 380 MPa 。 试 验 中 采 用 的 FRP 筋的力学性能 见 表 2 ， 粘结剂的主要力学性能见 表 3。
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建
筑
结
构
2015 年
图5
FRP 筋的滑移和裂缝形态
图8
加固梁 FRP 筋和未加固梁钢筋的荷载 位移曲线
加固梁粘结滑移性能 3. 1 加固梁粘结滑移模型 3 根据试验现象可知， 在 FRP 筋表面特征和 FRP 筋材料种类的影响下， 加固梁产生了两个界面间的 剥离破坏。 由 FRP 筋的荷载位移曲线可知， 这种 破坏主要是由于 FRP 筋产生了不同程度的滑移造 成的， 因 此， 着 重 从 加 固 梁 的 粘 结滑移关系开始 分析。 由于 FRP 筋混凝土与钢筋混凝土在结构上的 BPE 模型［5］也被成功地应用在 FRP 筋混凝 相似性， 土结构中
个转折点， 即加固梁的跨中荷载位移曲线变化分为 两个阶段： 第一阶段： 在加载初期， 位移曲线呈线性 关系， 在这个阶段， 加固梁上闭合的旧裂缝开始张 开， 并出现新的裂缝； 第二阶段： 钢筋屈服后， 位移曲 线上出现转折点， 斜率下降， 加固梁的刚度下降， 但 是与未加固梁相比， 刚度提高很多。 在这个阶段， FRP 筋的增强作用才得到了充分的体现 。 2. 3 梁 FRP 筋的荷载位移曲线 图 8 为加固梁 FRP 筋和未加固梁钢筋的荷载 位移曲线 。 从 图 8 可 以 看 出 ， 由于加固梁都是经 过预裂的 ， 因此 FRP 筋从加载开始就参与工作 ， 出 现了位移 的 变 化 。 通 过 对 比 可 知 ： 钢 筋 屈 服 前 ， FRP 筋的位 移 与 对 比 梁 钢 筋 的 位 移 是 一 致 的 ； 钢 FRP 筋的位移相比钢筋大大增加 ， 筋屈服后 ， 并且 光圆筋的位 移 较 带 肋 筋 的 要 大 ， 光圆筋的位移有 一个短暂的回缩过程 ， 可认为是由于 FRP 筋的 大 。 距离滑移造成的 试验梁的破坏形式也与 FRP 筋 的形式有关 系 ， 采用光圆筋加固的试验梁的破坏 以滑移为主 。
Flexural bearing capacity analysis of strengthened beam with nearsurface mounted FRP bars Zheng Zhiyong，Sun Haiping
（ CCCC Second Highway Consultants Co．，Ltd．，Wuhan 430056 ，China） Abstract： Based on the damage experimental study on four Tshaped reinforced concrete beams strengthened with nearsurface mounted FRP bars under two point static loads，the failure characteristics and mechanical properties of the beams were studied． The effects of FRP bar surface characteristics and FRP bar material types on the failure mode， ultimate bearing capacity and rigidity of the strengthened beams were analyzed． The experimental results show that the strengthening method with nearsurface mounted FRP bars can significantly improve the yield load and ultimate bearing capacity of the beam． And the ultimate bearing capacity of the beam strengthened with ribbed CFRP bars is the highest， while the ultimate bearing capacity of the beam strengthened with plain round CFRP bars is the lowest． On the basis of experimental study，the calculation formula of flexural bearing capacity of the beams strengthened by nearsurface mounted FRP bars under the delamination failure mode was established，and the calculated results were in good agreement with the experimental results． Keywords： fiber reinforced plastics bar； nearsurface mounted； precracked Tshaped beam； ultimate bearing capacity