2023年应用新型延性纤维增强聚合织物对混凝土梁的加固.doc

美国混凝土协会结构期刊 技术卷 标题编号：99-S71 应用新型延性纤维增强聚合物对混凝土梁的加固 Nabil F. Grace, George Abel-Sayed, Wael F. Ragheb ： 一种新型单向延性纤维增强聚合〔FRP〕物已经被研究，研制和生产〔在劳伦斯理工大学结构试验中心〕以用于结构加固。这种织物是两种碳纤维和一种玻璃纤维的混合物，而且经过设计它们在受拉屈服时应变值较低，从而体现出伪延性的性能。通过对八根混凝土梁在弯曲荷载作用下的加固和检测对研制中的织物的效果和延性进行了研究。用现在常用的单向碳纤维薄片、织物和板进行加固的相似梁也进行了检测，以便同用研制中的织物加固梁进行性能上的比拟。这种织物经过设计具有和加固梁中的钢筋同时屈服的潜力，从而和未加固梁一样，它也能得到屈服台阶。相对于那些用现在常用的碳纤维加固体系进行加固的梁，这种研制中的织物加固的梁承受更高的屈服荷载，并且有更高的延性指标。这种研制中的织物对加固机制体现出更大的奉献。 关键词： 混凝土，延性，纤维加固，变形 介绍 外贴粘合纤维增强聚合物〔FRP〕片和条带近来已经被确定是一种对钢筋混凝土结构进行修复和加固的有效手段。关于应用外贴粘合FRP板、薄片和织物对混凝土梁进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能，一些试验研究调查已经进行过报告。Saadatmanesh和Ehsani〔1991〕检测了应用玻璃纤维增强聚合物(GFRP)板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Ritchie等人〔1991〕检测了应用GFRP，碳纤维增强聚合物〔CFRP〕和G/CFRP板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Grace等人〔1999〕和Triantafillou〔1992〕研究了应用CFRP薄片进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Norris，Saadatmanesh和Ehsani〔1997〕研究了应用单向CFRP薄片和CFRP织物进行加固的混凝土梁的性能。在所有的这些研究中，加固的梁比未加固的梁承受更高的极限荷载。这些梁中大多数出现的一个缺陷是梁的延性有很大的损失。然而通过对梁的荷载-挠度性能的测试，可以发现大多数荷载的增加是在钢筋屈服后发生的。也就是说，极限荷载明显提高，然而屈服荷载却没有太大提高。因此在正常使用水平荷载的明显增加很难实现。 除去加固前混凝土构件条件的影响，钢筋对加固梁的弯曲反响有明显的奉献。而可惜的是，现有的FRP加固材料和钢材性能不同。虽然FRP有很高的强度，但是它们多数在提高足够的强度之前被拉伸而产生很大的应变。因为同大多数FRP材料的极限应变相比，钢材的屈服应变相对较低，所以随着加固构件的变形，钢材和FRP加固材料的奉献发生了变化。结果，钢筋可能会在加固构件取得任何可测荷载增加值之前就屈服了。一些研究者在横截面布置了更强的FRP，这通常会增加加固的本钱，进而提供可测的奉献，尽管这时变形是受限制的〔在钢筋屈服之前〕。但是，加固材料从混凝土外表的剥落更多的时候是由于应力集中的原因发生的。剥落是这项加固技术中不出现的一种脆性破坏。尽管使用一些类似超高模量碳纤维的特别的低应变纤维看起来是一种解决方法，但这可能导致由于纤维破坏而产生脆性破坏。本文旨在介绍一种新型伪延性FRP织物，它在屈服时应变低从而具有与钢筋同时屈服的潜力，能够实现期望中的加固水准。 研究意义 FRP已经被越来越多地用做钢筋混凝土结构修复和加固的材料。但是现在常用的FRP材料缺少延性，并且与钢筋性能不一致。结果，经过加固处理的梁会体现出延性降低，不能到达期待中的水平，或者二者兼有。本项研究介绍了一种新型的伪延性FRP加固织物。这种织物可以使加固梁承受更高的屈服荷载，并且有助于防止延性的损失，而这在使用目前常用的FRP进行加固中是常见的。 混杂织物的研制 为了克服前面所提的缺陷，一种具有低屈服应变值的延性FRP材料是很必要的。 混杂的文献回忆 为了研制这种材料，考虑了各种不同纤维的混杂。多于一种纤维材料的混杂是许多材料科学研究的兴趣所在。他们的工作多数集中于结合两种纤维以提高每种材料单独工作时的力学特性并且降低本钱。这已经在几本出版物中报道过,例如Bunsel和Harris〔1974〕，Philips〔1976〕，Manders和Bader〔1981〕，Chow和Kelly〔1980〕，以及Fukuda和Chow〔1978〕。做为一种能够克服FRP加固棒延性缺乏问题的工具，混杂吸引了结构工程师。Nanni,Henneke和Okamoto〔1994〕研究了用编织芳香尼龙纤维绕在钢筋核心的短棒。Tamuzs和Tepfors报道了关于使用碳和芳香阻尼纤维进行组合而成的混合纤维棒的试验调查。Somboonsong，Frank和Harris〔1998〕研制了一种用编织芳香尼龙纤维缠绕在碳纤维核心的混合FRP加固棒。Harris，somboonsong和Frank〔1998〕使用这些棒对混凝土梁进行加固，以得到用常规钢筋进行加固的混凝土梁的普通荷载-挠度特性。 设计思想和材料 为了产生延性，一种使用不同种类纤维的混杂技术已经被采用。选用了在破坏时有不同延长量级的三种纤维。图1显示了这些复合纤维在拉伸时的应力-应变曲线，表1显示了它们的力学特性。 这项技术是建立在将这些纤维结合起来并控制配合比例的根底上的，这样当它们被拉伸时共同承受荷载，延伸小〔LE〕的纤维先破坏，允许一定的应变松弛〔应变增加而混合材料的荷载却并未增加〕。余下的延伸大〔HE〕的纤维被分配承当所有的荷载直到破坏。延伸小的纤维破坏时的应变值体现了混合材料屈服应变值，而延伸大的纤维破坏时的应变值体现的是极限应变值。延伸小的纤维破坏时对应的荷载体现的是屈服荷载值，而延伸大的纤维承当的最大荷载体现的是极限荷载值。超高模量碳纤维〔1号碳〕被用做延伸小的纤维，它应有尽可能低的应变，但不得小于钢筋的屈服应变〔60级钢筋大约为0.2%〕。另一方面，Ｅ型玻璃纤维被用做延伸大的纤维，应能提供尽可能高的应变而产生高延性指标〔破坏时的变形和屈服时的变形的比例〕。高模量碳纤维〔２号碳〕被选做了延伸中等〔ME〕纤维，它使在延伸小的纤维破坏后发生应变松弛时荷载的降低最小化，并且能够提供从延伸小的纤维向延伸大的纤维逐渐传递荷载的途径。基于这种思想，生产了一种单向织物，并进行了测试，将它在拉伸时的性能和理论预测的承载性能做了比照。理论上的性能建立在混合物规那么上，根据这种规那么，混合物的轴向刚度是将各组成局部的相对刚度进行总合计算得到的。这种织物的生产过程是，将不同的纤维做为相邻的纱线结合起来，并将它们用环氧树脂注入模具中。图２就是一个生产样品的照片。编织而成的玻璃纤维片布置在试样的两端，以消除测试中固定端的应力集中。试样厚２mm〔0.08in〕，宽25.4mm〔1in〕，在拉伸时根据美国材料实验协会Ｄ3039标准进行测试。四个测试样品的平均荷载-应变曲线见图3，上面还有理论预测的曲线。应该注意到直到应变值到达0.35%，荷载-应变性能都是线性的，这时延伸小的纤维开始破坏。在这一点上应变增长的速率高于荷载。当应变值到达0.90%时，中等延伸的纤维开始破坏，导致应变有附加的增长，直到由于延伸大的纤维破坏带来试样的彻底破坏。可以测试到屈服荷载〔荷载-应变曲线上性能去不再为线性的第一点〕为0.46kN/mm〔2.6kips/in〕,极限荷载为0.78kN/mm〔4.4kips/in〕。 梁的测试 梁的详细情况 一共浇筑了13根钢筋混凝土梁，横截面尺寸为152×254mm〔6×10in〕，长2744mm〔108in〕。梁的受弯钢筋由底部的两根5号〔16mm〕受拉钢筋和顶部的两根3号〔9.5mm〕的受压钢筋组成。为防止发生剪切破坏，使用162mm长的3号钢筋扎成闭合镫形对梁的抗剪进行进一步的加固。有5根梁浇筑时角部做成半径25mm〔1in〕的圆角，从而易于加固材料的安置。图4显示了梁的尺度、钢筋详图、支座和加载点的位置。使用的钢筋为60等级，屈服强度415MPa〔800psi〕。 加固材料 研制中的混合织物用于加固8根梁。使用了两种不同厚度的织物。第一种〔H体系，t=1.0mm〕厚度1.0mm〔0.04in〕，第二种〔H-体系，t=1.5mm〕厚度1.5mm〔0.06in〕。其他四根梁使用现在常用的碳纤维加固材料进行加固：1〕一层单向碳纤维薄片，极限荷载0.34kN/mm〔1.95kips/in〕；2〕两层单向碳纤维织物，极限荷载1.31kN/mm〔7.5kips/in〕；3〕一层固体玻璃谈碳纤维板，极限荷载为2.8kN/mm〔16kips/in〕。对这些材料测试得到的荷载-应变图见图5。表2给出了包括研制中的织物在内的加固材料的特性。 粘结材料 对这种混合织物，使用一种环氧树脂〔环氧A〕注入纤维，并做为织物和混凝土外表的粘结材料。这种环氧材料极限应变为4.4%，从而保证不至于在纤维破坏之前破坏。对于使用碳纤维薄片、板和织物加固的梁，使用的是极限应变为2.0%的环氧树脂〔环氧B〕。由生产商提供的粘结材料的力学特性见表3。 加固 在梁的底部和两侧喷砂以使其外表粗糙。然后使用丙酮除去污物对梁进行清洁。采用两种加固构造：1〕只在梁底面布置加固材料〔A组梁〕；2〕除对梁底部外，在梁两侧各伸长152mm〔16in〕，大概能覆盖住梁的受弯拉伸局部〔B组梁〕。加固材料沿梁长度布置在中心，长达2.24m〔88in〕。环氧在对梁进行测试前要进行两周的养护。对研制中的混合织物〔H-体系〕加固的梁，制备了两根，并对各种构造进行测试来证实结果。表4对梁的检测进行了汇总。 仪器 跨中FRP的应变通过布置在梁底面的三个应变片测量。测量A组梁钢筋拉伸应变是通过监控在梁的侧面与钢筋棒平行处测量点设置的DEMC〔可拆式机械计量器〕，而B组梁使用的是应变片。跨中挠度是通过使用串行电位计测量的。使用液压器对梁加载。荷载有一种荷载电池测量。所有的传感器同数据采集系统相连以扫描并记录读数。 试验结果和讨论 控制梁 控制梁的屈服荷载82.3kN〔18.5kips〕，极限荷载95.7kN〔21.5kips〕。梁由于钢筋屈服而破坏，随之跨中混凝土受压破坏。控制梁的试验结果见加固梁的试验成果图上〔图6至15〕。 A组梁 A组梁已在底面进行了加固。图6至11显示了这些梁的试验结果。H-50-1梁和H-75-1梁分别和H-50-2梁和H-75-2梁各自的结果非常接近，因此关于这些梁的讨论就集中于后两者，以防止重复。梁的延性通过计算延性指数来考察，即计算破坏时与屈服时的挠度之比。 图6〔a〕显示了C-1梁的荷载-跨中挠度关系图，C-1梁使用碳纤维薄片进行加固。梁在荷载为85.9kN〔19.3kips〕时屈服，在荷载为101.9kN〔22.9kips〕时由于碳纤维薄片的开裂而破坏。值得注意的是，从这幅图中看来，虽然有了延性性能，但是同控制梁比起来，屈服荷载只提高了4%。延性指数为2.15。图6〔b〕显示了跨中荷载-碳纤维应变关系图。 图7〔a〕显示了C-2梁对应的荷载-挠度曲线。这根梁使用固体玻璃碳纤维板进行加固。它没有屈服台阶〔延性指数为1〕，在荷载为132.6kN〔29.8kips〕时由于板端部的受剪-受拉破坏而突然破坏。尽管荷载提高了61%，但破坏仍是脆性的。图7〔b〕显示了跨中荷载-碳纤维应变关系。碳纤维破坏时记录的最大应变为0.33%，这意味着板的承载力发挥了24%。 C-3梁的荷载-挠度关系见图8〔a〕。该梁由两层碳纤维织物加固。它在荷载为107.7kN〔24.2kips〕时屈服，在荷载为134.4kN〔30.21kips〕时由于织物的剥落而破坏，此时它并未如控制梁那样显示出任何明显的屈服台阶。延性指数是1.64。值得注意的是，在图8〔b〕中破坏时记录到的碳纤维应变的最大值为0.67%，这意味着纤维承载力大约发挥了48%。 图9〔a