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文档简介
1、混凝土结构粘贴FRP加固效率的影响因素分析摘 要:在以往学者所进行的FRP加固钢筋混凝土结构的试验研究基础上,分析影响FRP加固钢筋混凝土结构加固效率的主要影响因素,并定量分析其对加固效率的影响关系。在总结与分析的基础上得出了纤维材料的种类、FRP粘结强度、预应力度、FRP层数、构件的配筋率、FRP的粘贴方式、剪跨比、构件的截面形状等性能指标对加固构件的影响。正确分析性能指标与加固效率之间的定量关系可以引导我们在实际工程中正确选择高效的FRP加固。关键词:FRP加固效率; 性能指标 Analysis On the factors that influence the efficiency of
2、 RC structure strengthening with FRPAbstract:Based on the experimentation that RC structure strengthening with FRP conducted by the former scholar, analyse the main factors and analyse the quantificational relation between main factors and the strengthening efficiency .Obtain the main performance in
3、dex that the kind of FRP ,bond strength between FRP and RC structures ,degree of prestressing , layer of the FRP, reinforecement ratio of the RC structures, paste pattern of FRP , shear span ratio , the cross section of the RC structures and so on. which is relevant to the strengthening efficiency.
4、We can strengthen the RC structure highefficiency with a perfect uantificational relation between main factors and the strengthening efficiency . Keywords:strengthening efficiency of FRP; performance index前言我国目前应用最为广泛的结构大多为钢筋混凝土结构,由于结构自身缺陷、结构使用用途的改变、地震等自然灾害的破坏等原因带来的加固与修复需求量近年来明显增多,如何对混凝土结构经济高效的加固,便显
5、得非常重要。 纤维增强复合材料即FRP(fiber reinforced plastics)加固建筑结构技术是上世纪70年代从美国兴起,近十年在我国迅速发展起来的一种加固新技术。这种新型复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优良特性,采用FRP增强混凝土结构的加固技术具有施工简便、加固效率高、耐久性强等优势。近些年来国内外学者进行了大量的试验及理论分析研究,并在许多工程中使用,一些发达国家已经有了成熟的相关设计规范。我国起步较晚,但近十年来对FRP的关注和研究也取得了许多理论研究及工程应用的成果,并促进了国产FRP材及其配套粘结剂的发展。近五年来,国外在该领域的研究已经趋于成熟,研究的内容主要以多品
6、种FRP的加固方式、FRP在结构中的受力机理、被加固结构的长期耐久性、疲劳性能、抗震能力、抗火性能等为主,在试验的基础上进行大量的数值分析,以充分认识多因素对加固效果的影响。以往的研究大多是针对FRP加固混凝土结构构件的受力机理、设计理论和方法等问题,很少有学者探讨和研究FRP对混凝土结构的加固效率问题。效率被定义为一定的投入量所产生的有效成果,这里的加固效率是指对FRP用量与混凝土结构构件或结构整体的加固目标指标(承载能力或延性等)提高程度之间数值关系的评价,即定量分析FRP加固混凝土结构的效果,而以往的研究多为定性的讨论FRP用量与加固效果之间的关系。对FRP加固效率的研究分析有助于我们相
7、对正确的认识FRP加固方法与实际加固效果之间的关系,引导我们在实际工程中正确选择高效的FRP加固方法。本文以混凝土结构中梁、板、柱、节点等构件的FRP加固为基础,分析了影响FRP加固效率的主要因素, 为建立FRP加固效率的总体评价机制奠定基础。1影响各种FRP加固形式总体效率的主因素分析1.1 FRP材料种类不同品种的FRP材料粘贴在混凝土结构的表面其加固效果各不相同。常用FRP中的纤维种类有:碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)、芳纶纤维(AF)等,将单一品种的纤维浸渍在粘结剂中形成纤维增强复合材料(FRP),如CFRP、GFRP、AFRP等,将两种及两种以上的纤维复合在一起可以构成混杂纤维增强
8、复合材料(HFRP)等,它们各自的受力性能各不相同。CFRP是结构加固中综合性能最好,应用最广泛,使用量最大的一种复合材料。CFRP具有无可比拟的优点:高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳和易加工性,但它突出的缺点就是延伸率低,脆性强,价位高,材料的性价比并不高于其他FRP材。GFRP和CFRP相比,强度稍低,但延伸率高,价格便宜,易于推广,突出缺点是弹性模量相对较低、耐碱性稍差。AFRP优点是具有较好的韧性,缺点是抗压强度较低。已有的研究表明 24 : CFRP粘贴在混凝土表面能够有效提高构件的承载能力、增大结构的刚度,其中混杂适当比例的 AF或GF能明显改善构件或结构的延性。国内外专家学者对不同
9、品种纤维增强复合材料加固混凝土结构构件做了许多试验研究。Habib与A.A Maghsoudi 两位教授开展了各种FRP加固混凝土连续梁的抗弯性能研究1,彭亚萍等开展了各种FRP加固混凝土框架T形节点抗震性能的研究3,其试验数据如表1所示。这些试验结果表明:等量的CFRP与GFRP相比(SC3与SG3相比),CFRP加固构件的承载能力要高于GFRP,但GFRP加固构件的延性要好于CFRP;在纤维体积用量基本相同的前提下,CF与GF混杂在一起工作性能良好,与CFRP相比,其承载能力下降幅度很小,但延性明显改善(如SC3与SC1G1相比),与GFRP相比,其承载能力变化不大,但延性明显提高(如SG
10、3与SC1G1相比、GRJ-1与HRJ-1相比)。由于GF的材料价格成本要低于CF,故层间混杂的HFRP表现出更高的性价比。故对于混凝土构件局部截面的承载能力加固推荐采用CFRP,对于混凝土结构的抗震加固推荐采用GFRP或HFRP。表1 各种FRP加固混凝土结构构件的效果分析加固类型构件编号FRP种类及用量极限荷载/kN极限荷载提高比例/%延性系数延性系数提高比例/%梁的CB1未加固162.0/1.32抗弯SC313层CFRP259.359%2.2368%加固SG313层GFRP222.637%2.96124%SC1G111层CFRP + 1层GFRP224.638%4.39232%节点J-1
11、3未加固31.4/3.97抗震GRJ-132层GFRP37.118%6.5364%加固HRJ-131层CFRP + 1层GFRP38.923%8.36110%文献2的研究也证明了混杂FRP在混凝土结构抗震加固中表现出的优良性能,如邓宗才等人进行的混杂FRP加固腐蚀混凝土柱抗震性能试验研究结果表明,HFRP具有优良的综合性能,用于加固腐蚀柱可以使柱由脆性破坏转变为延性破坏,显著改善柱的抗震性能,与腐蚀未加固柱相比HFRP加固柱的位移延性系数、累积耗能最大可分别提高123%和12.5倍。1.2 FRP的预应力度大小针对纤维布在加固钢筋混凝土构件时性能不能充分发挥和在使用中加固效果不明显,对构件开裂
12、荷载提高程度不大,难以抑制裂缝发展的问题,在试验研究的基础上预应力FRP 加固技术随之出现,即在加固之前先将纤维布进行一定程度的张拉,预应力FRP相比而言预应力FRP加固技术具有以下的优势: (1) 能够减少应力滞后现象,发挥FRP 材料的高强性能; (2) 对结构的整体刚度和抗弯承载力都有明显的提高。砼梁粘贴纤维复合材料后,加载初各梁的挠度基本相同,加固梁略大于未加固梁,这表明在混凝土开裂前,加固梁刚度于未加固的刚度相差不大此时纤维未发挥明显作用,在梁开裂后纤维布作用才逐渐明显,所以在加固之前给纤维布施加一定的预应力度。Zong-cai Deng等4对预压AFRP板加固砼梁进行了研究,并绘制
13、成下图: 0510152025.5626.4极限弯矩2.282.586.168.072.582.2815.423.0225.3926.425.56B0SBPSB-1PSB-2PSB-3图1 预压AFRP板加固砼梁的开裂弯矩及极限弯矩图其中: 代表开裂弯矩, 代表极限弯矩B0代表未加固梁,SB代表梁底粘贴两层未预压AFRP板,PSB-1梁底粘贴两层预压程度为0.45的AFRP层,PSB-2梁底粘贴两层预压程度为0.55的AFRP层,PSB-3梁底粘贴两层预压程度为0.65的AFRP层,预压程度=对AFRP施加的预压应力/AFRP的极限压应力。SB相比B0由上表我们可以看出与未加固柱相比SB,PS
14、B-1 ,PSB-2,PSB-3,均能很大程度的提高梁的极限弯矩,但是SB对提高梁的开裂弯矩贡献非常小,而施加预压应力的AFRP可以极大的提高梁的开裂弯矩,所以对于那些裂缝等级要求严格的构件来说,对FRP施加预应力是一个有效的方法,但预应力的施加也并非越大越好,从上表可以考出随着对AFRP施加预应力的增加,梁的极限弯矩提高并非线性增加,而是增加的幅度越来越慢。叶列平等也对预应力CFRP加固砼梁进行了试验研究5试验,同样得出与普通CFRP加固相比,预应力CFRP加固砼梁可以延缓开裂,减小构件挠度和裂缝宽度,提高屈服荷载,从而可以满足正常使用极限状态的设计要求。周长东等预应力FRP片材加固混凝土墩
15、柱的研究6进展中提出此加固方法能够避免FRP片材的应变滞后,充分发挥FRP片材的高强特性,促使原有混凝土裂缝的弥合,限制裂缝的发生和开展,提高柱的耐久性。1.3 FRP与构件的粘结强度FRP与构件能否有效粘结直接影响FRP的加固效率,对FRP加固其它因素的分析都建立在FRP与构件的可靠粘结基础上。叶列平等对CFRP布在砼梁受弯加固中抗剥离性能进行试验研究7得出(1)CFRP布粘贴于砼梁底,对梁进行受弯加固时,很容易产生剥离破坏,应采取一定的措施,提高梁底CFRP布的抗剥离能力,使加固效果得到充分发挥。(2)剥离破坏是在粘结界面上的水平剪应力和竖向正应力共同作用下发生,剪弯段的斜裂缝是导致梁底C
16、FRP布剥离破坏的主要原因,合理设置CFRP布U形箍,可较好的地抑制斜裂缝发展,减小粘结界面上的法向拉应力,使面内剪切粘结强度充分发挥,从而有效提高抗剥离能力。(3)仅在粘结延伸长度端部设置U形箍,对延缓剥离破坏发展作用不大。这是因为U形箍剥离破坏的起始位置在加载端,设置位置远离剥离起始点,剥离发展到U形箍位置时,梁底CFRP布的拉应力和产生的滑移均较大,U形箍转角处瞬间被剪坏。(4)当采用在梁粘结延伸长度范围内均布U形箍时,净间距可建议取不大于梁高的1/4,高度不低于梁高的1/2,可以较好地抑制斜裂缝的发展,避免梁底CFRP布与混凝土界面产生法向拉应力而过早导致剥离破坏FRP加固其他构件时进
17、行表面处理也是K确保FRP与构件之间的有效粘结,从而保证加固效率。2. 影响混凝土梁受弯加固效率的主因素分析梁的受弯加固主要是在梁底粘贴纤维布。2.1 FRP粘贴层数(加固量)Xin Zhang等8对CFRP板加固钢筋混凝土梁的力学性能进行了分析文章提出CFRP层数对梁的抗弯强度和抗弯刚度都有明显的提高,但随层数增加承载力提高幅度逐渐减缓,因为随层数增加纤维布之间的更容易脱粘。陈绪军9等对8根玄武岩纤维复合材料(BFRP)加固梁和3根对比梁进行了抗弯性能试验研究、根据上述文献得出BFRP加固钢筋混凝土梁使梁的刚度、极限承载力,延性都有所提高,且提高幅度随着粘贴层数的增加而增加,但随层数增加承载
18、力提高幅度逐渐减缓。极限荷载与粘贴层数的关系如下图所示。图2 极限荷载与粘贴FRP层数之间的关系3梁的受剪加固对砼梁进行受剪加固是另一种常见的加固形式。3.1 FRP的粘贴方式陆新征等10总结了工程中常用的受剪加固方法:(1)侧面粘贴(2)U型粘贴(3)包裹粘贴。由于结构形式的制约通常前两种方法应用比第三种广泛。Salvador Dias等11对梁的抗剪进行的研究 图3 CFRP粘贴角度与梁的极限抗剪承载力之间的关系注.:每组条形图的前者所用混凝土抗压强度为39.7MPa:后者所用混凝土抗压强度为18.6MPa: 由上图可以看出 不仅混凝土强度,纤维片含量对纤维片抗剪有影响,粘贴纤维片的角度对
19、构件抗剪也有极大地影响,前三组构件在纤维含量试件本身条件相同的情况下,侧面粘贴纤维片的角度依次为,45度,60度,90度,由直方图看出45度粘贴时抗剪承载力最大而90度粘贴时抗剪承载力最小。另有等12也对GFRP粘贴方式对T型梁的抗剪强度进行了研究,表2 GFRP粘贴T型梁、粘贴方式对梁抗剪强度破坏荷载及剪力提高试件代号破坏荷载KN剪力提高%S0-0L无箍筋且未加固加固构件100S200-0L箍筋间距200mm但未加固160S200-1L-90箍筋间距200mm且在梁侧面与轴向成90度粘贴GFRP1727.5S200-1L-45箍筋间距200mm且在梁侧面与轴向成45度粘贴GFRP18213.
20、75S200-1L-U-90箍筋间距200mm且在梁侧面与轴向成90度粘贴U型GFRP18616.25由上表可以看出粘贴纤维片材的确可以提高梁的抗剪承载力,而纤维布的侧面粘贴角度直接影响加固的效果,对于侧面粘贴,45度粘贴时构件剪力提高值最明显,如果不选择侧面粘贴,U型粘贴的加固方式也能对剪力提高有很大的贡献。3.2 梁的剪跨比FRP随梁的剪跨比越大加固效果就越好,Xin Zhang等8对剪跨比对构件抗剪承载力也有阐述:随剪跨比的增大加固效率会相应提高,因为构件的剪力主要通过桁架传输机理,而较大的剪跨比可以可以使纤维布有较大的拉应变。影响梁的抗剪承载力的因素除了以上两个影响较大以外还会梁混凝土
21、强度,梁的配箍率影响,混凝土强度越高纤维的强度发挥就越高;梁的配箍率越小加固后抗剪提高越明显。谭壮,叶列平等16研究了剪跨比与FRP最大拉应变关系线。 图4 剪跨比与FRP最大拉应变关系线从上图可以看出随剪跨比的增大FRP的最大拉应变逐渐增大,即随剪跨比的增大加固效果越好4轴压柱加固4.1 柱的截面形状柱截面截面形状的不同直接影响构件加固后轴压强度的提高,潘景龙等13通过圆形,矩形,矩形倒圆角和矩形改椭圆形截面的混凝土柱经纤维材料包裹后的轴压实验,证实圆形与椭圆形截面柱能较好的利用纤维材料的抗拉能力,获得良好的加固效果,原因在于这些截面的周边从受荷一开始就存在侧向约束作用。祝军权等14也提出F
22、RP约束方形截面混凝土柱,相对于圆形截面柱,由于其截面形状、拐角处的应力集中、其强度和延性的提高幅度有一定程度的降低。对于方形或矩形等非均匀约束截面,FRP的约束效果要差,大都出现软化现象。来文汇等15通过对三种不同截面形状FRP约束混凝土应力-应变关系的试验研究得出在相同外包刚度情况下,圆形截面加固效果最好,圆弧化处理截面次之,方形倒角截面承载力提高较为有限,建议实际工程中可将方形截面倒角后处理成圆弧化截面。4.2 FRP的包裹方式等17研究了CFRP的包裹方式对素混凝土柱抗压强度的影响试件及加固方式如下: 表3 CFRP的包裹方式对素混凝土柱抗压强度影响构件代号极限承载力Ksi极限承载力提
23、高%P-1未加固素混凝土2.346P-2用CFRP全裹素混凝土柱3.7358.7%P-3在柱中部用宽100mmCFRP加固2.7316.1%P1S-1用宽为25mm的CFRP每隔25mm加固5.267124%P1S-2用宽为25mm的CFRP每隔50mm加固4.166777.4%P1S- 3用宽为25mm的CFRP每隔75mm加固3.63454.3%P3S-1在P1S-1基础上同时柱中部用100mm宽CFRP加固5.833148%P3S-2在P1S-2基础上同时柱中部用100mm宽CFRP加固4.3685.5%P3S-1在P1S-3基础上同时柱中部用100mm宽CFRP加固3.4345.9%(
24、此试验构件直径D=150mm,高度300mm)图5 FRP粘贴方式对柱抗压强度的影响由以上数据表得到的直观图如下: 由上图可以看出间隔25mm包裹柱的抗压强度比对比柱提高了125%,间隔25mm包裹柱并在柱的中间粘贴100mm宽的纤维布比对比柱提高了149%,而全裹柱的轴压强度提高程度不如以上两种方式高。Haterm M等18也研究了纤维布包裹柱的粘贴方式,在加固量相同的情况下连续粘贴两层CFRP的加固效果,要好于分层粘贴,除了柱的截面形状,FRP的加固方式对轴压强度有影响,随粘贴层数的增加轴压强度增加但增加的速率逐渐减慢,不成线性比例,一般加固不超过三层。加固强度较低的混凝土,轴压承载力提高
25、幅度要比强度高的混凝土大。5柱的抗震加固5.1 FRP的包裹方式周长东等对GFRP加固混凝土柱的抗震性能进行了研究19试验得出沿柱高全包加固柱在试验过程中均能保持柱身的完整,极限承载力与延性都比采用条带间隔加固效果好。图6 全包加固与条带间隔加固的承载力大小关系所以对柱抗震加固时采用全包加固效果比较好。同时文献19也对FRP加固用量做了一些研究,在试验中直至试件破坏,在柱根部1.5倍的柱截面高度区域内纤维布应变较大;超出这一区域的纤维布应变值非常小,说明在上述区域之外横向纤维布几乎没发挥什么作用。图 7纤维布应变分布与柱高的关系。由上图可知在满足受力的前提下,在柱潜在塑性铰区域两倍柱截面高度的
26、范围内粘贴纤维布即可满足要求。等20也对纤维包裹柱也有研究从柱底开始包裹包括塑性铰区,当纤维布长度超过1.2D(D为柱的直径)时抗震加固效果与全裹柱时的效果相当。下图中红曲线与黑曲线重合,红色纤维包裹长度为1.2D,黑色为全裹柱;中间曲线为包裹长度0.5D。总结以往学者的研究笔者认为对于抗震加固柱纤维布从柱底粘贴并覆盖塑性铰区,只要长度为1.2D便可以达到经济高效的目的。图8柱的横向应变与侧向荷载之间的关系5.2 柱的轴压比周长东等19关于轴压的试验数据如下表4轴压比大小对柱的极限荷载与延性的影响试件编号轴压比极限荷载KN延性系数K70.17946.1711.32W20.35768.43.43
27、K10.53673.884.88注:上述三构件除轴压比不同外,其它条件均相同轴压比对于柱的加固效果影响较大,低轴压比柱加固后位移延性提高幅度很大,高轴压比柱加固前为小偏压破坏,延性很小,破坏很突然,加固后柱的破坏形式变为延性较好的大偏压破坏。邓宗才等通过试验也得出混杂纤维在高轴压比0.72宽箍筋间距下对混凝土柱的延性改善效果优于低轴压比0.33由于在高轴压比、宽箍筋间距下、混凝土的横向膨胀变形较大,即纤维布对柱的横向约束作用更强,纤维布的使用效率较高。等对轴压比与侧向荷载的关系总结如下由下图可以得出随着轴压比的增大侧向荷载的峰值增加明显,但极限侧向位移降低明显,柱的峰值侧向荷载开始降低,当轴压
28、比超过0.6时。 图9轴压比对侧向荷载与侧向位移的影响另外刘英磊等【21】对7个试件在高轴压比下承载力和延性进行了研究并得出高轴压比下增加柱的纤维加固量并不能增加其水平承载力。6 梁柱节点组合体的加固6.1 FRP的加固方式王步等【22】提出了3种基于CFRP的抗震加固混凝土外节点的方法。I碳纤维布加固方法、II碳纤维布角钢组合加固方法、III 碳纤维布混凝土梁加腋组合加固方法。表5 3种方法加固框架节点的实验结果试件极限荷载(KN)提高极限位移(mm)提高未加固对比柱65.223按I方法加固柱82.1263865按II方法加固柱100.7553970按III方法加固柱94.2454283在按
29、III方法加固柱后在加腋区又添加了角钢89.53750117由上表可知组合加固法相对于单纯的碳纤维布加固方法能够进一步改善节点组合体的抗震性能,其中碳纤维布角钢组合加固方法适用于需要大幅度提高节点组合体系承载力的加固情况,而碳纤维布混凝土梁加腋组合加固方法对于改善以梁端塑性铰的变形能力为基础的节点延性性能的加固情况非常有效,同时能显著提高节点的承载力。同样有学者研究了节点核心区纤维粘贴角度对FRP加固效率的影响【3】 表6纤维粘贴角度对FRP加固效率的影响试件极限荷载(KN)极限荷载提高极限位移(mm)极限位移提高位移延性系数位移延性系数提高未加固构件31.429.83.972层纤维(节点区纤
30、维条采用0度)加固方式38.923.8948.562.77.793.9%2层纤维(节点区纤维条采用±45度)加固方式38.522.6152.2575.3%8.36110%节点区纤维粘贴角度对节点抗震性能有一定的影响,与沿轴线方向粘贴纤维的加固方式相比,±45度方向粘贴纤维对构件承载能力和刚度及其退化特性的而影响并不大,但可以显著提高构件的延性和耗能能力,从而提高节点的总体抗震性能。Ahmed Ghobarah等【23】研究梁柱节点的抗剪加固,主要提出了几种可行的加固方法来提高FRP加固节点的效率。其中最采用三层斜向交叉CFRP加固后的柱滞回曲线最饱满。7 结论在分析大量学者
31、的文章之后,提出了影响FRP加固效率的几个性能指标,纤维材料的种类、FRP粘结强度、预应力度、等对FRP加固砼构件都有影响。FRP层数及构件的配筋率影响梁的抗弯加固效果, FRP的粘贴方式与梁的剪跨比对梁的受剪承载能力有影响,FRP的包裹方式、柱的截面形状对柱的轴压承载力有影响。柱的轴压比与FRP包裹方式影响柱的抗震性能。对FRP加固梁的节点加固效果有影响的因素FRP的粘贴方式。本文不仅定性的分析了性能指标与加固效率的关系,而且给出了性能指标与加固效率之间的数量关系,便于施工人员判断用已有构件用FRP进行加固是否合理,以及如何用FRP经济高效的加固构件,但是还有一些指标可能还未经实验验证,但对
32、FRP加固有深远的影响,或者有些指标与加固效率之间的关系还需要更多的试验去量化,这是研究中需要努力的地方。参考文献:1 Habib Akbarzadeh,A.A .M aghsoudi. Flexural Strengthening of RC Continuous Beams Using Hybrid FRP Sheets The 5th International Confererence On FRP Composites in Civil Engineering. September 27-29,2010,Beijing, China 739-743.2 邓宗才, 李建辉, 张小冬,
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