石梁表层嵌埋cfrp筋组合石梁粘结性试验研究

石梁表层嵌埋cfrp筋组合石梁粘结性试验研究

石质建筑具有强烈的建筑特色和悠久的历史，长期以来是人类文明的主要形式。石结构因其优越的耐久性、高强抗压强度和天然质朴观感,在我国许多地区,特别是福建沿海,仍有广泛应用。然而由于石材存在天然裂隙,属脆性材料,当用作受弯构件时往往抗弯能力不足,冲击荷载下尤其容易脆断,这些缺点严重制约了石结构的应用范围。为拓宽现代石结构建筑的应用范围,同时为研究既有石结构受弯构件的加固技术,项目组借鉴了FRP嵌入式(Near-surfaceMounted,简称NSM)加固方法,提出了在石梁受拉区开槽嵌入CFRP筋的组合石梁技术。国内外在NSM法加固混凝土梁以及表层嵌贴FRP粘结承载力与粘结机理研究方面取得了一定进展[3―9]。DeLorenzis等通过对梁式[3―5]和直接拉拔[5―7]两种试件的试验,较为全面的研究了FRP筋的粘结性能,涵盖了较多种类的FRP筋、不同嵌贴材料、槽尺寸及表面特征等。试验结果表明,在劈裂破坏方式下,极限承载力与粘结剂自身强度、开槽尺寸、FRP筋表面特征及锚固长度等有关。国内一些学者也通过直接拉拔试验混凝土表层嵌贴CFRP板条的粘结机理、粘结承载力进行了相关的研究和应用[10―11]。嵌埋CFRP筋组合石梁中CFRP筋、粘结剂与花岗岩之间的粘结性能研究是嵌入CFRP筋的组合石梁技术的关键问题。国内外迄今尚未见到有关FRP筋(板)嵌入石材粘结锚固性能的相关研究报道。本文通过26个试件的拔出试验,首次对石材表面嵌埋CFRP筋的粘结性能进行研究。研究成果将对CFRP筋嵌入组合石梁的设计及相关技术的研发提供依据。1试验与研究1.1试验用cfrp筋拔出试件如图1所示,其中花岗岩石材的形状为长方体,其横截面均为150mm×150mm,开槽宽度为b=2Db,Db为CFRP筋的直径。为方便加载,在CFRP筋加载端设置了长度略大于嵌贴长度的钢套管,在套管中灌入结构胶,将CFRP筋加载端植入其中。试验研究参数包括CFRP筋直径Db、嵌埋长度lb和粘结剂保护层厚度,试件具体参数见表1中试件编号。表1中试件编号含义:D表示CFRP筋直径,L表示嵌贴长度,k表示粘结剂保护层厚度与CFRP筋直径的比值。比如,试件编号D5-L30-k1表示CFRP筋直径为5mm,嵌贴长度为30倍直径,CFRP筋表层粘结剂保护层厚度为1倍直径。试验所用花岗岩石材立方体平均抗压强度值为128.5MPa,劈裂强度为8.3MPa。CFRP筋抗拉强度为2000MPa,抗拉模量为150GPa。试验使用了2种粘结剂,均为A、B双组分环氧基树脂,简称为L和U。1.2试验测量参数为研究FRP筋嵌入石材粘结锚固性能,项目组专门研制了专用拉拔试验装置,如图2所示。拉拔力通过液压穿孔千斤顶缓慢施加,加载速度控制在1MPa/s―2MPa/s。试验测量参数包括:1)在千斤顶与加载板间安装了穿孔式压力传感器,以实时采集拉拔力;2)在CFRP筋表面设置了应变计,以观测加载过程中嵌埋段CFRP筋的应力分布;3)在CFRP筋的拉拔端和自由端安装了高精度电子位移传感器,以测量拉拔过程中CFRP筋的滑移。加载过程中,荷载、加载端的滑移、自由端的滑移以及CFRP筋的应变均由DH3816静态应变测试系统连续采集,采集时间间隔为3s。2试验结果及分析2.1加载端钢筋套管端部分布试件破坏形式如图3所示,主要有以下3种破坏形态:1)CFRP筋拉断破坏(TF);2)CFRP筋-粘结剂界面滑移破坏(BE-I),粘结剂表面可能出现纵向可见裂纹;3)沿槽角花岗岩劈裂破坏(FRG),个别试件伴有粘结剂保护层纵向劈裂破坏(FRG-SP)。CFRP筋被拉断时有明显的断裂面,且多集中于加载端钢筋套管端部附近(图3(a))。因CFRP筋拉断破坏时能量的突然释放,往往伴随其它破坏形式发生。试件破坏方式与嵌埋长度、粘结剂保护层厚度以及CFRP筋直径有关。Db=5mm的试件,随着粘结剂保护层厚度的增大,破坏方式由FRG-SP转为FRG。较厚的粘结剂保护层可以避免粘结剂表面纵向劈裂破坏。对于粘结剂厚度较薄的试件,随着嵌埋长度的增大,发生FRG-SP破坏的同时,CFRP筋发生拉断破坏;对于粘结剂保护层较厚的试件,随着嵌埋长度的增加,破坏方式由槽两侧花岗岩沿斜面开裂破坏转为CFRP-粘结剂界面滑移破坏(BE-I),当嵌埋长度达一定值后,其破坏形态发展为CFRP筋被拉断(TF)。与直径为5mm的CFRP筋相比,直径7mm的CFRP筋更容易导致粘结剂表面的劈裂破坏以及槽两侧花岗岩沿斜面开裂破坏。花岗岩表面沿槽角劈裂破坏时,除CFRP筋直径为7mm的个别试件,破坏面与花岗岩表面大约呈30°角度,该现象与CFRP筋嵌埋混凝土拔出试验[6―7]相似。2.2结合力、粘接力和粘合滑动度的曲线2.2.1cfrp筋界面相互作用机理CFRP筋与粘结剂界面的粘结力主要由化学附着力、摩擦力和机械咬合力组成。试验中所用的CFRP筋表面的“肋”为CFRP筋成型时通过CFRP纤维螺旋缠绕和挤压形成,肋高极小,其主要作用是增加界面摩擦力。且CFRP筋与粘结剂界面发生滑移时,CFRP筋表面缠绕的纤维容易破坏,机械咬合力容易被削弱。在CFRP筋拉拔的初始阶段,化学附着力起主要作用。产生滑移后,化学附着力退出工作,摩擦力和机械咬合力承担了主要的抗拔出作用。当粘结应力达到峰值应力后,由于CFRP筋表面缠绕的肋受到磨损,抗拔出作用有所下降,其直接表现为平均粘结力下降。由于CFRP筋表面是变形带“肋”的,因此界面相互作用机理类似于变形钢筋与混凝土的关系。由CFRP筋变形产生的“凸起肋”和缠绕的“肋”与粘结剂作用,产生斜向作用力,斜向力在筋表面产生切向分力和径向分力,径向分力使截面内粘结剂处于环向受拉的状态。当加载到一定程度,粘结剂因环向拉应力的作用而产生内裂缝。当粘结剂保护层较薄时,环向拉应力超过粘结剂抗拉强度时,粘结剂表面形成一纵向裂纹,裂纹由筋表面沿径向往粘结剂表面发展,同时由加载端向自由端延伸,最后导致粘结剂表面协同花岗岩表面劈裂破坏,如图3(b)、图3(c)所示。2.2.2cfrp筋界面粘结强度粘结应力τ(x)是指在CFRP筋与粘结剂界面上沿CFRP筋方向上的剪应力。取嵌埋CFRP筋的微小段dx,由于其长度很短,可以认为在dx范围内粘结应力均匀分布(如图4),根据力平衡条件:式中:τ(x)为CFRP筋界面的粘结应力;Eb为CFRP筋的弹性模量;εb为CFRP筋的拉应变;其它符号意义同前。可见,粘结应力与CFRP筋局部应变变化规律有关。CFRP筋应变变化比较大的地方粘结应力较大。不同拉拔荷载作用下CFRP筋沿嵌埋段应变分布的测量结果如图5所示。横坐标轴左端和右端分别对应嵌埋CFRP筋的加载端和自由端。从图5可知,在较低拉拔荷载下,CFRP筋应变主要集中在加载端附近,并沿嵌埋长度呈较大梯度的减小;随着荷载的增加,距加载端约40mm范围内,沿嵌埋长度应变变化梯度呈减小趋势,且在加载后期,嵌埋长度较大试件(图5(b))离加载端约1/2L以外的嵌埋段应变不均匀程度较嵌埋长度小的试件(图5(a))明显。这表明,随着荷载的增加和滑移的增大,粘结应力逐渐趋于均匀分布。同时,随着荷载的增加和滑移的增长,由于摩擦,靠近加载端的FRP筋与粘结剂界面逐渐受到破坏,界面咬合力和摩擦力下降。由于界面抵抗摩擦能力有限,在较高的荷载水平下,粘结力分布只在一定长度范围内趋于均匀。CFRP筋与石材的界面平均粘结强度定义为在极限荷载下嵌埋长度内粘结应力的平均值,即:式中:Tu为极限荷载;lb为嵌埋长度;Db为CFRP筋名义直径。表1中,fbelim为CFRP筋自由端滑移开始迅速增加时的界面平均粘结应力。由表1可知,fbelim等于或略小于τu,故,可以采用fbelim定义平均粘结强度。试验结果表明:由于粘结应力沿嵌埋长度分布不均匀,极限荷载随着嵌埋长度的增加而增大,而平均粘结应力随着嵌埋长度的增加而减小。在较大的嵌埋长度和较小的荷载水平下,粘结应力沿嵌埋长度分布不均匀愈加明显。所以,嵌埋长度愈短,平均粘结强度愈接近界面粘结强度最大值。本试验中CFRP筋表面粘结剂保护层最小厚度为0.5Db。从试验结果看,当CFRP筋表面粘结剂保护层厚度大于0.5Db时,对试件平均粘结强度无明显影响。因此,根据已有的CFRP筋嵌埋混凝土拉拔试验和本文试验结果,建议把0.5Db作为CFRP筋表层粘结剂保护层最小厚度。从表1的试验结果可知,CFRP筋直径对粘结强度无明显影响,其主要原因为两种直径的CFRP筋表面处理方式相同,摩擦系数和机械咬合能力接近。但必须说明,本文所采用的CFRP筋直径仅5mm和7mm两种,更大CFRP筋直径对粘结强度的影响尚待进一步研究。2.2.3粘结应力-滑移曲线根据试验数据和上述平均应力的确定方法,可分别绘出CFRP筋自由端及加载端的平均粘结应力-滑移曲线,如图6所示。从图6可以看出,除试件D5-L10-k0.5-3和D5-L10-k0.5-4外,其余各试件平均粘结应力-滑移曲线均呈现相似的形状,曲线上明显的拐点揭示出试件存在极限粘结性能点。在此点之前,随着荷载的增加,自由端和加载端的滑移缓慢增长;此点之后,滑移迅速增加,而荷载几乎维持在某一值附近,或开始缓慢下降,直至试件发生突然破坏。2.3粘结力与cfrp筋截面参数的关系为充分发挥CFRP筋的抗拉能力,必须保证CFRP筋具有足够的嵌埋锚固长度。基本锚固长度la可以通过极限拉伸荷载作用下FRP筋表面的粘结应力来计算。由粘结表面上的粘结力与CFRP筋截面上的轴向拉力的平衡关系可得:根据式(3)可得基本锚固长度:式中:la为基本锚固长度;Db为CFRP筋直径;τu,cr为使CFRP筋截面应力达到抗拉强度时的最短嵌埋长度下界面粘结强度;Ab为CFRP筋直径;σbu为CFRP筋的保证极限拉伸强度。从表1所示试验结果和计算结果可知,为充分发挥CFRP筋的抗拉能力,对于直径Db为5mm和7mm的CFRP筋,其基本嵌埋长度应分别不少于30Db和35Db。可见,基本嵌埋长度与CFRP筋直径有关,并随筋材直径的增大而增大。3破坏方式及极限荷载本次试验共26个试件,针对不同直径CFRP筋、不同嵌埋长度、粘结剂保护层厚度,系统研究了CFRP筋、粘结剂与花岗岩石材之间的粘结性能,并对试验结果进行了分析,可以得出以下结论:(1)试件的主要破坏形式有3种:1)CFRP筋拉断破坏;2)CFRP筋-粘结剂界面滑移破坏;3)沿槽角劈裂破坏。(2)试件破坏方式与嵌埋长度、CFRP筋表面粘结剂保护层厚度以及CFRP筋直径大小有关。较长的嵌埋长度将导致CFRP筋被拉断;较大直径的CFRP筋更容易导致粘结剂表面劈裂破坏。根据试验结果,CFRP筋表层粘结剂保护层适宜厚度为0.5Db。(3)未发生CFRP筋拉断破坏时,极限荷载大小与破坏方式有关。槽两侧石材开裂时极限荷载较高,发生CFRP筋-粘结剂界面滑移破坏时,极限荷载较低。(4)粘结-滑移