环形包裹cfrp条带在组合石梁受剪性能中的应用

环形包裹cfrp条带在组合石梁受剪性能中的应用

0嵌埋预应力cfrp筋组合石梁在我国石材结构建筑历史悠久，在人类建筑文明发展史中发挥着重要作用。由于石材属于脆弱材料，节理和裂缝等自然缺陷，石材弯曲构件存在明显的安全隐患，对这种石材构件的应用产生了严重影响。为了提高石材梁的弯曲性能，本研究小组提出了一种新型的石材结构组成形式，并对其进行了相应的试验、研究和理论分析。据研究，cfp筋的存在提高了石材梁的弯曲性能，且石材梁的破坏模式已从脆性断裂带的破坏转变为明显的变形破坏。支撑和变形能力显著提高。如图1所示，当弯曲和切割部分的弯曲断裂完全发展时，如图1所示，由于弯曲和切割部分的弯曲断裂，导致弯曲和切割破坏。为了提高弯曲和切割段的抗切割强度，有必要继续开发具有埋预石支架的预测骨折组合石材梁的性能。1试验内容1.1组合石梁加固设计试验共制作了2组8个试件.第一组共5个试件,计算跨度为3000mm,其中PB1为素石梁,CB1和CB2为不同嵌埋CFRP筋配筋率的组合石梁(未加固石梁);CBS1、CBS2分别为CB1、CB2加载至弯剪段开裂后采用环形包裹CFRP条带进行修复的组合石梁(断损修复石梁).第二组共3个试件,计算跨度为6100mm,其中PB2为素石梁,CBS3和CBS4为环形包裹CFRP条带进行抗剪加固的组合石梁(加固石梁).试件截面尺寸及CFRP筋嵌埋构造如图2所示.采用已有CFRP抗剪加固混凝土梁的计算模型对断损修复石梁和加固石梁进行抗剪加固设计,详细试件参数及加固设计如表1和图2所示.图2中,lf为弯剪段长度,其余符号定义及数值列于表1.弯剪段CFRP条带的加固范围从距支座sv至相邻加载点,sv为试件达到极限荷载时弯曲裂缝可能出现的离支座最近的距离,采用开裂弯矩计算值与极限剪力计算值的比值确定.试验采用的石材为G636花岗岩,实测抗压强度为118MPa,劈裂抗拉强度为9.9MPa,抗压弹性模量为45GPa.采用表面带有螺旋缠绕碳纤维束的ϕ10和ϕ12两种规格的CFRP筋,抗拉强度分别为2112和2085MPa,抗拉弹性模量分别为115和118GPa.采用的CFRP条带由CFRP布裁剪而成,厚度为0.167mm,条带宽度包括50和100mm两种规格,抗拉强度为3113MPa,抗拉弹性模量为213GPa.有关嵌埋预应力CFRP筋组合石梁的制作工艺及流程将另文刊出.组合石梁的加固和断损石梁的修复流程如下:①将弯剪段加固范围的石材表面打磨粗糙,然后用丙酮将表面清洗干净;②在石梁上定好CFRP条带位置并涂抹底胶,然后采用结构胶将CFRP条带进行环形包裹,条带末端的搭接长度等同与梁宽;③去除CFRP条带周边多余的结构胶,将试件在室温下静置2周后进行加载试验.1.2试验加载及加载所有试件均采用单调四点弯曲加载方式进行加载.对于l0=3000mm的试件,荷载由单个50t液压伺服作动器通过分配梁传递至石梁,如图3(c)所示.采用荷载-位移混合控制加载方式,试件开裂前,采用荷载控制,每级荷载增量4kN;试件开裂后,改为位移控制,每级位移增量3mm,直至未加固组合石梁弯剪段出现裂缝和加固试件发生破坏.试验前对设备设置加载保护程序,防止未加固试件弯剪段一开裂即发生断裂破坏.对于l0=6100mm的试件,荷载由两个加载点上方各自的50t液压伺服作动器同步传递至石梁,如图3(d)所示.采用荷载控制进行加载,试件开裂前,每级荷载增量5kN;试件开裂后,每级荷载增量减为2kN,直至试件破坏.在CFRP筋表面布置电阻应变片,量测加载过程中CFRP筋应变的大小与分布;在跨中石梁侧面沿梁高布置电阻应变片,量测跨中截面应变随荷载的变化规律;在支座、跨中及加载点位置布置位移计,量测试件的挠度;在端部CFRP筋外露部分布置位移计,监测CFRP筋的滑移情况.试验过程中,以上所有数据信号皆由DH3816静态应变测试系统实时自动采集,采集时间间隔为3s.2试验结果与分析2.1破坏模式和破坏过程主要试验结果列于表2.试验中,试件共发生了如下3种破坏模式,如图4所示.1试件出现断裂根据此种模式破坏前试件无明显征兆,挠度难以用肉眼辨别.试件达到极限承载力后,随着石材劈裂声响,突然在纯弯段发生断裂,为典型的脆性破坏.2抗弯性能分析试件首先在纯弯段出现数条弯曲裂缝,随着荷载的增长,裂缝宽度不断开展,最终在弯剪段出现一条弯曲裂缝,并迅速斜向附近的加载点延伸,形成弯剪裂缝,此时石梁受压区高度约仅为梁高的1/10,为防止试件发生剪切断裂,停止加载并逐渐卸载.卸载前试件达到的最大挠度平均值为17.25mm.卸载过程中,由于预应力CFRP筋的存在,原有裂缝逐渐闭合,同时石梁发生反拱,造成弯剪裂缝贯通梁高,石梁完全断裂.3破坏前的变形对于试件CBS1和CBS2,加载开始后,石梁纯弯段裂缝重新张开,由于环形CFRP条带的约束作用,弯剪段原有裂缝未明显开展;加载到后期,弯剪段裂缝穿过的CFRP条带有轻微剥离现象,但仍可继续承载,且弯剪段又有新裂缝出现,最终试件在弯剪裂缝贯通处断裂,同时伴随周边CFRP条带拉断.对于试件CBS3和CBS4,纯弯段充分开裂后,裂缝开始在弯剪段发展,期间弯剪裂缝穿过的CFRP条带有轻微剥离,但不影响继续承载,最终试件在一侧主弯剪裂缝处断裂,同时伴随周边CFRP条带拉断.以上试件破坏前均产生较为明显的变形.2.2加固石梁的持续承载试件的跨中M-Δ曲线绘制如图5所示,曲线中画圈位置为弯剪段首次开裂时刻.从图5可以看出,对应不同的破坏模式,曲线形状各有不同.对于素石梁,其弯矩-挠度几乎呈直线关系,试件在不大的挠度下即发生脆性断裂破坏.对于未加固石梁和加固石梁,其曲线形状较为相近,呈现线性上升-水平波动-波动上升三阶段形式.不同的是,加固石梁在弯剪段开裂后仍可继续承载,如试件CBS4,其极限弯矩与对应的挠度分别较弯剪裂缝出现时刻提高62.3%和269.4%;而未加固石梁在弯剪裂缝出现后,即难以继续承载.由于试验目的不同,试件弯剪段开裂后没有继续加载,而相似文献中嵌埋CFRP筋组合石梁试件L4,弯剪裂缝出现不久即发生整体断裂破坏.对于断损修复石梁,其曲线呈变斜率增长的两阶段形式,试件的承载力及变形能力均较加固前有所提高,如试件CBS1,其极限弯矩与对应的挠度分别较未加固试件CB1提高23.6%和115.1%.此外,加固石梁的承载力和变形能力的提高幅度(平均值分别为54.5%和240.2%)显著高于断损修复石梁(平均值为14.1%和83.1%).对于纵筋配筋率不同的试件CBS1和CBS2,配筋率较小的CBS1承载力和变形能力提高程度(23.6%和115.1%)高于配筋率较高的CBS2(4.6%和51.1%).对于相同跨度的试件CBS3和CBS4,剪跨比较大的CBS4的承载力和变形能力提高程度(62.3%和269.4%)高于剪跨比较小的CBS3(46.7%和211.0%).2.3确定参数的确定组合石梁弯剪段开裂后的受力情况如图6所示.图6中,Tc为CFRP筋承担的拉力;Cs为受压区石材承担的压力;Vt为总剪力;Vs、Vc分别为受压区石材和CFRP条带承担的剪力,可用下式计算:Vs=ξftsbxc(1)Vc=κAcsfcshsf(2)Vs=ξftsbxc(1)Vc=κAcsfcshsf(2)式(1)-(2)中,fts为石材抗拉强度;xs为石材受压区高度,可用文献中的公式计算;Acs为同一截面内CFRP条带的总截面积,Acs=2ncstfwf,tf为CFRP条带厚度;fcs为CFRP条带抗拉强度;ξ、κ分别为定义的调整系数,由试验结果拟合,取ξ=0.501、κ=0.322;其余符号定义同前.1)对于未加固石梁,由于石梁未配置腹筋,其弯剪段的抗剪主要由石材承担,即:Vt=Vs=0.501ftsbxc(3)Vt=Vs=0.501ftsbxc(3)2)对于断损修复石梁,由于卸载过程中石梁完全断裂,加固后试件的抗剪几乎完全由CFRP条带承担,即:Vt=Vc=0.322Acsfcshsf(4)Vt=Vc=0.322Acsfcshsf(4)3)对于加固石梁,其抗剪由受压区石材和CFRP条带共同承担,即:Vt=Vs+Vc=0.501ftsbxc+0.322Acsfcshsf(5)Vt=Vs+Vc=0.501ftsbxc+0.322Acsfcshsf(5)表3列出了采用上述模型的计算结果与试验结果的对比,可以看出两者吻合良好.3组合石梁弯剪加固后的受剪性能对2根素石梁和6根组合石梁进行单调加载试验,研究在弯剪段环形包裹CFRP条带对于提高组合石梁受剪性能的作用.在试验结果的基础上,分析了试件的抗剪机理,并提出组合石梁的受剪承载力计算公式,得到以下主要结论:1)未进行抗剪加固的组合石梁在弯剪段裂缝出现后,受剪承载力迅速丧失并发生剪切破坏,造成组合石梁的受弯性能不能得到充分发挥.2)在弯剪段环形包裹CFRP条带可以有效防止