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发表于2019-08-06    19人浏览    1人跟帖    总热度:134  

FRP研究动态
复材网格箍筋混凝土梁受剪性能试验研究

 0 前 言
纤维增强复合材料(FRP),具有轻质高强、耐腐蚀性优良、施工便捷、可设计、无磁性等特点。近二十年来,复材在土木工程的应用范围和应用形式越来越广泛,主要形式包括片材、型材、筋材、索以及网格材等。复材网格是复材产品中一种较新的产品形式,是由高性能连续纤维(包含碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等)浸渍于树脂中,形成的纤维垂直交叉连续分布并且具有刚性的交叉结点的网格制品,如图1所示。复材网格在国外发达国家中得到了较广泛应用,大量用于加固混凝土墙、板等混凝土构件中,部分应用于新建工程。 
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图1 碳纤维复材网格 
Fig.1 CFRP grid 
近年来,对复材筋的研究和应用越来越多,特别是在恶劣环境条件使用复材筋混凝土结构可以解决钢筋锈蚀的问题,提升结构的耐久性。针对复材箍筋也有多种形式的研究和应用,但大多需在工厂内定制成型,难以在施工现场进行弯折和加工,无法满足多规格多样化的使用需求。而复材网格按一定模数加工制备,经现场裁剪较容易形成不同规格的矩形箍筋。将复材网格制成箍筋应用到混凝土梁中的研究在国内外基本上还是空白。本文通过配置复材网格箍筋混凝土梁的受剪试验,研究了复材网格箍筋混凝土梁的受剪性能,着重分析了剪跨比和配箍方式两个变量对梁受剪性能的影响。

 1 试验概况
1.1 试验材料及材性试验
试验采用C30商品混凝土;梁的受拉、受压筋均采用直径20 mm,HRB400级带肋钢筋;钢箍筋采用直径8 mm,HRB400级带肋钢筋;复材网格箍筋由碳纤维复材网格经裁剪而成,如图2所示。 
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图2 碳纤维复材网格箍筋 
Fig.2 CFRP grid stirrups 

在设计构件之前,先进行材性试验,以便较准确地预估构件的抗弯、抗剪承载能力。材性试验结果见表1。
表1 纤维复材网格力学性能参数
Table 1 Mechanical properties of FRP grids
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1.2 试验材料及材性试验
1.2.1 构件设计
试验共设计了11根尺寸相同的混凝土梁,梁的横截面尺寸为200 mm×300 mm,梁长为2 500 mm,净跨为2 200 mm。为了保证斜截面受剪破坏先于正截面受弯破坏,根据材性实测结果进行抗弯和抗剪承载力计算,最终纵筋的配置为:受拉钢筋620,上下两排布置;受压钢筋220。混凝土梁基本信息如图3所示。
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图3 梁基本信息
Fig.3 Basic information of beams

1.2.2  试验变量设计
设置了2个变量:剪跨比和配箍方式。剪跨比设计3个因素,分别为1.2、2.0和2.8;配箍方式设计4个因素,是通过改变网格类型、网格尺寸和网格间距来实现的,这4种配箍方式对应的配箍率依次增大。配箍方式详细信息见表2。
表2 配箍方式
Table 2 The way of configuring stirrups
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1.2.3 试验梁组合设计
所有混凝土梁同期浇筑、同期加载,以保证混凝土强度相同,试验梁的设计见表3。11根梁中,均有2组试验可对剪跨比和配箍方式两个变量进行研究。其中L11-S-2.8为钢箍筋混凝土梁,按照与L9-C-2.8-1等抗剪强度原则设计。
表3 试验梁设计
Table 3 The design of beam specimens
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注:梁编号命名规则(以L1-C-1.2-1为例):L1代表第一根梁,C代表碳纤维网格箍筋(S代表钢箍筋),1.2代表剪跨比,1代表配箍方式为ρV1。L11-S-2.8为钢箍筋混凝土对照梁,剪跨比为2.8,钢箍筋配置为8@150。
1.3 试验加载及数据采集
受剪试验采用液压千斤顶和分配梁进行四点对称加载,试验梁简支在支座上。在试件与支座相接触部位放置钢板,防止混凝土受集中力发生局部破坏。同样,分配梁与试件接触部位也加垫钢板。
根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中有关算式计算出试验梁的抗弯和抗剪承载力、开裂荷载、跨中位移等物理量,制定出每根梁的加载方案。正式加载之前,要对整套加载装置进行预加载,检查加载设备和采集设备运行是否正常,最后根据加载方案进行正式加载:受弯裂缝出现之前,每一级荷载为计算开裂荷载的1/10,接近开裂荷载时,每一级荷载为计算开裂荷载的1/20;开裂之后,每一级荷载为计算极限荷载的1/10,接近计算极限荷载时,每一级荷载变为计算极限荷载的1/20。
在试验梁支座处、加载点处以及跨中位置处放置位移计,每加载完一级荷载,持荷一段时间,待裂缝充分发展后,记下荷载、位移、裂缝最大宽度,并勾画出该荷载等级下裂缝发展趋势。荷载不能继续增长时作为破坏条件,结束试验。

 2 试验结果与分析
2.1 破坏模式
本试验中,碳纤维复材网格箍筋混凝土梁的受剪破坏过程与钢箍筋混凝土梁相似:首先在纯弯段出现竖向弯曲裂缝,随着荷载的增加,弯曲裂缝缓慢向上发展;加载到一定程度,剪跨段内出现受剪斜裂缝;随着荷载继续增加,斜裂缝不断向支座和加载点处延伸,裂缝宽度持续增大,直至形成临界斜裂缝;加载到一定荷载时,试验梁发出急促的响声,最终混凝土破坏,荷载迅速下降到某一值,不能继续增加,试验结束。
试验中,观察到梁的破坏模式有两种:斜压破坏和剪压破坏,两种破坏模式如图4所示。 
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a - 斜压破坏;b - 剪压破坏。
图4 受剪破坏模式
Fig.4 Shear failure modes
斜压破坏具有明显的脆性破坏特征,出现临界斜裂缝后裂缝宽度增加缓慢;即将破坏时,听到急促的“噼里啪啦”响声,最终一声巨响,混凝土被压坏。剔凿开混凝土之后,发现复材网格箍筋在角部节点处发生剥离破坏;同时,由于破坏具有突然性,个别网格箍筋横向筋被折断,如图5所示。
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图5 复材网格箍筋折断破坏
Fig.5 FRP grid stirrups breaking failure
相比斜压破坏,剪切破坏具有较好的延性。斜裂缝长度和宽度的开展速率要比斜压破坏快得多,即将破坏时也发出较为急促的“噼里啪啦”响声,最终混凝土破坏。剔凿开混凝土后,只发生了角部节点剥离破坏,如图6所示。
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图6 复材网格箍筋剥离破坏
Fig.6 FRP grid stirrups debonding failure

2.2 剪跨比对抗剪性能的影响
L1-C-1.2-1、L5-C-2.0-1、L9-C-2.8-1或L2-C-1.2-2、L6-C-2.0-2、L10-C-2.8-2两组试验均可以研究剪跨比对抗剪性能的影响,见表4,从表中两组试验均可得到:随着剪跨比的增大,抗剪承载力逐渐变小;L1-C-1.2-1和L2-C-1.2-2两根梁的承载力和初始斜裂缝荷载远高于其他梁;相同破坏模式下梁的抗剪承载力和初始斜裂缝荷载相差不大。
表4 剪跨比对抗剪承载力影响
Table 4 The effect of shear span ratio on the shear capacity
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图7给出了这两组试验中,剪跨比对跨中位移的影响。从图中可以得到:当剪跨比为2.0和2.8时,发生了剪压破坏,此时跨中位移随着剪跨比的增加而增大;当剪跨比为1.2时,发生了斜压破坏,其跨中位移未遵循其他两根梁的规律变化。
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a - 第1组;b - 第2组。
图7 剪跨比对跨中位移的影响
Fig.7 The effect of shear span ratio on the mid-span displacement
2.3 配箍方式对抗剪性能的影响
L1-C-1.2-1、L2-C-1.2-2、L3-C-1.2-3、L4-C-1.2-4或L5-C-2.0-1、L6-C-2.0-2、L7-C-2.0-3、L8-C-2.0-4两组试验均可研究配箍方式对抗剪性能的影响,见表5。表中第一组试验梁发生了斜压破坏,第二组试验梁发生了剪压破坏,从表中可以得到,第一组试验梁的初始斜裂缝荷载和抗剪承载力均明显大于第二组。加载第一组试验梁时,观察到箍筋的应变在梁破坏前增长缓慢,梁发生破坏时箍筋发挥出的强度有限,对抗剪承载力的影响较小。第二组试验梁发生了剪压破坏,抗剪承载力主要由混凝土和箍筋两者共同承担,其抗剪承载力随着配箍率的增大而增大。本节主要讨论第二组梁配箍方式对抗剪性能的影响。表5中L7-C-2.0-3在第二组配箍率不是最大,抗剪承载力却最高,这是由于其箍筋网格尺寸为50 mm×50 mm,相比其他3根梁的箍筋具有更多的横向网格和竖向网格(网格箍筋详情见表2),使得箍筋与混凝土的协同作用大大增加;从箍筋应变数据中得到,此梁的箍筋应变高达10 000×10-6,远高于其他梁。这说明其箍筋发挥出的强度最大,所以该梁的抗剪承载力最高。
表5 配箍方式对抗剪承载力影响
Table 5 The effect of the way of configuring stirrups on the shear capacity
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图8给出了第二组试验梁配箍方式对极限承载力和跨中位移的影响。从图中可以看出:配箍方式对极限承载力和跨中位移的影响相似,均随着配箍率的增加呈现出增长的趋势。图中峰值是由于该梁的网格箍筋类型不同于其他3根梁造成的,网格间距越小越有利于网格箍筋强度的发挥,越能提高梁的承载力和延性。
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图8 配箍方式对抗剪性能的影响
Fig.8 The effect of the way of configuring stirrups on the shear performance

2.4 对照组试验
对照梁L11-S-2.8为钢箍筋混凝土梁,按照等抗剪强度原则(钢箍筋屈服时达到抗剪承载力),与L9-C-2.8-1进行对照。图9所示为两根梁的荷载-斜裂缝最大宽度的关系,从图中可以得到:两者几乎同时产生斜裂缝,出现斜裂缝后,复材网格箍筋混凝土梁的斜率小于钢箍筋混凝土梁的斜率,说明复材网格箍筋混凝土梁斜裂缝开展速率更快;达到极限承载力时复材网格箍筋混凝土梁斜裂缝的最大宽度更大。
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图9 荷载-斜裂缝最大宽度曲线
Fig.9 The curves of load-diagonal crack maximum width
图10给出了L9-C-2.8-1、L11-S-2.8两根梁的荷载-跨中位移曲线。图10表明:两条曲线在加载初期几乎重合,出现斜裂缝后,两条曲线发生分离,并且钢箍筋混凝土梁的斜率大于复材网格箍筋混凝土梁,这说明在相同荷载增量情况下,复材网格混凝土梁的跨中位移更大。
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图10 荷载-斜裂缝最大宽度曲线
Fig.10 The curves of load-diagonal crack maximum width

 3 结束语
本文对将复材网格当作箍筋使用进行了探索和尝试。通过10根配置复材网格箍筋混凝土梁和1根钢箍筋混凝土梁的抗剪试验,得到以下结论:
1)本试验中观察到了两种破坏模式:斜压破坏和剪压破坏。发生斜压破坏时,箍筋发挥的贡献有限,抗剪承载力与其关系较小;发生剪压破坏时,剪跨比一定,抗剪承载力与配箍方式有关:配箍率越大,箍筋的网格尺寸越小,越能发挥出更高的强度,梁的抗剪承载力越高。
2)配箍方式相同时,抗剪承载力随剪跨比增大而减小。
3)发生剪压破坏时,其初始斜裂缝对应的荷载以及极限荷载远小于斜压破坏。
4)将复材网格箍筋混凝土梁与钢箍筋混凝土梁进行对比,前者斜裂缝宽度和开展速率均大于后者。
5)将复材网格通过合理的设计,可以作为矩形箍筋使用,尚应通过更深入的研究,确定其适用范围和设计方法。

参考文献
[1] 叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006(3):24-36.
[2] 吴智深. 面向重大工程应用FRP若干核心研究问题[C]//第七届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集.2011:20.
[3] 刘宗全,岳清瑞,李荣,等.全FRP筋混凝土梁斜截面承载力研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2017(1):109-115,35.
[4] 刘宗全, 岳清瑞, 李荣, 等. FRP网格材在土木工程中的应用[C]//第九届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集. 2015: 102-106.
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 发表于2019-08-06   |  只看该作者      

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