環(huán)形包裹c(diǎn)frp條帶在組合石梁受剪性能中的應(yīng)用

環(huán)形包裹c(diǎn)frp條帶在組合石梁受剪性能中的應(yīng)用

0嵌埋預(yù)應(yīng)力cfrp筋組合石梁在我國(guó)石材結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，在人類建筑文明發(fā)展史中發(fā)揮著重要作用。由于石材屬于脆弱材料，節(jié)理和裂縫等自然缺陷，石材彎曲構(gòu)件存在明顯的安全隱患，對(duì)這種石材構(gòu)件的應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。為了提高石材梁的彎曲性能，本研究小組提出了一種新型的石材結(jié)構(gòu)組成形式，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)、研究和理論分析。據(jù)研究，cfp筋的存在提高了石材梁的彎曲性能，且石材梁的破壞模式已從脆性斷裂帶的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的變形破壞。支撐和變形能力顯著提高。如圖1所示，當(dāng)彎曲和切割部分的彎曲斷裂完全發(fā)展時(shí)，如圖1所示，由于彎曲和切割部分的彎曲斷裂，導(dǎo)致彎曲和切割破壞。為了提高彎曲和切割段的抗切割強(qiáng)度，有必要繼續(xù)開(kāi)發(fā)具有埋預(yù)石支架的預(yù)測(cè)骨折組合石材梁的性能。1試驗(yàn)內(nèi)容1.1組合石梁加固設(shè)計(jì)試驗(yàn)共制作了2組8個(gè)試件.第一組共5個(gè)試件,計(jì)算跨度為3000mm,其中PB1為素石梁,CB1和CB2為不同嵌埋CFRP筋配筋率的組合石梁(未加固石梁);CBS1、CBS2分別為CB1、CB2加載至彎剪段開(kāi)裂后采用環(huán)形包裹CFRP條帶進(jìn)行修復(fù)的組合石梁(斷損修復(fù)石梁).第二組共3個(gè)試件,計(jì)算跨度為6100mm,其中PB2為素石梁,CBS3和CBS4為環(huán)形包裹CFRP條帶進(jìn)行抗剪加固的組合石梁(加固石梁).試件截面尺寸及CFRP筋嵌埋構(gòu)造如圖2所示.采用已有CFRP抗剪加固混凝土梁的計(jì)算模型對(duì)斷損修復(fù)石梁和加固石梁進(jìn)行抗剪加固設(shè)計(jì),詳細(xì)試件參數(shù)及加固設(shè)計(jì)如表1和圖2所示.圖2中,lf為彎剪段長(zhǎng)度,其余符號(hào)定義及數(shù)值列于表1.彎剪段CFRP條帶的加固范圍從距支座sv至相鄰加載點(diǎn),sv為試件達(dá)到極限荷載時(shí)彎曲裂縫可能出現(xiàn)的離支座最近的距離,采用開(kāi)裂彎矩計(jì)算值與極限剪力計(jì)算值的比值確定.試驗(yàn)采用的石材為G636花崗巖,實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為118MPa,劈裂抗拉強(qiáng)度為9.9MPa,抗壓彈性模量為45GPa.采用表面帶有螺旋纏繞碳纖維束的?10和?12兩種規(guī)格的CFRP筋,抗拉強(qiáng)度分別為2112和2085MPa,抗拉彈性模量分別為115和118GPa.采用的CFRP條帶由CFRP布裁剪而成,厚度為0.167mm,條帶寬度包括50和100mm兩種規(guī)格,抗拉強(qiáng)度為3113MPa,抗拉彈性模量為213GPa.有關(guān)嵌埋預(yù)應(yīng)力CFRP筋組合石梁的制作工藝及流程將另文刊出.組合石梁的加固和斷損石梁的修復(fù)流程如下:①將彎剪段加固范圍的石材表面打磨粗糙,然后用丙酮將表面清洗干凈;②在石梁上定好CFRP條帶位置并涂抹底膠,然后采用結(jié)構(gòu)膠將CFRP條帶進(jìn)行環(huán)形包裹,條帶末端的搭接長(zhǎng)度等同與梁寬;③去除CFRP條帶周邊多余的結(jié)構(gòu)膠,將試件在室溫下靜置2周后進(jìn)行加載試驗(yàn).1.2試驗(yàn)加載及加載所有試件均采用單調(diào)四點(diǎn)彎曲加載方式進(jìn)行加載.對(duì)于l0=3000mm的試件,荷載由單個(gè)50t液壓伺服作動(dòng)器通過(guò)分配梁傳遞至石梁,如圖3(c)所示.采用荷載-位移混合控制加載方式,試件開(kāi)裂前,采用荷載控制,每級(jí)荷載增量4kN;試件開(kāi)裂后,改為位移控制,每級(jí)位移增量3mm,直至未加固組合石梁彎剪段出現(xiàn)裂縫和加固試件發(fā)生破壞.試驗(yàn)前對(duì)設(shè)備設(shè)置加載保護(hù)程序,防止未加固試件彎剪段一開(kāi)裂即發(fā)生斷裂破壞.對(duì)于l0=6100mm的試件,荷載由兩個(gè)加載點(diǎn)上方各自的50t液壓伺服作動(dòng)器同步傳遞至石梁,如圖3(d)所示.采用荷載控制進(jìn)行加載,試件開(kāi)裂前,每級(jí)荷載增量5kN;試件開(kāi)裂后,每級(jí)荷載增量減為2kN,直至試件破壞.在CFRP筋表面布置電阻應(yīng)變片,量測(cè)加載過(guò)程中CFRP筋應(yīng)變的大小與分布;在跨中石梁側(cè)面沿梁高布置電阻應(yīng)變片,量測(cè)跨中截面應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律;在支座、跨中及加載點(diǎn)位置布置位移計(jì),量測(cè)試件的撓度;在端部CFRP筋外露部分布置位移計(jì),監(jiān)測(cè)CFRP筋的滑移情況.試驗(yàn)過(guò)程中,以上所有數(shù)據(jù)信號(hào)皆由DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集,采集時(shí)間間隔為3s.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1破壞模式和破壞過(guò)程主要試驗(yàn)結(jié)果列于表2.試驗(yàn)中,試件共發(fā)生了如下3種破壞模式,如圖4所示.1試件出現(xiàn)斷裂根據(jù)此種模式破壞前試件無(wú)明顯征兆,撓度難以用肉眼辨別.試件達(dá)到極限承載力后,隨著石材劈裂聲響,突然在純彎段發(fā)生斷裂,為典型的脆性破壞.2抗彎性能分析試件首先在純彎段出現(xiàn)數(shù)條彎曲裂縫,隨著荷載的增長(zhǎng),裂縫寬度不斷開(kāi)展,最終在彎剪段出現(xiàn)一條彎曲裂縫,并迅速斜向附近的加載點(diǎn)延伸,形成彎剪裂縫,此時(shí)石梁受壓區(qū)高度約僅為梁高的1/10,為防止試件發(fā)生剪切斷裂,停止加載并逐漸卸載.卸載前試件達(dá)到的最大撓度平均值為17.25mm.卸載過(guò)程中,由于預(yù)應(yīng)力CFRP筋的存在,原有裂縫逐漸閉合,同時(shí)石梁發(fā)生反拱,造成彎剪裂縫貫通梁高,石梁完全斷裂.3破壞前的變形對(duì)于試件CBS1和CBS2,加載開(kāi)始后,石梁純彎段裂縫重新張開(kāi),由于環(huán)形CFRP條帶的約束作用,彎剪段原有裂縫未明顯開(kāi)展;加載到后期,彎剪段裂縫穿過(guò)的CFRP條帶有輕微剝離現(xiàn)象,但仍可繼續(xù)承載,且彎剪段又有新裂縫出現(xiàn),最終試件在彎剪裂縫貫通處斷裂,同時(shí)伴隨周邊CFRP條帶拉斷.對(duì)于試件CBS3和CBS4,純彎段充分開(kāi)裂后,裂縫開(kāi)始在彎剪段發(fā)展,期間彎剪裂縫穿過(guò)的CFRP條帶有輕微剝離,但不影響繼續(xù)承載,最終試件在一側(cè)主彎剪裂縫處斷裂,同時(shí)伴隨周邊CFRP條帶拉斷.以上試件破壞前均產(chǎn)生較為明顯的變形.2.2加固石梁的持續(xù)承載試件的跨中M-Δ曲線繪制如圖5所示,曲線中畫圈位置為彎剪段首次開(kāi)裂時(shí)刻.從圖5可以看出,對(duì)應(yīng)不同的破壞模式,曲線形狀各有不同.對(duì)于素石梁,其彎矩-撓度幾乎呈直線關(guān)系,試件在不大的撓度下即發(fā)生脆性斷裂破壞.對(duì)于未加固石梁和加固石梁,其曲線形狀較為相近,呈現(xiàn)線性上升-水平波動(dòng)-波動(dòng)上升三階段形式.不同的是,加固石梁在彎剪段開(kāi)裂后仍可繼續(xù)承載,如試件CBS4,其極限彎矩與對(duì)應(yīng)的撓度分別較彎剪裂縫出現(xiàn)時(shí)刻提高62.3%和269.4%;而未加固石梁在彎剪裂縫出現(xiàn)后,即難以繼續(xù)承載.由于試驗(yàn)?zāi)康牟煌?試件彎剪段開(kāi)裂后沒(méi)有繼續(xù)加載,而相似文獻(xiàn)中嵌埋CFRP筋組合石梁試件L4,彎剪裂縫出現(xiàn)不久即發(fā)生整體斷裂破壞.對(duì)于斷損修復(fù)石梁,其曲線呈變斜率增長(zhǎng)的兩階段形式,試件的承載力及變形能力均較加固前有所提高,如試件CBS1,其極限彎矩與對(duì)應(yīng)的撓度分別較未加固試件CB1提高23.6%和115.1%.此外,加固石梁的承載力和變形能力的提高幅度(平均值分別為54.5%和240.2%)顯著高于斷損修復(fù)石梁(平均值為14.1%和83.1%).對(duì)于縱筋配筋率不同的試件CBS1和CBS2,配筋率較小的CBS1承載力和變形能力提高程度(23.6%和115.1%)高于配筋率較高的CBS2(4.6%和51.1%).對(duì)于相同跨度的試件CBS3和CBS4,剪跨比較大的CBS4的承載力和變形能力提高程度(62.3%和269.4%)高于剪跨比較小的CBS3(46.7%和211.0%).2.3確定參數(shù)的確定組合石梁彎剪段開(kāi)裂后的受力情況如圖6所示.圖6中,Tc為CFRP筋承擔(dān)的拉力;Cs為受壓區(qū)石材承擔(dān)的壓力;Vt為總剪力;Vs、Vc分別為受壓區(qū)石材和CFRP條帶承擔(dān)的剪力,可用下式計(jì)算:Vs=ξftsbxc(1)Vc=κAcsfcshsf(2)Vs=ξftsbxc(1)Vc=κAcsfcshsf(2)式(1)-(2)中,fts為石材抗拉強(qiáng)度;xs為石材受壓區(qū)高度,可用文獻(xiàn)中的公式計(jì)算;Acs為同一截面內(nèi)CFRP條帶的總截面積,Acs=2ncstfwf,tf為CFRP條帶厚度;fcs為CFRP條帶抗拉強(qiáng)度;ξ、κ分別為定義的調(diào)整系數(shù),由試驗(yàn)結(jié)果擬合,取ξ=0.501、κ=0.322;其余符號(hào)定義同前.1)對(duì)于未加固石梁,由于石梁未配置腹筋,其彎剪段的抗剪主要由石材承擔(dān),即:Vt=Vs=0.501ftsbxc(3)Vt=Vs=0.501ftsbxc(3)2)對(duì)于斷損修復(fù)石梁,由于卸載過(guò)程中石梁完全斷裂,加固后試件的抗剪幾乎完全由CFRP條帶承擔(dān),即:Vt=Vc=0.322Acsfcshsf(4)Vt=Vc=0.322Acsfcshsf(4)3)對(duì)于加固石梁,其抗剪由受壓區(qū)石材和CFRP條帶共同承擔(dān),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計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可以看出兩者吻合良好.3組合石梁彎剪加固后的受剪性能對(duì)2根素石梁和6根組合石梁進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn),研究在彎剪段環(huán)形包裹CFRP條帶對(duì)于提高組合石梁受剪性能的作用.在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,分析了試件的抗剪機(jī)理,并提出組合石梁的受剪承載力計(jì)算公式,得到以下主要結(jié)論:1)未進(jìn)行抗剪加固的組合石梁在彎剪段裂縫出現(xiàn)后,受剪承載力迅速喪失并發(fā)生剪切破壞,造成組合石梁的受彎性能不能得到充分發(fā)揮.2)在彎剪段環(huán)形包裹CFRP條帶可以有效防止