FRP粘贴锚固系统性能研究_阎卫国

F RP粘贴锚固系统性能研究

阎卫国1,2,张宇峰1,2,吴宇飞3

(11江苏省交通科学研究院股份有限公司南京市210017;

21长大桥健康检测与诊断技术交通行业重点实验室南京市210017;31城市大学)

摘要:采用粘贴FR P片材对结构物进行加固补强是目前国际上最通行有效的桥梁维修加固方法之一,但是外贴FR P片材加固混凝土构件时易产生早期剥离破坏,从而使FR P片材无法有效发挥力学性能。总结了目前常用的几种FR P片材粘贴锚固方式,并研究开发出基于摩擦-胶接机理的混杂锚固系统。通过对不同粘贴锚固方式的性能比较和分析,阐明在F RP粘贴加固中采用适当的锚固系统可以有助于阻止早期剥离破坏的发生;其中基于摩擦-胶接机理的混杂锚固系统在FR P布材多层粘贴的情况下仍能有效避免FR P早期剥离破坏,大幅提高FRP材料利用率,使F RP片材粘贴加固效果更好。

关键词:FRP;剥离破坏;锚固系统;试验

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、施工便捷等优点,近年来在世界范围内已被广泛应用于混凝土结构的加固补强[1,2]。其作用机理是通过在混凝土基面涂刷胶黏剂,然后粘贴FRP片材,在荷载作用下FRP 片材将较高的抗拉强度传递给混凝土,从而起到加固补强和提高承载力的功能。但另一方面,由于混凝土抗拉强度较低,这种方式下在FRP与混凝土的粘贴界面极易发生早期剥离破坏,从而使加固效果大大降低,无法充分发挥FRP片材抗拉强度高的性能。工程实践表明由于早期剥离破坏,导致FRP材料的强度利用率不到20%,造成了材料的极大浪费。为此,近年来国内外研究者开发了很多FRP粘贴锚固系统,部分地解决了FRP的早期剥

基金项目:江苏省交通厅科研计划项目,项目编号08Y25收稿日期:2010-01-04

参考文献:

[1]刘文会,李雁,田鹏,飞1矮塔斜拉桥塔高优化分

析[J]1公路交通科技,2009,26(10):82-861

[2]Sim es L M C,N eg r o JH1Sizing and Geo metry O pt-i

mization o f Cable-stayed Br idges[J]1Computer s and Structures,1994,52(2):309-3211

[3]L lu s G il,A ntoni Andreu1Shape and Cro ss-section

O ptimizat ion of a T russ St ructur e[J]1Computer s and Structures,2001,79:681-61

[4]Sim es L M C, Neg r o JH1O ptimizatio n of Cable-

stayed Br idges w ith Box-g irder Decks[J]1A dvances

in Eng ineering Softw are,2000,31:417-4231

[5]单成林,杨彩红1波纹钢腹板组合箱梁桥腹板几何参

数优化分析[J]1公路交通科技,2009,26(2):85-1 [6]肖汝诚,陈红,魏乐永1桥梁结构体系的研究、优化与

创新[J]1土木工程学报,2008,41(6):69-741

[7]Cohn M Z,L ounis Z1Optimal Design of St ructur al

Co ncr et e Bridg e Sy stems[J]1Journal o f Str uctural En-

g ineering,1994,120(9):2653-26741

[8]Neg r oJH O,Sim es L M C1Reliabilit y-based O ptimum

Design of G lulam Cable-stayed Fo otbridg es[J]1Jour-nal o f Br idge Engineering,2005,10(1):39-441

[9]Sirca JGF,A deli H1Cost Optimization of Pr estr essed

Co ncr et e Bridg es[J]1Journal of Structur al Eng ineering

ASCE,2005,131(3):380-3881

[10]H ong G uan,Yin-Jung Chen,Y ew-Chaye L oo,Y-i

M in Xie,Grant P,Steven1Bridge T o po log y O pt im-i

zation w ith St ress Displacement and Fr equency Con-

st raints[J]1Computers and Str uctures,2003,81:

131-1451

[11]王光远1论工程优化[J]1计算力学学报,1994,

11(1):8-181

[12]栾军1现代试验设计优化方法[M]1上海:上海交通

大学出版社,19951

离破坏问题。研究表明,对FRP 片材采取必要的锚固措施后,可以有效提高FRP 片材的利用率,发挥其高强的力学性能,进而提高加固效果。但是,就现有FRP 粘贴锚固方式而言,至今还没有有效的手段去避免FRP 和混凝土界面的/中部裂缝剥离破坏0(Intermediate Cr ack Induced Debonding Failure,简称IC 剥离破坏)[3]。

本文除对现有FRP 粘贴锚固系统进行总结和比较分析外,还研究开发出一种基于摩擦-胶接机理的混杂锚固系统(Friction -Adhesio n based H y -

brid Bond Technique,简称H B 粘贴锚固技术)。通过试验研究表明,该锚固技术可以有效避免IC 剥离

破坏,与现有锚固方式相比能够更有效地提高FRP 片材的粘贴加固效果。

1 现有FRP 粘贴锚固系统比较分析111 胶接粘贴系统(EB -FRP)

胶接粘贴系统(Externally bonding FRP,简称EB -FRP),指FRP 片材通过胶黏剂直接粘贴在被加固结构受拉区外表面的方式,如图1

所示。

图1 EB -FRP 粘贴系统

国内外许多研究者通过试验证明,在结构受拉区外表面通过胶黏剂直接粘贴FRP 片材可以有效提高钢筋混凝土构件的抗弯强度。同时,大量试验研究得出了一致的结论,即通过EB -FRP 补强的钢筋混凝土梁板,其刚度和极限承载力都有所提高,混凝土的拉应变有所降低,在使用荷载增大时能够延缓混凝土裂缝的产生。

但是,滕锦光等人通过试验也证明,EB -FRP 粘贴补强的混凝土构件,其强度的增长受到很多因素的影响,从而表现出不同的破坏模式,主要包括:受压区混凝土压碎破坏、FRP 片材拉断破坏、剪切破坏,FRP 片材端部界面剥离破坏、混凝土保护层剥离破坏,中部弯曲裂缝处引发的界面剥离破坏,中部弯曲-剪切裂缝处引发的界面剥离破坏。破坏模式如图2所示。

其中FRP 的拉断和受压区混凝土压碎两种破坏模式均为脆性破坏,可以在设计中予以消除。但是这种破坏模式反映出EB -FRP 粘贴方式在提高抗弯强度的同时使得构件延性大大降低。其余破坏模式大致可归结为FRP 片材端部剥离破坏和IC 剥离破坏,也就是常说的补强构件的早期破坏,这种破坏模式发生的部位均在FRP 片材与混凝土的粘接贴面上。产生这种破坏说明EB -FRP 粘贴加固的构件在失效前没有达到极限抗弯承载力。112 嵌入式粘贴系统(N SM -FRP)

嵌入式粘贴系统(Near surface mounted FRP,简称NSM-FRP)是指将构件混凝土保护层开槽,然后嵌人FRP 筋或FRP 板,FRP 片材与被加固结构之间的粘贴锚固完全采用胶黏剂进行粘贴,如图3所示。

NSM -FRP 粘贴系统可使:FRP 筋材或板材在

三个面上通过胶黏剂与结构粘贴,增强了粘贴效果;同时,嵌入式的方式减小了界面应力,从而可以使FRP 片材达到较高的应力,因此其效果较EB -FRP 粘贴系统好。除此之外,还有下列优点:原有的混凝土粘贴基面的清理打磨工作被开槽替代,可简化工艺、缩短工期;FRP 片材的剥离破坏几率大大降低;FRP 片材嵌入构件内,可有效降低外因引起的损伤。

De Lo renzis 和滕锦光对NSM -FRP 受弯加固钢筋混凝土梁进行的破坏性试验说明FRP 剥离破坏的过程为:首先FRP 筋与胶黏剂之间发生剥离,其次混凝土保护层开裂破碎,最终胶黏剂-混凝土界面剥离。同时,试验表明FRP 片材与胶黏剂之间的粘贴性能对该系统的加固效果起到决定性的作用[4]。

由于NSM -FRP 粘贴系统需要在构件上开槽,而现有的切割开槽的技术都不可避免地会伤及到构件内的钢筋,尤其是横向箍筋,因此这种粘贴方式的应用受到了极大的。

113 机械紧固粘贴系统(M F -FRP)[5]

)

27) 2010年 第12期

阎卫国等:FR P 粘贴锚固系统性能研究

图2 EB -FRP

抗弯加固破坏模式

图3 NSM -FRP 粘贴系统

机械紧固粘贴系统(M echanically fastened FRP,简称M F -FRP)指采用机械紧固件将FRP 片材锚固于被加固构件上,如图4所示。Lamanna 等人利用这种机械锚固方式将FRP 片材粘贴于结构表面进行了相关试验。由于普通FRP 片材的承压强度很低,常规的机械锚固方式(如锚栓、铆钉等)需在FRP 片材上开孔,易将FRP 片材割裂,因此La -m anna 在他的研究中采用的是美国威斯康星大学研发的具有承压强度的FRP 片材。试验结果表明,MF -FRP 粘贴加固法对提高结构强度和延性均有效果[4]。与EB -FRP 片材粘贴加固法相比,

M F -FRP 片材粘贴加固法在提高结构极限承载力

方面的加固效果与前者类似,没有明显差别;与未加固梁相比,M F -FRP 加固法能够将结构的承载力提高20%~58%。所不同的是,由于这种FRP 片材具有持续的承压强度,FRF 的劈裂破坏是一个渐进的过程,因此M F -FRP 粘贴系统能够大幅提高结构延性。同时该加固法具有施工简便、快速的优点,但

是不适用于目前现有的民用商业FRP 片材(承压强度普遍很低)。此外,M F -FRP 粘贴加固法使用寿命很有限,

较适用于临时性加固或抢修工程。

图4 MF -FRP 粘贴系统

114 FRP 片材端部锚固系统

在EB -FRP 粘贴破坏模式中,FRP 片材端部剥

)

28) 公 路 2010年 第12期

不适用于剪跨长与梁高比值大的情况。

图5胶接端部u形FRP箍粘贴系统

综上所述,尽管国内外研究人员在EB-FRP的

剥离破坏机理方面、在提高FRP)混凝土界面粘贴

强度方面进行了大量深入的研究,取得了卓有成效

的成果,开发了多种FRP粘贴锚固系统,部分地延

缓了FRP的早期剥离破坏,但是我们也清楚地看

到,粘贴强度低的问题仍然是FRP技术发展的薄弱

点,早期剥离破坏仍然是FRP粘贴破坏的主要模

式。因此,必需研究开发出更加有效的FRP粘贴锚

固系统,以提高FRP)混凝土界面粘贴强度,充分

发挥FRP片材抗拉强度高的特点,提高FRP材料

的利用率,从而提高结构加固效果。

2基于摩擦)胶接机理的混杂锚固系统(HB-FR P)

211H B-FRP粘贴锚固系统

在EB-FRP粘贴加固梁的剥离破坏试验中可以

发现,剥离破坏通常都是在局部开始发生(FRP片

材端部或者中间某个部位),然后迅速传播,直到突

然产生FRP片材的整体剥离。剥离现象中既有

FRP片材的纵向滑移,还有FRP片材与混凝土基

面的竖向分离,而后者通常被大家所忽视[6]。新型

的锚固系统正是基于此现象而研发的,它综合了

EB-FRP、M F-FRP和端部粘贴锚固系统的特点,故

称其为混杂锚固系统。

H B-FRP粘贴锚固系统,是指在EB-FRP粘贴

系统的基础上,再将一些机械紧固件沿FRP片材按

照不同的间距通长安装到被加固构件上,如图6、图

7所示。虽然这是EB-FRP、M F-FRP的一种复合

方式,但三者之间的作用机理明显不同。在界面黏

结力的传递机理上,H B-FRP主要是依靠摩擦机理,

EB-FRP主要是靠黏结,M F-FRP主要是靠机械的

连锁作用。初期室内试验表明,采用H B-FRP锚固

系统后,与EB-FRP系统相比,界面黏结强度提高了

600%多,也就是说,即使采用多层FRP粘贴后,也

能有效避免剥离破坏。目前5公路桥梁加固设计规

范6(JTG/T J22)2008)中规定,FRP布材在非围

束粘贴加固时,不宜超过3层。其原因是在现有的

粘贴锚固系统下,粘贴层数越多,界面黏结强度越无

法保证,FRP材料的利用率就越低,而采用了H B

粘贴锚固系统后,则可以很好地解决这一问题,使

FRP

多层粘贴成为可能。

图6HB紧固件大样

)

29

)

2010年第12期阎卫国等:FR P粘贴锚固系统性能研究

图7 HB 粘贴锚固系统布设

212 试件拉拔试验

通过拉拔试验,了解不同FRP 粘贴锚固系统加固后的试件的各项反应,包括抗力、滑移、FRP 片材的应变等,从而比较各粘贴锚固系统性能的优缺点。试验共有13组混凝土试件,每组试件为两个200m m @200mm @400m m 的混凝土棱柱体。采用的粘贴方式包括EB -FRP 、H B -FRP 、FB -FRP 和NSM -FRP 。其中FB -FRP 指用纤维材料作为锚固

件的一种锚固方式。几种粘贴锚固系统下的试验结果见表1和图8所示。

表1 不同FRP 粘贴锚固系统下试件拉拔试验结果

试件拉力峰值P p /k N

荷载端滑移/mm

自由端滑移/m m

破坏荷载时

FRP 应变E f rp ,u /L

E EB 261301318010094388H B -A 341401407010967874H B -B 391101393010334782FB 331401361010235493NSM

3214

11060

01754

3

799

注:其中H B -A 与H B -B 所采用的紧固件的锚固深度不同,后者较前者锚固长度大。

图8 不同粘贴锚固系统荷载-滑移曲线图

从试验结果可以看出,随着FRP 粘贴锚固系统从EB 、FB 、HB -A 到HB -B 在刚度上的微小增大,拉

力峰值也随之增大。尽管所有试件都出现了剥离破坏,但是在不同粘贴锚固系统下,在FRP 粘贴区出现的裂缝深度和竖向分离各不相同,这些都会影响到黏结刚度和强度[7]

。例如,EB -FRP 的破坏是FRP 片材连带很薄一层混凝土的剥离;而在H B -FRP 系统中,由于竖向分离被机械紧固件得以有效抑制,因此其破坏时的拉力也最大,如图8所示,反映出该锚固系统下FRP 的黏结强度较其他锚固系统有很大提高。213 钢筋混凝土梁受弯加固试验

为了检验H B -FRP 粘贴锚固系统下钢筋混凝土梁的受弯加固性能,对长2500mm,高150mm,宽300mm 的RC 梁进行了相关试验,如图9、图10所示。

图9 钢筋混凝土试验梁大样

试验采用4片梁,编号分别为S 1~S 4,其中S 1为粘贴2层碳纤维布的EB -FRP 粘贴系统,S 2为粘

贴2层碳纤维布的H B -FRP 粘贴系统,S 3、S 4分别

为粘贴4层和6层碳纤维布的H B -FRP 粘贴系统。试验采用3点受弯的加载方式(图11)。试验结果

见表2。

)

30) 公 路

2010年 第12期

粘结锚固系统

图11RC梁受弯加固破坏试验

表2基于HB-FRP粘贴锚固系统的RC受弯梁试验结果

试件极限荷载P

kN

跨中位移

mm

最大弯矩

kN#m

弯矩增幅

%

S1191081319091540

S23412239170171117913

S354135471602711818419

S470126501483511326812

从表2弯矩增幅可以看出,与EB-FRP粘贴系统相比,H B-FRP粘贴锚固系统极大地提高了RC 梁的抗弯承载力,从而说明了H B-FRP粘贴锚固系统的有效性。从极限荷载P值来看,未采用FRP 片材粘贴加固的梁,其所能抵抗的极限荷载的计算值为1114kN,采用EB-FRP粘贴加固后,P值提高至1911kN,即P值增大了717kN;而H B-FRP粘贴锚固下,P值最大提高至7013kN,即P值增大了5819kN。也就是说H B-FRP粘贴锚固系统与EB-FRP粘贴系统相比,强度提高了716倍。

3结语

通过对几种FRP粘贴系统的对比分析,阐明了现有FRP粘贴锚固系统存在的不足,即无法有效阻止FRP片材的早期剥离破坏。并研究开发出一种新的基于摩擦-胶接机理的混杂锚固系统(H B-FRP),通过初期的拉拔试验、FRP黏结加固RC梁受弯试验,对H B-FRP粘贴锚固系统的有效性进行了试验研究。结果表明,与现有其他FRP粘贴锚固系统相比,H B-FRP粘贴锚固系统能极大地提高FRP)混凝土界面的黏结强度,从而使FRP片材抗拉强度高的力学性能得以有效发挥,可提高FRP片材利用率,最终大幅提高构件的加固效果。

上述工作只是对H B-FRP粘贴锚固系统所进行的初步试验,要深人了解和掌握该锚固系统的性能,还有很多深入性的科研工作有待展开。

参考文献:

[1]Nanni A1Carbon FRP str eng thening:N ew techno lo gy

becomes mainstream[J]1Concrete Int ernational,1997,

19(6):19-231

[2]R izkalla S H1A pplicatio ns o f fiber reinfor ced polymer

in infr ast ruct ur e[C]1Peo ria:International Co nstr uc-

tion Innov atio ns Conference,20061

[3]Ye L P,L u,X Z,Chen J F1Design pro po sals for

t he debo nding strengths of F RP str eng thened RC

beams in the Chinese design co de[C]1H ong kong:

Pro ceedings of the Internatio nal Sy mpo sium o n Bond

Behavio ur of F RP in Str uctures,20051

[4]De L orenzis L,T eng J G1N ea r-sur faca M ounted FRP

R einforcement:An Emerg ing T echnique f or Str eng th-

ening St ruct ur es[J]1Co mpo sites,2007,38:119-1431 [5]Bank L C1M echanically fastened F RP M F-F RP-A v ia-

ble alternativ e for str eng thening RC member s[C].Au-

str a:2nd Int Conf o n FR P Composites in Civ il

Eng ineer ing,20041

[6]W u Y F,H uang Y1Hy brid bo nding o f F RP to Rein-

f orced Concrete Structur es[J]1Journal o f Co mpo sites

f or Constr uctio ns,2008,12(3):266)2731

[7]Y un Y C,Wu Y F,T ang W C1P erfo rmance o f FRP

bo nding sy stems under fat igue lo ading[J]1Eng ineering

St ructur es,2008,30(11):3129-31401

)

31

)

2010年第12期阎卫国等:FR P粘贴锚固系统性能研究