NSM玄武岩FRP加固混凝土梁抗弯性能的数字图像相关系统评价
Sherif M. Daghash, Osman E. Ozbulut. uArr;
弗吉尼亚大学土木工程与环境工程系，P.O.Box400742，夏洛茨维尔，弗吉尼亚州22904-1000，美国
文章信息：
文章历史：
2017年2月16日收到
2017年4月18日修订
2017年6月7日接受
2017年6月9日在线提供
关键字:
表面嵌贴
BFRP
DIC技术
混凝土结构加固
概要：
本课题主要研究表面嵌贴(NSM)玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)筋加固钢筋混凝土梁的抗弯性能。采用不同的内纵配筋和加固钢筋比，配制了长度为2100 mm的五根混凝土梁。在单调荷载作用下进行了四点弯曲试验。采用数字图像相关(DIC)技术对全场位移、应变轮廓以及跨中挠度进行了监测。用应变仪记录BFRP筋中的应变。计算了NSM加固中的力-位移曲线、纵向应变和裂缝宽度，并用其评价了加固梁的性能。结果表明，NSM BFRP筋能成功地恢复锈蚀钢筋混凝土梁的承载力，同时具有较好的延性。此外，采用NSM BFRP筋可以提高钢筋混凝土梁的极限承载力，但作为代价，挠度会比较小。
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- 介绍
混凝土结构在使用寿命中，由于使用荷载增加、环境影响、设计或施工质量差等因素，都会发生破坏。[1]。 更换所有老化和结构缺陷的结构可能需要大量的资源和时间。加强可以是更经济和可持续的替代办法，以延长混凝土结构的预期寿命。纤维增强聚合物(FRP)复合材料具有高耐蚀性、轻量化和高抗拉强度等优良性能，所以被广泛应用于混凝土结构的加固[2,3]。特别是表面嵌贴FRP加固体系被认为是混凝土结构强度恢复的一种有效技术[4–7]。在NSM加固中，在加固结构的混凝土面上切割，将钢筋或钢带被插入到纵向槽中，然后用环氧树脂或者水泥砂浆粘合到结构上。 与外粘结(EB)加固系统相比，NSM加固方法具有许多优点，即纤维束强制聚合物(Frps)与混凝土的外表面结合在一起。更特别的是，NSM加固能有效避免过早脱粘以及通常发生在电子束系统中的断裂破坏，保护加固不受环境影响和外部影响。它所要求的表面准备低，安装时间少，并能够加强结构元件的负弯矩区域[8–10]。
很多研究人员考虑了在不同不同参数的影响nsm FRP筋的粘结性能变化，参数包括沟槽尺寸、粘合材料、表面质地和粘结长度等[11,12]。一些研究者对EB和nsmFRP体系的粘结效率进行了初步的研究[15–17]。Seo等人[13]发现NSM体系的结合强度是EB体系的1.5倍。Bilotta等人在报告上还说，与EB系统相比，NSM技术延缓了脱粘。结果表明，在NSM系统中，FRP材料的抗拉强度得到了较好的利用，从而提高了材料的利用率。
在以往对混凝土梁的NSM抗弯加固研究中，碳纤维布(CFRP)条或钢筋已被用作钢筋[15-17]。通过CFRP加固梁加固梁，可以显著提高屈服极限承载力和极限承载力。但CFRP-NSM加固梁主要表现为脆性破坏模式。一些研究人员研究了玻璃钢(GFRP)在NSM应用中的应用。sharaky等人[18]采用NSM CFRP或GFRP筋加固净跨2400 mm的钢筋混凝土(RC)梁试件并且在四点弯曲载荷下进行试验。与参考梁相比，当使用一根或两根nsm cfrp筋时，cfrp加固梁的极限承载力分别提高了55%和66%。GFRP加固梁的极限承载力分别提高了41%和59%。但CFRP加固梁在极限荷载作用下的挠度几乎是GFRP加固梁的一半，表明CFRP加固梁具有更强的脆性。在最近的一项研究中，El-Gamal等人[19]还研究了NSM玻璃和碳纤维增强梁的弯曲性能。研究表明，与NSM GFRP加固梁相比，NSM CFRP加固梁表现出更多的脆性，但达到了更高的极限承载力。
玄武岩纤维是近年来在玻璃钢工业中用于制备玄武岩-环氧复合材料的一类环保型天然纤维。玄武岩纤维具有较高的周围混凝土耐碱性、抗侵蚀环境性能、高化学稳定性和抗疲劳性能[21]。玄武岩玻璃钢(BFRP)复合材料是近年来出现的一种替代的、有利的FRP材料，可用于土木工程[22-24]。与CFRP相比，BFRP具有更低的极限强度和弹性模量，但成本更低，工作温度范围更宽。与GFRP相比，它们具有更高的力学性能、更好的化学稳定性和相似或更低的成本。然而，对BFRP筋在混凝土结构NSM加固中的应用研究却相对较少。朱等人。[ 25 ]研究了BFRP筋加固钢筋混凝土梁的抗火性。Gopinath等人[26]重点研究了BFRP筋在NSM加固应用中的粘结性能。目前还没有对NSM BFRP加固梁的抗弯性能进行详细的研究。
数字图像相关(DIC)技术是一种非接触式光学-数值测量系统。基于不同加载水平下数码相机捕获的典型区域序列图像的比较，它能提供全场位移和应变的保证。因此，DIC技术优于传统的测量方法，如lvdts和应变计，后者要求与试样表面直接接触，并且只提供点态测量。此外，传统的测量器在高度变形的情况下可能会与试样发生损伤或分离。因此，DIC技术被广泛应用于混凝土结构中，包括全尺寸钢筋和预应力混凝土构件的裂缝检测和性能分析[28，29]， 混凝土-混凝土和FR
P-混凝土界面断裂特性分析[30，31]；桥梁结构健康监测[32]。
本研究探讨了用BFRP筋作为NSM筋加固钢筋混凝土梁的抗弯性能。采用不同的内纵筋和加固配筋率配制了5根混凝土梁，并在单张四点受弯荷载下进行了试验。DIC系统用于监测全场位移、应变轮廓和跨中挠度。并对各梁试件的主要弯曲裂缝的发展进行了监测和分析。根据不同加载阶段的受力和位移能力，NSM钢筋的纵向应变和混凝土的裂缝宽度，摘要对BFRP筋在钢筋混凝土梁NSM加固中的性能进行了评价。
- 实验项目
2.1材料
本研究中使用的BFRP筋被商业上标记为GATORBARTM，由Neuvokas公司提供。这些筋公称直径为9.5毫米，纤维质量占比为80%。按生产厂家的规定，BFRP筋的平均抗拉强度为1109.5 MPa，弹性模量为44.3 GPa，峰值应力时的平均应变为3.21%。图1给出了单轴拉伸下BFRP筋的典型应力-应变曲线。采用带肋钢筋作为纵向和横向钢筋。钢筋的屈服强度、极限强度和弹性模量分别为413.7 MPa、517.1 MPa和200 GPa。以直径为12 mm的钢筋作为张拉钢筋，直径为10 mm的钢筋作为箍筋和顶钢筋。这些梁是用现浇混凝土浇筑的。五个尺寸为150 300 mm的标准圆筒，被制备成了压缩试验材料。28天后混凝土圆筒平均抗压强度为38MPa。采用西卡杜尔reg;32 Hi模数环氧胶粘剂将BFRP筋与混凝土梁粘结。根据生产厂家的要求，环氧树脂的抗拉强度为48 MPa。
2.2钢筋混凝土梁设计
共制作和测试了五根混凝土梁。如图2(a)所示，梁的总长度为2100mm，净跨度为1950mm。所有梁的截面都是尺寸为300mm*150mm的矩形。图2（b）显示被测试梁的横截面细节。第一个试件为参考梁(参考梁或S3B0)，以三根钢筋为主要配筋，无补强BFRP筋。两个试件有3个纵向钢筋，分别用S3B1和S3B2两根BFRP筋加固。另外两个试件设计为两根纵向钢筋，再用一根(S2B1)或两根(S2B2)BFRP筋加固。两根或三根钢筋的钢筋混凝土梁的纵向配筋率分别为0.66%和1.0%，钢筋混凝土梁截面未加筋。对于所有梁，在125 mm处间隔设置箍筋，以确保梁的弯曲破坏。在加固梁中，在浇筑混凝土之前，先将泡沫置于模板内形成凹槽。沟槽的横截面为25 25 mm，长度为1800 mm。混凝土硬化后，去除泡沫，清洗沟槽表面。然后用环氧树脂填充槽深的一半，将1800毫米长的钢筋放在槽内并轻轻压压。用环氧树脂完全填充沟槽，平整梁的底部表面。将环氧树脂固化7天，然后再测试横梁。
2.3.测试装置和仪器
梁试件受四点弯曲荷载作用，荷载跨度为0.3 m。试验是由165 KN MTS。reg;伺服液压器实施。在执行器上安装了钢制铺开梁，以分配两个加载点上的总载荷。试验采用位移控制方式，加载速率为2 mm／min。应用MTS数据采集系统记录加载载荷，用DIC系统记录混凝土在恒弯矩区的跨中位移和应变。未变形梁的参考图像是在加载前捕获的，与加载过程中捕获的变形梁的后续图像相比较。这些图像是由一个12毫米镜头和2448 2048像素分辨率的单一相机拍摄的。摄像机的帧速率为每秒一帧。为了保证DIC系统的可靠性，在光束的ROI上采用了一种非周期高对比度的黑点散斑表面模式。在这项研究中，梁的ROI是中心600 300毫米区域，如图3所示。图3显示与混凝土梁的规格和测试仪器的测试框架的总布置。
- 成果和讨论
3.1试验钢筋混凝土梁的受弯性能
图4给出了单调荷载作用下钢筋混凝土梁的总荷载与跨中挠度曲线。曲线从线弹性开始，所有的梁都遵循相同的加载路径。混凝土部分尚未开裂，梁的整体性能取决于无裂缝混凝土的总截面性能。当混凝土底部纤维在最大弯矩区的张力超过混凝土的抗拉强度时，这些曲线就达到了混凝土的开裂点。但是，由于粘结环氧材料的弹性模量低于混凝土，因此粘结环氧材料在这一点上没有出现裂缝，从而导致在这个变形水平下的应力较小。随着荷载的增加，混凝土截面裂缝进一步扩展，裂缝宽度增大，出现了新的弯曲裂缝。梁的受力-位移曲线遵循不同的加载路径，这一阶段的整体性能不仅取决于混凝土截面无裂缝部分的性质，还取决与钢筋的配筋量和布筋加固量。然后， 由于混凝土的碾压，梁中承载力略有下降的区域经历了钢筋的屈服。然而，在这一点上没有发生故障，并且所有的梁都能够恢复它们的负载能力。梁仍能承受大致恒定的荷载，挠度显著增加，直到达到最大承载能力。梁中还观察到斜向剪切裂缝，在增加荷载作用下，部分剪切裂缝以弯曲裂缝的形式合并或继续存在。然后加载无法增加承载能力，直到失效。
表1总结了所有梁的试验结果，包括开裂荷载(PCR)、钢屈服荷载(Psy)和相应弯矩(MSY)、最大荷载(Pmax)和相应的最大弯矩(Mmax)。 最大荷载作用下的跨中挠度(DPmax)。表5(A)给出了以三根钢筋为主要钢筋的试件的荷载-跨中挠度曲线。图的内部图表明，加固梁的初始刚度略低于基准梁，直至达到开裂荷载。这可以归因于这样一个事实，即从梁中取出形成沟槽的混凝土比填充沟槽的材料具有更大的弹性模量。每一个槽置换混凝土面积为625 mm^2，使用转换截面法计算有，钢筋混凝土及填充环氧的等效面积是178.6平方毫米。
混凝土开裂发生在约为三束同样的负荷后，参考梁和s3b1梁有类似的刚度至钢筋屈服，而s3b2梁显示由于较高的刚度 该梁的加固率较大。钢的屈服载荷为97.2 kN，参考梁的最大载荷为121.3 kN。用一根BFRP筋(S3B1)加固的梁试件，其强度提高了9.5%，钢的屈服载荷和最大载荷增加14.3%。当采用两根BFRP筋加固时，钢的屈服荷载比参考梁增加了26.2%~122.7 kN。然而，由于执行器的能力有限，该梁没有达到失效荷载。当试验停止时，S3B2试件的载荷为164.5 kN，比参考梁的最大承载能力提高了35.6%。图5(B)比较了参考梁(S3B0)、S2B1和S2B2梁的荷载与跨中挠度曲线。假定参考光束中的三根纵杆中有一根被腐蚀，S2B1和S2B就会被腐蚀。 2个试件仅设计两根纵向钢筋，用BFRP筋加固，以恢复抗弯承载力。
图（5）比较了参考梁(S3B0)、S2B1和S2B2梁的荷载与跨中挠度曲线。假设参考梁中的三根纵向杆中有一根被腐蚀，S2B1和S2B2试件仅设计两根纵向钢筋，并采用BFRP筋加固，以恢复受弯承载力。图5(B)中的细节，表明参考梁在开裂荷载下具有较高的刚度。然后，加固梁的刚度（S2B1和s2b2）几乎是相同的参考梁直到达到钢材屈服点。与参考梁相比，S2B1和S2B2试件的钢屈服载荷分别下降了22.1%和12.5%，分别由于BFRP筋的配筋量较低，弹性模量较低。无论如何，S2B1梁能够达到参考梁最大承载能力的98.7%，与参考梁相比，最大最大挠度增加了36.2%。此外，与参考梁相比，S2B2梁的最大承载能力和相应的挠度分别增加了24.7%和19.8%。注意，由于加固配筋率的提高，两根BFRP筋加固梁(S2B2)在最大荷载作用下的挠度低于单根BFRP筋加固梁的挠度(S2B1)。然而，两种加固梁的挠度均高于参考梁，这可能是由于BFRP筋的弹性模量低于钢筋筋。这些结果表明，nsm bfp筋能有效地恢复甚至提高钢筋混凝土梁的承载力，同时提供更易延展的响应。
在加固梁中，在跨中处的BFRP筋上安装了应变规，以监测加载过程中钢筋的拉伸应变。图（6）给出了两组加固梁的总荷载-应变曲线。可以分辨出混凝土开裂和钢的屈服的点，在那里观察到的曲线的斜率变化。如图所示。6(A)在15.6 kN的开裂荷载下，S3B1梁的BFRP筋的应变一直保持在很低的水平，直到达到0.05%。在89.4 kN的屈服载荷下，钢筋的应变线性增加，应变率高达0.36%。一个非线性的BFRP筋的应变明显增加直至达到最大负载能力，在应变为2.12%。该应变值是BFRP筋极限应变能力的66%。应该指出，由荷载-挠度曲线得到的混凝土开裂荷载和钢屈服荷载值与荷载-应变曲线得到的荷载值相差不大。这可以归因于DIC和应变计捕捉到的测量的不同性质(即分布式测量和点测量)。从S3B2梁的加强筋获得的应变数据与S3B1试样的行为类似。梁的荷载-应变曲线在应变为0.06%时达到混凝土开裂点，钢在0.35%应变处屈服。但在0.75%应变条件
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