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对表层嵌贴CFRP加固钢筋混凝土梁反应的实验性和参数化研究
S. B. Singh, M.ASCE1 ; A. L. Reddy2 ; and C. P. Khatri3
摘要：目前的调查涉及碳纤维增强聚合物（CFRP）钢筋制造，实验性弯曲和表层嵌贴（NSM）CFRP加固钢筋混凝土（RC）梁的剪切响应，和使用Abaqus的表层嵌加固RC梁详细的参数研究。CFRP筋使用加捻技术在当地制造。通过考虑影响钢筋混凝土梁加固的各种关键参数进行参数研究，例如CFRP筋的取向，几何形状，沟槽间距，槽的类型，筋的横截面积和材料强度。参数研究基于使用Abaqus进行非线性有限元建模来检查弯曲和剪切性能。所有梁都在两点加载系统下进行测试。使用Abaqus获得的数值结果与实验结果一致。目前的研究结果表明，用表层嵌贴CFRP筋加固的钢筋混凝土梁的强度显着增加。此外，基于这项研究，提出了实际结构应用和表层嵌贴CFRP筋使用优化的规范。DOI: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000411. copy; 2013 美国土木工程师学会。
关键词：CFRP筋; 抗弯强度; 非线性有限元法; 表层嵌贴; 剪切强度; 结构强化。
Professor, Civil Engineering Dept., Birla Institute of Technology and Science, Pilani Rajasthan 333031, India (corresponding author). E-mail: sbsinghbits@gmail.com 2 Graduate Student, Civil Engineering Dept., Birla Institute of Technology and Science, Pilani Rajasthan 333031, India. 3 Graduate Student, Civil Engineering Dept., Birla Institute of Technology and Science, Pilani Rajasthan 333031, India. Note. This manuscript was submitted on December 26, 2012; approved on June 28, 2013; published online on July 2, 2013. Discussion period open until March 2, 2014; separate discussions must be submitted for individual papers. This paper is part of the Journal of Composites for Construction, copy; ASCE, ISSN 1090-0268/04013021(11)/$25.00.
介绍
大多数现有结构都是在20世纪70年代之前建造的，它们基于重力荷载设计（GLD）;因此，它们缺少许多重要因素，如地震荷载和延性细部设计。此外，随着时间的推移，它们已经失去了承载能力。El-Attar等人 (1997) 通过实验描述了基于GLD的钢筋混凝土建筑物受地震影响的性能和原因。由于修复更快，更便宜，并且原始设计得以保留，因此比起重建它们提高这些结构的性能是更好选择。各种技术已经被用来来升级结构，但是最近，FRP筋的表层嵌贴（NSM）已经成为非常有效的解决方案。表层嵌贴不仅易于安装，应用和处理，而且还解决了延展性问题。Ceroni等人 (2012) 已经实验证明了表层嵌贴技术相对于其他外贴式加固系统（EB）的有效性。其他外贴式加固的FRP系统甚至容易受到火灾，潮湿，外部冲击等环境因素造成的外部损害。De Lorenzis 和 Teng (2007) 对表层嵌贴和其他外贴式加固系统的性能进行了广泛的研究。他们描述了表层嵌贴在剪切和弯曲强化方面的重要性。由于该技术的巨大应用，多年来进行了大量的研究; 因此De Lorenzis等人。（2002）通过实验和数值确定了嵌入混凝土中的表层嵌贴 FRP筋的粘结滑移关系。
加强技术的其中一个问题是实现适当的延展性。与其他方法相比，表层嵌贴由于其横向强化和混凝土约束效应而提供更大的延展性。El-Hacha和Rizkalla（2004）及Rasheed等人（2010）已经证明，与其他外贴的复合体系相比，表层嵌贴技术提供了延展性的显着增加。当高应力作用于钢筋混凝土梁时，观测FRP-混凝土界面之间取决于钢筋直径及其取向和其他参数的失效（Singh等人，2012）。在这些方面也提出了许多分析模型。Rasheed等人（2004）提出了一个分析模型，使用实验获得的双线性弯矩 - 曲率关系的FRP加固钢筋混凝土截面预测FRP筋加固混凝土梁的荷载 - 挠度响应。Weidong等人（2010年）和Ferracuti等人（2006）提出了数值模型，分别用于分析FRP筋和FRP板与混凝土对于粘结应力与滑移发展的性能。表层嵌贴技术对于加强梁和板的负弯矩区域实际上是有效且经济的。因此，有必要将其应用和用途标准化以加强混凝土结构。
虽然表层嵌贴最近已经成为最受讨论的研究课题之一，并且有许多文章描述了它的重要性，但实际上很少有文章提出在实际结构中应用它们的有效规范。美国混凝土协会（ACI）委员会440 [ACI 440.2R（ACI 2008b）]已经给出了一些使用FRP对结构进行外部加固的设计规范，但还有一些领域需要增加。在当前的研究中考虑了控制表层嵌贴表现的因素。它涉及标准化CFRP筋应用以实现各种强化目的。 用表层嵌贴 CFRP筋加固钢筋混凝土梁，并通过实验和数值评估其弯曲和剪切响应。除非明确说明，否则在整个数值研究中，梁的强度为2,000 MPa。考虑了加强弯曲和剪切的不同方案。本研究考虑了影响强化梁性能的因素，各种参数如钢筋直径（BD），沟槽间距（GS），沟槽宽度（GW），筋强度（BS），沟槽距边缘（GD-E），沟槽方向（GO），在研究中考虑了具有垂直的凹槽（SV），以一定角度倾斜的凹槽（SI-GO）和混合模式（SM-GO）。用于强化的筋的形状应该是什么？这是设计师最关心的问题之一。 因此，在当前的研究中，基于 [F–bar cross section (F-BCS)] 系统获得的数值结果得出了一些关键结论。
使用Abaqus（Dassault Systegrave;mes Simulia Corporation 2010）进行非线性有限元建模，并用实验结果验证所得结果。 生成多个验证模型以在性能上达到适当的准确度。表层嵌贴是一项新技术，尚未开展更多研究来验证现有规范并提出更多指导原则。因此，当前的参数结果将是表层嵌贴 FRP加固混凝土结构设计中最实用的结果。 由于该技术具有优于其他传统强化方案的若干优点，因此通过当前研究获得的结果肯定有助于建立规范，从而使该技术的总体使用标准化。
实验研究
本研究的整个实验研究分别在以下四个步骤中进行：（1）CFRP筋是在结构测试中心（STC）使用加捻技术在当地制造; （2）铸造了16个半尺度钢筋混凝土梁; （3）通过将筋插入各种形式的梁中以达到用表层嵌贴 CFRP筋加固梁的目的; （4）对表层嵌贴 CFRP加固钢筋混凝土梁对照组进行试验。 钢筋和梁试样的细节分别列于表1和2中。
表1.CFRP筋的抗拉强度
表2. 实验测试梁试样的命名法
CFRP筋的制造和测试
在目前的研究中，用机械开发的专用加捻设备用于大量生产手工铺筋。在这种技术中，钩子连接到设备末端的把手，CFRP纤维粗纱在钩子之间张紧。通过将环氧树脂和硬化剂TriEthyleneTetraAmine（TETA）与4％重量的环氧树脂硬化剂混合来制备粘合剂树脂。这些钩子在两端之间拉紧碳纤维之后可以移动，并可以通过旋转和向外扭转而保持分开。这样，CFRP纤维也会相互缠绕，然后向外拉伸，导致多余的树脂滴出。 这也有助于保持均匀的筋直径而不下弯。在适当的旋转次数之后，将钩子和把手固定，并使整个装置固化。一旦筋固化，就在末端切断。制造的CFRP筋的典型长度为2米，而CFRP筋的标称直径为7,8和10毫米，分别由75,85和100个碳纤维组成。实施用于FRP筋拉伸测试方法ASTM D3916（ASTM 2008），并且在STC中制造的各种CFRP筋的拉伸强度示于表1中。
梁的实验研究
根据配筋，铸造了三种不同类型的梁，它们被归类为（1）欠筋梁：三个，（2）超筋梁：三个，（3）剪切梁：十个。根据IS-456 (Bureau of Indian Standards 2000)，欠筋和超筋梁下设计弯曲失效，而剪切梁设计成剪切失效。所有16个的梁试样尺寸均为1,300times;130times;130 mm。每个类别中的一个或两个欠筋梁充当控制梁。 在梁的命名法中，E指的是通过实验测试的样本。有关梁试样的详细信息和术语见表2。欠筋梁下用两根8毫米钢筋加固，而超筋和剪切梁则用三根12毫米钢筋作为内部加固件加固。表3和图1中提供了梁试样的完整加固细节。对于所有梁，从底部增加距离钢筋中心30 mm的有效覆盖层。混凝土的抗压强度和抗拉强度分别为30和3.83 MPa。 钢的屈服强度和极限抗拉强度分别为415和425 MPa。
表3. 梁试样的加固细节
图1. 梁的加固细节
在钢筋混凝土梁上安装表层嵌贴 CFRP筋
为了安装表层嵌贴 FRP钢筋，在所需方向上将沟槽切入混凝土表面，然后用环氧树脂填充沟槽中间; 然后将FRP筋置于凹槽中，并施加轻微压力。这迫使树脂围绕杆流动并完全填充在筋和槽的侧面之间。用足够量的环氧树脂填充凹槽使之平整之后，等待环氧树脂硬化。通常，凹槽的尺寸由FRP杆的直径决定。 ACI 440.2R（ACI 2008b）建议沟槽宽度和深度至少为棒材直径的1.5倍。 该研究采用了ACI 2R-08（2008b）建议的相同切槽模式。
为了预测弯曲强度，在设计为弯曲失效的六个梁中，两个梁用作控制梁。此外，每个类别的梁（即欠筋和超筋）用8毫米直径的FRP筋加强，而另一个类别的梁都用10毫米直径的筋加固。因此，在设计用于弯曲失效的梁中进行两种不同尺寸的开槽。 对于8mm FRP筋，凹槽的尺寸为12times;12mm，对于10mm FRP筋，凹槽的尺寸为15times;15mm。两种类型的两个槽之间的间距为50mm，如图1所示。
类似地，设计成剪切失败的十个梁中的两个梁充当控制梁。 此外，对于两种不同的筋直径（8和10mm），在八个剩余的剪切梁内制造三种不同的加强模式和两种不同的凹槽尺寸（表2和图2）。第一种模式凹槽（SI）以45°的倾斜度制成，它们之间具有100mm的间隔。第二种模式凹槽（SV）在垂直方向上制成，在一侧具有50mm的间隔，而在另一侧为100mm，所以可以在梁的后侧观察到失效; 而第三种模式包括垂直和倾斜模式，即混合模式（SM）。
图2.各种类型的剪切强化模式
仪器和测试
使用LVDT（行程100mm，灵敏度0.1mm）测量在中跨处保持在梁的拱腹处的垂直挠度。使用一个保持在支撑件下的测力传感器测量施加的载荷。使用手动液压千斤顶来施加负荷。使用16通道数据采集系统来收集数据。所有梁都受单调加载直至失效。对所有梁施加两点加载。三个不同的载荷跨度（表4）用于梁的测试（图3），以确保特定梁中所需的弯曲或剪切失效。这些不同的载荷跨度具有足够数量的箍筋以避免中跨区域被过早的剪切破坏。
表4.各种样本中的负载跨度
图3.用于弯曲和剪切破坏试验的梁的载荷设置
实验结果
受弯加固梁的响应
如表5所示，表层嵌贴FRP加强的欠筋梁E-URF2和E-URF3的承载能力分别比相应的控制梁（E-CBURF1）高约69％和80％。研究还显示，用8mm直径的表层嵌贴筋加强的欠筋梁由于FRP筋的破坏而失效，而由10mm直径的筋加强的梁由于表层嵌贴 FRP筋的剥离而失效。
在超筋梁的情况下（图4），梁E-ORF2的承载能力比相应的控制梁（E-CBORF1）高42％。然而，由于表层嵌贴筋的过早剥离（图5b），使用10mm直径的表层嵌贴筋加强的梁E-ORF3失效，并且显示出比对照梁高36％的负载能力。 表5中提到了所有方案的失效模式。
表5. 表层嵌贴CFRP加强钢筋混凝土梁的承载能力和失效模式
图4. 表层嵌贴加强的超筋钢筋混凝土梁的弯曲响应
图5.（a）E-URF2中的FRP破坏; （b）E-ORF3中的FRP过早剥离
剪切梁的响应
设计为剪切失效的梁的峰值载荷和破坏模式如表5所示。观察到梁E-SV3和E-SV4的平均承载能力比控制梁（E-CBS1和E-CBS2）的平均承载能力高26％。用8mm直径表层嵌贴 CFRP筋加固的剪切梁的载荷与挠度响应如图6所示。类似地，在垂直方向上使用10mm直径的表层嵌贴CFRP筋加强的梁（E-SV5和E-SV6）具有比对
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