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RC框架和NSM CFRP框架的失效响应的实验表征
摘要
本文介绍了两种钢筋混凝土框架的加载结果。混凝土框架在梁中用0.94%受拉钢筋加固。第二个框架有同样的混凝土，在梁的正弯矩区和负弯矩区增加了高达0.35%的近表面张力CFRP加固。每个框架都有四跨，并由一个矩形顶部与两端悬臂组成梁的计算单元。FRPRC框架被发现比对照多承载37%的荷载。利用非线性RC模型中记录的梁钢筋应变，对框架的峰值矩进行了量化，并表明满足平衡。然而，混凝土框架，而不是FRPRC框架，被发现在高负荷时表现出显著的有益力矩再分配，从而抵消了在低负荷时由于开裂而产生的不利力矩再分配。混凝土框架出现延性破坏。令人惊讶的是，确定FRPRC框架失效的FRP的脆性分离是在梁跨中区域开始的，没有局部屈服的证据。这种非屈服的跨中分离模式，通常与配筋率有关，应该进一步研究。
1.引言
在任何超静定钢筋混凝土(RC)结构中，设计极限荷载下的弯矩受这些弯矩作用的具体钢筋的影响。然而，在建立用于预测设计的结构分析时，钢筋是未知的。因此，对未开裂的混凝土的简化假设通常采用支持这种分析的特殊截面性质。在实践中，对于包含如此详细的钢筋布局的真实结构，弯矩重分配是在增加荷载下发生的，首先是在极低荷载下从未开裂的混凝土(与分析一致)过渡到中等荷载下的开裂混凝土。这种第一阶段的再分配是不利的，因为它激活了在设计极限荷载以下的荷载水平下的某些峰值力矩区段的弯曲能力。如果该结构要继续承载超过这些第一阶段和随后的载荷，最终承载其设计极限载荷，那么被激活的部分必须保持它们的力矩能力，直到其他峰值力矩区段的能力也在设计极限载荷下被激活为止。换句话说，在较低的荷载下被激活的部分必须是延展性的
如果采用钢筋，这种延性很容易通过对峰值弯矩部分的不足来实现。钢的轴向应力-应变曲线顶部的平缓区转化为临界截面弯矩-曲率图顶部的延性。然而，如果FRP钢筋单独使用，如在新建筑中，或与钢筋平行使用，如在加固现有的混凝土结构中，弯矩曲线图显示了一个上升的特征，直到失效。这是由FRPs在失败中所表现出来的唯一线性弹性行为的直接结果。在这种情况下，可能只有有限的延性可用，因此在较低负荷下发生的不利力矩再分配可能只在较高负荷下被部分抵消。因此，在未开裂的基础上，用FRP加固的混凝土结构可能无法实现其设计极限荷载。实际上，结构所能达到的承载力将取决于有限延展性的数量和分布(也就是说，结构中峰值弯矩的位置)。在没有足够延性的安全网的情况下，了解包括完全或部分FRP筋的不确定混凝土结构的矩重分布特性在内的破坏行为就显得尤为重要。再分配可能涉及来自诸如微分沉降等难以量化的来源的自平衡力矩。因此，谨慎的做法是从尽可能抑制自平衡力矩的研究开始。
为此，一些实验研究集中在用FRP加固的不确定混凝土结构的再分配能力上，或与钢筋水泥结合在一起。这些研究集中在两跨连续(TSC) RC梁上。在新的建筑背景下，Grace等人用钢、碳FRP或玻璃FRP (GFRP)条测试了7个t型钢TSC混凝土梁的弯曲变形。El-Mogy等[2]测试了另外5个TSC混凝土梁，其中一个用钢作为控制梁，另一个用GFRP或碳纤维布加固。Habeeb和Ashour[3]测试了三根矩形截面的TSC混凝土梁，每根梁都用GFRP筋加固，梁之间钢筋的数量变化。Correia等人对TSC混合梁进行了测试，该混合梁由粘结在i型钢GFRP梁上的混凝土板组成。所有这些试验都揭示了由于使用FRP而导致的有限延性，实际的矩重分布程度随FRP的数量和布局而变化
为了用FRP桩加固现有的混凝土结构，还存在着以前将FRP筋与混凝土构件连接在一起的盖层混凝土断裂的脆性破坏模式的问题。这导致FRP与原始RC构件之间的复合作用损失，从而导致截面矩capac系数突然显著下降。显然，保留部分容量定义了延性破坏行为是失败的。在对100多根等静力FRP RC梁的试验和失效数据的回顾中，Bonacci和Maalej[5]发现这种脆性失效模式非常普遍。除了FRP的线性弹性性质外，这种失效进一步降低了不确定FRP RC构件的矩重分布能力。再一次，在一些研究中，TSC成员被测试以研究这些时刻重新分配的能力。这些组合梁采用外部粘结或近地表CFRP加固，用于普通强度混凝土[6-8]或高强度混凝土[9]梁。研究发现，生猪区和凹陷区从FRP加强到一个区或另一个区强化的变化影响了再分配特征。还报告了试验研究开发和研究韧性FRP加固的效果。例如，Grace等人[10]发现，三轴编织的韧性FRP加固使TSC RC梁的最大正、负弯矩区段充分利用了弯曲能力。
上述的TSC梁都是单不确定的，因为结构和荷载都是对称的。在实际应用中，需要加强的超静RC结构往往具有高度的不确定性，进而导致更复杂的力矩重分布行为。因此，在上述研究的成功基础上，通过调查更加不确定的FRP钢筋混凝土结构的再分配和一般的不合格特性，就可以得出上述结论。钢筋混凝土框架由于其高度不确定的性质和节点间共享活动带来的额外复杂性，是此类研究的良好候选者。因此，接下来，在一个RC框架上进行失败测试并对其中一个FRP RC框架进行了描述，并对其结果进行了比较。
2.试样
2.1综述
构造并测试了两个框架。一种框架(con- trol)只使用钢筋，另一种采用与NSM FRP加固相同的钢筋。起始点为一般的多层、多跨RC框架，在跨中点荷载作用下，各梁跨相等，如图1(a)所示。虚线内的封闭部分的结构,即一个跨度的一部分相邻跨——是孤立的。在这个孤立的部分中，左柱和右柱分别采用固定脚和固定脚。应用于这个扩展的单跨的边界条件如图1(b)所示。在柱外伸出的悬臂梁被用来表示在相邻跨中，梁的部分跨度达到了反向点(假定为14跨)。在图1(b)中，注意到悬臂的顶端的垂直约束和无旋转约束。它们会在悬臂梁的顶端产生剪力，但不产生力矩——这两者都具有抗弯曲的特性。其目的是使尖端的垂直运动为零，而在实际操作中，在反向运动时，会出现一些垂直偏转。在这些尖端表示了零力矩和非零剪切力的关键边界条件。
悬臂梁也被用来提供锚定长度为弯曲钢筋的主要，中央梁跨度。短的立柱在横梁之上，仅仅是为了为立柱加固提供锚地。在边界约束条件下，该结构具有四个自由度。这种程度的不确定性大大超过了以往试验中使用的试样，因此这些试验被认为是对失败行为的新见解。
在布里斯托尔大学的测试框架中使用了最大4.8 m的试样长度。这与在1 / 4跨度(所有梁跨假定相等)的假设条件下，导致主梁跨度和图1(c)所示的悬臂长度。最后,梁跨度,柱高比率从实践中,测试框架内的最大高度可用,需要空间来插入梁支持以下和样品上方的加载装置,和一个300毫米的长度列直立认为必要列钢筋锚固的目的导致了垂直维度的测试规范,实施如图1所示(c)。请注意，这些维度沿着框架的各个组成部分的中心线。这一点很重要，因为梁的深度和柱宽意味着最终的净跨度将略小于图1(c)的跨度。
采用近表面贴装FRP加固法，相对于表面贴装FRP板，加固FRP-to-混凝土锚固。在实际中，板梁结构的负力矩区是t型截面，梁框架的腹板插入柱中。得到的NSM FRP在板坯上的布置必须避开柱，从而得到图1(d)的布局。在本研究中，我们认为生产这一t段所需的复杂模板是过度的，而没有给予任何额外的好处，如进一步洞察到时间的再分配行为。简化的下一个层次是一个宽的矩形截面梁框架成为一个窄的柱，因此仍然允许负矩NSM FRP通过柱的任何一边。为此需要的模板布局也被认为是不合理的。最后的决定是采用与柱的宽度相等的矩形梁截面，使负矩NSM FRP筋通过梁柱节点。在浇铸试样时，使用聚苯乙烯衬垫在接缝处留下必要的空隙。
2.2截面尺寸和加固细节
图2给出了控制钢筋混凝土框架和NSM FRP钢筋混凝土框架的详细尺寸和加固布局。两种框架的钢筋布局是相同的。这包括在梁的正、负力矩区各有0.94%的张力钢，以及每柱0.57%的张力钢。CFRP加固是第二框架的独特之处。这使得在梁的正力矩区产生了0.35%的张力CFRP，在主梁跨的负力矩区产生了0.31%的张力CFRP。钢筋的百分比是根据混凝土截面的总面积而定的。对于锚地，负力矩CFRP继续进入相邻的悬臂。接下来的讨论解释了这些细节背后的基本原理。利用图1(c)的主梁跨度，结合实际施工和实际覆盖混凝土深度的梁展深比。在允许使用NSM FRP的情况下，确定了215毫米的梁深度。对于圆柱，采用200毫米的深度。根据试验框架的横向尺寸，梁和柱均采用300mm宽。对于梁，决定使用一定数量的钢筋，将截面的中性点轴置于极限状态(假定混凝土破碎)，大约为钢筋混凝土截面有效深度的三分之一。在控制框架和FRP RC框架中，梁和柱采用了足够的钢连接，以防止剪切破坏。在控制框架中，采用相同的负力矩和正力矩加固布局。钢柱加固是为了避免弯曲屈服，尽管在极限荷载作用下，钢柱会出现一些开裂。
最初的意图是使梁长度的负力矩区在弯曲中得到同等的加强。在这种情况下，尽管有预防措施，必要的聚苯乙烯插入用于在一个这样的区域的混凝土中产生空隙，无意中被浇注的湿混凝土在浇注过程中所产生的力所破坏。由于浇铸工艺的要求，几乎没有办法扭转这种影响。因此，实际的FRP强度增强方案只需要加强一个负弯矩带，也需要加强梁的正弯矩带。每个聚苯乙烯插入被详细地在覆盖混凝土创造一个燕尾沟，将有助于抑制FRP筋与混凝土分离。
2.3制作的模型
钢的弯曲钢筋的弯曲和钢的剪切连接的制造是在外部进行的，而钢和碳纤维布里斯托尔大学对钢和碳纤维布进行了应变测量。在布里斯托大学，钢筋和连杆被绑在一起，模板被建造，已经混合的混凝土浇铸完成。在浇铸过程中，混凝土圆柱试件定期取样。在控制试样被放置在试验设备中进行加载至失效之前，混凝土被允许在4周内固化。
铸造之前,四个长度(召回两/ 12玻璃钢酒吧和最初两个/ 16纤维塑料筋)聚苯乙烯,每个部分吻合,连着后面的模板在适当的地点离开凹槽在治愈覆盖混凝土梁的正面和负面的时刻区将拉伸经理玻璃钢酒吧。然而，如上所述，在这种情况下，聚苯乙烯在一个负力矩区从模板上脱落，并在铸造过程中被移除。因此，最后，NSM FRP强化只可能存在于梁的负力矩区(选择为梁的柱上被钉住的区域)和主梁跨的正力矩区。
一旦混凝土被固化，第二个框架的凹槽就会通过去除聚苯乙烯衬垫暴露出来。这些凹槽的表面随后被释放出来，并通过喷砂处理使一些细小的骨料暴露出来，然后用真空吸尘器吸走后留下的灰尘。然后使用两部分环氧胶粘剂，凝固时间约为45分钟，将碳纤维布条粘结在凹槽中。这是在实验室的室温下完成的。在FRP RC框架被安装到测试设备中进行加载至失败之前，该粘合剂被允许一周固化。
2.4测试设置
图3(a)显示了布里斯托尔大学测试设施的控制框架设置。为了安全起见，两边都用了脚手架。特别感兴趣的是提供固定和固定边界条件在列的脚,在图3给出的细节(b)和(c),为每个支持条件,四个150毫米高垂直钢板螺栓彼此形成一个矩形外壳脚的列,这样这个外壳是在轴承的垂直的面。同样，在每一种情况下，这两个板在300毫米宽的柱上通过连接在水平板和垂直板上的钢角钢连接到一个50毫米厚的水平板。这个基座板位于测试设备的下横梁上，提供垂直支撑。
固定支架(图3(b)),提供的水平反应装置是一个由负载感应对基板的外面和串联面向纵向的方形空心型钢支撑,另一端是焊接面向外侧的钢铁工形截面附近传输负载从支柱固定列的测试设备。测压元件可以量化这个水平反应。将直径为5毫米的钢辊放置在基板和测试设备的梁支撑之间。这使得板与梁支撑之间产生任何明显的纵向约束力的可能性最小化。这是很重要的，因为这样的力不会被测压元件与支柱串联。支撑处的旋转约束由垂直的钢制拉杆提供，这些钢制拉杆穿过靠近底板角的孔。螺杆上的螺帽与板上的螺帽相连(如图3(b)所示)，而杆的下端则通过更多的螺帽连接到通道部分，而通道部分则依次在下方运行，并通过测试设备的低er梁进行支撑。有了这样的安排，柱脚和垂直的钢板，角钢和底板会尝试旋转几乎为刚体。这种旋转会受到四根拉杆中的两根拉伸力的影响。
垂直钢板、角钢和底板也被用于固定支撑。然而，基座板焊接在直径为50毫米的钢辊上，而钢辊又位于测试设备的下横梁上，如图3(c)所示。现在，从图3(b)中可以看到，沿着固定支架的底板中心线，只使用了一个抑制支柱。但是，对于固定支撑，这种安排会产生问题，因为滚子在支撑处的旋转可能(取决于旋转的感觉)导致基座板在支撑上产生轴承。由于这个原因，基板只在滚子的宽度中间使用，两个方形的空心截面钢杆对称地放置在试件的纵向质心上，与滚子相对，在底板的两侧。图3(c)所示的这些支板通过侧方空心截面构件与试验设施的近端柱发生反应。请注意，在图3(b)和(c)中，使用带将支柱在垂直运动时重新拉紧。
整个框架的纵向平衡决定了固定支撑处的水平反应等于固定端处的水平反应。因此，几乎没有理由(除了作为检查)在固定支架上放置测力元件来测量水平反应。除了确保固定支座上的单支板横向集中在固定支座上的两个支板之间之外，消除了两端支板之间的任何垂直偏移，以避免在测试试件上出现一对偶的意外发展。由于固定端上的滚轮，两个支架之间的高度差为50毫米。这是通过使用一个50毫米高的测压元件(用于测量垂直反应)来补偿的。因此，两根柱子的脚都在同一高度。
2.5仪器和测试程序
对于3米长的主梁跨度，应变片在一个拉力钢和一个FRP弯曲钢筋的每个峰值的负弯矩和正弯矩截面上。对于每一柱，在柱的最大弯矩(即柱与梁的接触面)处，在一根紧绷的钢索上放置一个应变计，即在柱与梁的接触面处。
在边界限制条件下，每一帧都具有4度的静定值。因此，除了需要在梁的中段施加荷载之外，还需要4个加载单元来渲染框架的确定。在试验中所使用的这些测力元件的位置和强度包括两个悬臂顶端的向下的垂直反应，以及固定柱支撑处的水平和向上的垂直反应。此外，在施加的荷载下直接测量梁的垂直挠度。
应变测量采用带有引线的电阻应变仪，线性变径变径变压器(LVDTs)测量挠度。当然，测压元件是电
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