纖維編織網增強混凝土\\(Textile Reinforced Concrete,簡稱 TRC\\)是由纖維編織網與精細混凝土制成.使用織物增強水泥基材料的研究早在上世紀 80 年代初就已經開始了,到 90 年代后期,關于 TRC 的研究成果逐漸增多.德國最先成立了 TRC 的研究中心[1].2002 年 7 月,國際材料與結構研究實驗聯合會\\(RILEM\\)成立了關于 TRC 的研究學會\\(201-TRC\\),標志著歐美國家也正式開展對 TRC 的相關研究.國內也有很多學者從事 TRC 方面的研究,其中以徐世烺教授團隊和荀勇教授團隊為代表,進行了一系列的研究[1].
TRC 這種新型的復合材料,在進行結構加固時無需對 TRC 材料設置像鋼筋一樣的保護層,這是因為TRC 中的纖維材料是一種耐腐蝕的材料,它在混凝土中不會發生腐蝕.也正是因為 TRC 材料不需要保護層,所以它可以做的很薄,利用它進行結構加固時,幾乎不改變原結構的尺寸和自重.由于 TRC 使用砂漿作為凝膠材料,與 FRP 加固相比,可以有效的提高與基體材料間的粘結性,于此同時,也提高了加固結構的抗老化、耐火性、耐久性等方面的性能,也有效解決了 FRP 材料不宜在潮濕環境下施工的問題[2].
國內外大量學者的研究表明,應用 TRC 進行鋼筋混凝土結構加固是一種有效的加固方法[2-10].D'Ambris A 等[3]采用了不同種類的纖維以及不同的纖維網格規格、纖維的層數作為影響參數對 TRC 增強鋼筋混凝土梁的彎曲性能進行試驗研究,并提出兩個不同的理論模型來計算纖維的應變,并將結果與試驗值相比較,證明了這兩種模型都可以應用在纖維的應變計算上.Schaditz 等[4]對 TRC 材料加固大跨度板的彎曲承載能力進行試驗和理論方面的研究,結果顯示:TRC 材料可以極大的提高加固板的承載力,加固量會影響板的撓度變化,板的撓度隨著加固量的增加而變小,因此 TRC 材料用于加固大跨度板結構是安全的;用有限元軟件對板的變形及其承載力進行計算,得到的結果與試驗結果相近.Elsanadedy M 等[5]研究了分別采用 CFRP、TRM 加固 RC 梁的受彎性能,試驗結果發現,CFRP 加固構件的承載力要稍微優于 TRM加固梁的受彎承載力,但是在延性方面,TRM 的優勢非常明顯;數值模擬的結果顯示在 TRM 加固構件中加入 U 型錨固可以有效的控制加固構件發生剝離破壞.文獻[2,6,7,8]對 TRC 抗彎加固鋼筋混凝土梁的研究表明,TRC 抗彎加固梁的一般力學特征表現為:加固梁的抗彎承載力增大,梁的裂縫形態得到改善,裂縫的開展得到抑制,裂縫呈現"密而細"的特點,且隨 TRC 中配網率增加抗彎承載力明顯提高,裂縫寬度和間距都減小.文獻[5,7,8,9]都基于 RC 梁抗彎理論推導了 TRC 加固梁的開裂荷載計算公式和不同破壞形態的正截面承載力計算公式.文獻[10]對 TRC 抗彎加固 RC 梁試驗和有限元計算的荷載-撓度曲線和荷載-應變曲線的變化趨勢進行比較,發現兩者能夠吻合.
雖然 TRC 材料在靜載作用下表現出良好的加固效果,但 TRC 用于加固鋼筋混凝土梁在疲勞荷載作用下卻是未知數,會表現出怎樣的特性,該方法是否能在實際工程中應用,目前國內外尚未發現公開發表的相關論文發表.為此,本文對 TRC 加固 RC 梁的疲勞性能進行試驗研究.測定了 TRC 加固梁的疲勞壽命,分析了 TRC 加固梁的破壞過程與應變發展.
1 彎曲疲勞試驗概況
1.1 試驗梁設計與制作
試驗共制作了 10 根鋼筋混凝土梁 HF1~HF10,其中 HF1 為未加固梁,剩下 9 根為 TRC 加固梁.未加固梁截面尺寸為 120mm×240mm,加固梁加固之前的截面尺寸為 120mm×230mm,加固之后的尺寸為120mm×240mm,總長都是 2400mm.主筋采用 2 12、2 14、2 16 鋼筋,架立筋采用 2A8 鋼筋,所有梁的箍筋采用 A6.5HPB235 級鋼筋,箍筋間距為 s=100mm,純彎段為 200mm;砼強度為 C40,實測 28 天抗壓強度為 44.6MPa,試驗梁的基本參數如表 1.纖維編織網如圖 1,采用的是由相互垂直的碳纖維束和無堿玻璃纖維束混編的二緯縫編織物,網格間距為 10 mm\\(見圖 1\\) 詳細參數見文獻[1].加固梁橫截面示意圖如圖 2.
1.2 試驗加載
加載及測點布置如圖 3.加載系統采用杭州邦威生產的液壓伺服系統,數據由東華 3187 自動采集.疲勞試驗采用跨中對稱、等幅重復加載.疲勞荷載應力水平 σmax/σu= 0.7 ,應力比 σmin /σmax = 0.2 .直徑為 12mm的梁疲勞荷載上限為 52.5kN,疲勞下限為 10.5kN;直徑為 14mm 的梁疲勞荷載上限為 59.5kN,疲勞下限為 11.90kN;直徑為 14mm 的梁疲勞荷載上限為 68kN,疲勞下限為 13.6kN.
2 試驗結果與分析
各梁的疲勞壽命及破壞形態匯總于表 2:
從表 2 中可以得到,同樣配網率下,單面加固梁的疲勞壽命為 41.53 萬次、U 型加固梁的疲勞壽命為38.10 萬次.在加固量相同的情況下,單面加固的疲勞壽命要高于 U 型加固.這是因為 U 型加固在梁側面的 TRC 材料不能得到充分的利用,隨著梁高的增加,TRC 受力減小,而單面加固梁所使用的 TRC 材料全部布置在梁底,其受力比較均勻,所以在疲勞荷載上下限都不變的情況下單面加固梁的疲勞效果要優于 U型加固.但不論是三面加固還是 U 型加固都比未加固梁的疲勞壽命有所提高,單面加固提高了 32%,U 型加固提高了 21%,說明 TRC 對提高 RC 梁的疲勞壽命有很好的作用.
2.1 疲勞破壞過程
TRC 加固梁的破壞形態可分為兩類:\\(1\\) 砼壓壞,網拉斷,鋼筋未斷裂;\\(2\\) 砼未壓壞,網拉斷,鋼筋未斷裂.梁 HF2、HF3、HF4 發生第一類破壞模式.發生第一類破壞的梁,配網層數較少,加載時纖維編織網層受力較大,破壞時網突然斷裂,斷口整齊,破壞形成的主裂縫較窄,但裂縫高度很高,中和軸位置相對較高,受壓區混凝土被壓壞,如圖 4\\(a\\).梁 HF5、HF7~HF10 發生第二類破壞的梁配網層數較多,跨中變形較小,破壞時主裂縫高度較低,受壓區混凝土未能壓碎,如圖 4\\(b\\).
下面以破壞形態\\(2\\)為例介紹 TRC 加固 RC 梁的裂縫發展及疲勞破壞過程.疲勞加載過程中, 試驗梁HF7 的荷載-跨中撓度曲線如圖 5 所示, 圖例中的數字代表疲勞加載次數\\(單位為萬次\\).第一階段: 在疲勞加載前第一次靜載后, 受拉區混凝土出現裂縫, 裂縫處混凝土退出工作, 此時拉應力主要由鋼筋和纖維編織網承擔;原有的裂縫向上擴展使得中和軸上移, 并且新的裂縫不斷產生, 此階段末裂縫基本出齊, 該階段相對加固梁的整個壽命過程較短.第二階段表現為加固梁的撓度幾乎不變, 各材料的最大應變雖有增加但非常緩慢且增量有限, 該階段末期 RC 梁會產生新的裂縫,主裂縫形成,該階段在整個疲勞破壞過程所占的比例最大.第三階段,加固梁的跨中撓度迅速增加, 在時間很短的情況下梁發生疲勞破壞.
進一步,試驗結果表明,未加固梁破壞時表現為鋼筋疲勞脆性斷裂后梁迅速發生大變形并喪失承載能力;而加固梁破壞時表現為裂縫不斷擴大,梁跨中撓度增長過快,此時梁仍具有一定的承載力但梁承載能力有所降低.未加固梁破壞截面處梁頂混凝土壓碎,而配三層網的 TRC 加固梁破壞時混凝土均未壓碎,說明 TRC 減緩了加固梁跨中截面中和軸的上移,破壞時梁跨中截面頂混凝土壓應變仍較小.加固梁與未加固梁相比,前者的破壞形態有明顯的優點:加固梁破壞時裂縫較多,裂縫間距較短,形成的破壞主裂縫寬度較小,且加固梁的鋼筋沒有斷裂的現象;而未加固梁破壞時裂縫較少,裂縫間距較寬,形成的破壞主裂縫寬度很大,受力鋼筋全部斷裂.
TRC 加固梁在疲勞荷載作用下跟其在靜載作用下的破壞形態不同.靜載作用下 TRC 加固梁破壞時會沿著縱向鋼筋方向產生撕裂裂縫,并且保護層會脫離鋼筋,如圖 6;而在疲勞荷載作用下只會沿梁高方向產生豎向裂縫,且裂縫寬度不大.產生這種現象的原因是靜載作用下 TRC 加固梁最終承受的力為其極限荷載,加固梁的變形較大,且加固層與老混凝土之間的粘結力大于老混凝土與鋼筋之間的粘結力.而 TRC加固梁在疲勞荷載作用下,疲勞荷載的上限值為極限荷載的 70%,加固梁的變形較小,最后主要是加固層和混凝土的疲勞破壞,故不會產生靜載下的破壞形態.
2.2 試驗梁應變發展
1\\) 單面加固與 U 型加固
從圖 7 中可以看出,鋼筋應變隨著循環次數的增長呈現出 3 個階段的發展:初始發展、穩定發展、迅速發展.在第一、二階段,梁 HF4 的應變略大于梁 HF2;但到了第三階段,梁 HF2 的鋼筋應變發展迅速,這也標志著梁 HF2 已經進入了破壞階段.由于第三階段應變發展迅速,應變值較大,應變片在此階段以失效,因此第三階段的數據很難采到.梁頂混凝土應變如圖 7\\(b\\),其基本上也是三階段的發展模式.從圖中可以看出梁 HF4 的混凝土應變要大于梁 HF2,這說明在破壞之前相同的循環次數下梁 HF2 的剛度要大于梁 HF4.
2\\) 不同配網率
本次試驗設計了四根不同配網率的梁,但由于采集設備的問題只采到了梁 HF4 和梁 HF6 的數據.從圖 8\\(a\\)中可以看出配網率的增加可以明顯的減小鋼筋應變,減緩裂縫發展速度,從而提高加固梁的剛度.
梁 HF6 的頂面混凝土壓應變要小于梁 HF4,這表明 TRC 可以減緩中和軸的上移速度,減小疲勞破壞時梁頂壓應變,從而提高疲勞壽命.
3\\) 不同配筋率
從圖 9 中可以看出,在相同的循環次數下,梁 HF5 的鋼筋應變大于梁 HF6,梁 HF6 的頂面混凝土壓應變要小于梁 HF5,這說明高配筋率的梁可以有效減小鋼筋拉應變和混凝土的壓應變,減緩中和軸的上移速度,從而提高疲勞壽命.這也說明了在疲勞荷載作用下 RC 梁的疲勞壽命受鋼筋的控制.
4\\) 不同損傷程度
從圖 10 中可以看出,當梁 HF10 的鋼筋發展進入第三階段時,梁 HF8、梁 HF9 還在第二階段.也就是說較大荷載作用下的靜力損傷會使加固梁的鋼筋應變提前進入第三階段的發展,會減小 RC 梁的疲勞壽命.實際上在靜力作用下,對混凝土和鋼筋都會有損傷.只是在靜力荷載較小時,混凝土和鋼筋都處于彈性階段,卸載后對混凝土和鋼筋的損傷不大,故對在疲勞荷載作用下的鋼筋應變和混凝土應變影響不大.
然而當靜力荷載較大時,混凝土或者鋼筋可能處于彈塑性階段,卸載后對混凝土和鋼筋的損傷較大,故對在疲勞荷載作用下的鋼筋應變和混凝土應變值也較大,從而對疲勞壽命有較大的影響.
3 結論
通過試驗可以得到以下結論:
\\(1\\) TRC 加固梁在疲勞荷載作用下與靜力作用下有著不同的破壞形態.
\\(2\\) 在配網率一定的情況下,采用 U 型加固方式和單面加固方式都可以提高鋼筋混凝土梁的疲勞壽命;單面加固方式對疲勞壽命的提高優于 U 型加固.
\\(3\\) TRC 加固梁的疲勞破壞過程可以分為三個階段,第一階段會產生大量的裂縫,第二階段基本不產生裂縫,撓度也增加緩慢;第三階段會形成破壞主裂縫,標志著梁要破壞.
\\(4\\) 加固梁的受壓區混凝土應變與受拉鋼筋應變隨荷載循環次數的增加呈三個階段發展的發展過程.
\\(5\\) 加固量和配筋率的增大都會減緩中和軸的上移速度,減小疲勞破壞時梁頂壓應變,從而提高疲勞壽命.
\\(6\\) 較大荷載作用下的靜力損傷會使加固梁的鋼筋應變提前進入第三階段的發展,會減小 RC 梁的疲勞壽命.
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