应用新型延性纤维增强聚合织物对混凝土梁的加固(1).doc

美国混凝土协会结构期刊 技术卷
标题编号：99-S71
应用新型延性纤维增强聚合物对混凝土梁的加固
作者：Nabil F. Grace, George Abel-Sayed, Wael F. Ragheb
摘要：
一种新型单向延性纤维增强聚合（FRP）物已经被研究，研制和生产（在劳伦斯理工大学结构试验中心）以用于结构加固。这种织物是两种碳纤维和一种玻璃纤维的混合物，而且经过设计它们在受拉屈服时应变值较低，从而体现出伪延性的性能。通过对八根混凝土梁在弯曲荷载作用下的加固和检测对研制中的织物的效果和延性进行了研究。用现在常用的单向碳纤维薄片、织物和板进行加固的相似梁也进行了检测，以便同用研制中的织物加固梁进行性能上的比较。这种织物经过设计具有和加固梁中的钢筋同时屈服的潜力，从而和未加固梁一样，它也能得到屈服台阶。相对于那些用现在常用的碳纤维加固体系进行加固的梁，这种研制中的织物加固的梁承受更高的屈服荷载，并且有更高的延性指标。这种研制中的织物对加固机制体现出更大的贡献。
关键词：混凝土，延性，纤维加固，变形
介绍
外贴粘合纤维增强聚合物（FRP）片和条带近来已经被确定是一种对钢筋混凝土结构进行修复和加固的有效手段。关于应用外贴粘合FRP板、薄片和织物对混凝土梁进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能，一些试验研究调查已经进行过报告。Saadatmanesh和Ehsani（1991）检测了应用玻璃纤维增强聚合物(GFRP)板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Ritchie等人（1991）检测了应用GFRP，碳纤维增强聚合物（CFRP）和G/CFRP板进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Grace等人（1999）和Triantafillou（1992）研究了应用CFRP薄片进行变形加固的钢筋混凝土梁的性能。Norris，Saadatmanesh和Ehsani（1997）研究了应用单向CFRP薄片和CFRP织物进行加固的混凝土梁的性能。在所有的这些研究中，加固的梁比未加固的梁承受更高的极限荷载。这些梁中大多数出现的一个缺陷是梁的延性有很大的损失。然而通过对梁的荷载-挠度性能的测试，可以发现大多数荷载的增加是在钢筋屈服后发生的。也就是说，极限荷载明显提高，然而屈服荷载却没有太大提高。因此在正常使用水平荷载的明显增加很难实现。
除去加固前混凝土构件条件的影响，钢筋对加固梁的弯曲反应有明显的贡献。而可惜的是，现有的FRP加固材料和钢材性能不同。虽然FRP有很高的强度，但是它们多数在提高足够的强度之前被拉伸而产生很大的应变。因为同大多数FRP材料的极限应变相比，钢材的屈服应变相对较低，所以随着加固构件的变形，钢材和FRP加固材料的贡献发生了变化。结果，钢筋可能会在加固构件取得任何可测荷载增加值之前就屈服了。一些研究者在横截面布置了更强的FRP，这通常会增加加固的成本，进而提供可测的贡献，尽管这时变形是受限制的（在钢筋屈服之前）。但是，加固材料从混凝土表面的剥落更多的时候是由于应力集中的原因发生的。剥落是这项加固技术中不出现的一种脆性破坏。尽管使用一些类似超高模量碳纤维的特别的低应变纤维看起来是一种解决方法，但这可能导致由于纤维破坏而产生脆性破坏。本文旨在介绍一种新型伪延性FRP织物，它在屈服时应变低从而具有与钢筋同时屈服的潜力，能够实现期望中的加固水准。
研究意义
FRP已经被越来越多地用做钢筋混凝土结构修复和加固的材料。但是现在常用的FRP材料缺少延性并且与钢筋性能不一致。结果，经过加固处理的梁会体现出延性降低，不能达到期待中的水平，或者二者兼有。本项研究介绍了一种新型的伪延性FRP加固织物。这种织物可以使加固梁承受更高的屈服荷载，并且有助于避免延性的损失，而这在使用目前常用的FRP进行加固中是常见的。
混杂织物的研制
为了克服前面所提的缺陷，一种具有低屈服应变值的延性FRP材料是很必要的。
混杂的文献回顾
为了研制这种材料，考虑了各种不同纤维的混杂。多于一种纤维材料的混杂是许多材料科学研究的兴趣所在。他们的工作多数集中于结合两种纤维以提高每种材料单独工作时的力学特性并且降低成本。这已经在几本出版物中报道过,例如Bunsel和Harris（1974），Philips（1976），Manders和Bader（1981），Chow和Kelly（1980），以及Fukuda和Chow（1978）。做为一种能够克服FRP加固棒延性不足问题的工具，混杂吸引了结构工程师。Nanni,Henneke和Okamoto（1994）研究了用编织芳香尼龙纤维绕在钢筋核心的短棒。Tamuzs和Tepfors报道了关于使用碳和芳香阻尼纤维进行组合而成的混合纤维棒的试验调查。Somboonsong，Frank和Harris（1998）研制了一种用编织芳香尼龙纤维缠绕在碳纤维核心的混合FRP加固棒。Harris，somboonsong和Frank（1998）使用这些棒对混凝土梁进行加固，以得到用常规钢筋进行加固的混凝土梁的普通荷载-挠度特性。
设计思想和材料
为了产生延性，一种使用不同种类纤维的混杂技术已经被采用。选用了在破坏时有不同延长量级的三种纤维。图1显示了这些复合纤维在拉伸时的应力-应变曲线，表1显示了它们的力学特性。
这项技术是建立在将这些纤维结合起来并控制配合比例的基础上的，这样当它们被拉伸时共同承受荷载，延伸小（LE）的纤维先破坏，允许一定的应变松弛（应变增加而混合材料的荷载却并未增加）。余下的延伸大（HE）的纤维被分配承担所有的荷载直到破坏。延伸小的纤维破坏时的应变值体现了混合材料屈服应变值，而延伸大的纤维破坏时的应变值体现的是极限应变值。延伸小的纤维破坏时对应的荷载体现的是屈服荷载值，而延伸大的纤维承担的最大荷载体现的是极限荷载值。超高模量碳纤维（1号碳）被用做延伸小的纤维，它应有尽可能低的应变，但不得小于钢筋的屈服应变（60级钢筋大约为0.2%）。另一方面，Ｅ型玻璃纤维被用做延伸大的纤维，应能提供尽可能高的应变而产生高延性指标（破坏时的变形和屈服时的变形的比例）。高模量碳纤维（２号碳）被选做了延伸中等（ME）纤维，它使在延伸小的纤维破坏后发生应变松弛时荷载的降低最小化，并且能够提供从延伸小的纤维向延伸大的纤维逐渐传递荷载的途径。基于这种思想，生产了一种单向织物，并进行了测试，将它在拉伸时的性能和理论预测的承载性能做了对比。理论上的性能建立在混合物规则上，根据这种规则，混合物的轴向刚度是将各组成部分的相对刚度进行总合计算得到的。这种织物的生产过程是，将不同的纤维做为相邻的纱线结合起来，并将它们用环氧树脂注入模具中。图２就是一个生产样品的照片。编织而成的玻璃纤维片布置在试样的两端，以消除测试中固定端的应力集中。试样厚２mm（0.08in），宽25.4mm（1in），在拉伸时根据美国材料实验协会Ｄ3039规范进行测试。四个测试样品的平均荷载-应变曲线见图3，上面还有理论预测的曲线。应该注意到直到应变值达到0.35%，荷载-应变性能都是线性的，这时延伸小的纤维开始破坏。在这一点上应变增长的速率高于荷载。当应变值达到0.90%时，中等延伸的纤维开始破坏，导致应变有附加的增长，直到由于延伸大的纤维破坏带来试样的彻底破坏。可以测试到屈服荷载（荷载-应变曲线上性能去不再为线性的第一点）为0.46kN/mm（2.6kips/in）,极限荷载为0.78kN/mm（4.4kips/in）。
梁的测试
梁的详细情况
一共浇筑了13根钢筋混凝土梁，横截面尺寸为152×254mm（6×10in），长2744mm（108in）。梁的受弯钢筋由底部的两根5号（16mm）受拉钢筋和顶部的两根3号（9.5mm）的受压钢筋组成。为防止发生剪切破坏，使用162mm长的3号钢筋扎成闭合镫形对梁的抗剪进行进一步的加固。有5根梁浇筑时角部做成半径25mm（1in）的圆角，从而易于加固材料的安置。图4显示了梁的尺度、钢筋详图、支座和加载点的位置。使用的钢筋为60等级，屈服强度415MPa（800psi）。
加固材料
研制中的混合织物用于加固8根梁。使用了两种不同厚度的织物。第一种（H体系，t=1.0mm）厚度1.0mm（0.04in），第二种（H-体系，t=1.5mm）厚度1.5mm（0.06in）。其他四根梁使用现在常用的碳纤维加固材料进行加固：1）一层单向碳纤维薄片，极限荷载0.34kN/mm（1.95kips/in）；2）两层单向碳纤维织物，极限荷载1.31kN/mm（7.5kips/in）；3一层固体玻璃谈碳纤维板，极限荷载为2.8kN/mm（16kips/in）。对这些材料测试得到的荷载-应变图见图5。表2给出了包括研制中的织物在内的加固材料的特性。
粘结材料
对这种混合织物，使用一种环氧树脂（环氧A）注入纤维，并做为织物和混凝土表面的粘结材料。这种环氧材料极限应变为4.4%，从而保证不至于在纤维破坏之前破坏。对于使用碳纤维薄片、板和织物加固的梁，使用的是极限应变为2.0%的环氧树脂（环氧B）。由生产商提供的粘结材料的力学特性见表3。
加固
在梁的底部和两侧喷砂以使其表面粗糙。然后使用丙酮除去污物对梁进行清洁。采用两种加固构造：1）只在梁底面布置加固材料（A组梁）；2）除对梁底部外，在梁两侧各伸长152mm（16in），大概能覆盖住梁的受弯拉伸部分（B组梁）。加固材料沿梁长度布置在中心，长达2.24m（88in）。环氧在对梁进行测试前要进行两周的养护。对研制中的混合织物（H-体系）加固的梁，制备了两根，并对各种构造进行测试来证实结果。表4对梁的检测进行了汇总。
仪器
跨中FRP的应变通过布置在梁底面的三个应变片测量。测量A组梁钢筋拉伸应变是通过监控在梁的侧面与钢筋棒平行处测量点设置的DEMC（可拆式机械计量器），而B组梁使用的是应变片。跨中挠度是通过使用串行电位计测量的。使用液压器对梁加载。荷载有一种荷载电池测量。所有的传感器同数据采集系统相连以扫描并记录读数。
试验结果和讨论
控制梁
控制梁的屈服荷载82.3kN（18.5kips），极限荷载95.7kN（21.5kips）。梁由于钢筋屈服而破坏，随之跨中混凝土受压破坏。控制梁的试验结果见加固梁的试验成果图上（图6至15）。
A组梁
A组梁已在底面进行了加固。图6至11显示了这些梁的试验结果。H-50-1梁和H-75-1梁分别和H-50-2梁和H-75-2梁各自的结果非常接近，因此关于这些梁的讨论就集中于后两者，以避免重复。梁的延性通过计算延性指数来考察，即计算破坏时与屈服时的挠度之比。
图6（a）显示了C-1梁的荷载-跨中挠度关系图，C-1梁使用碳纤维薄片进行加固。梁在荷载为85.9kN（19.3kips）时屈服，在荷载为101.9kN（22.9kips）时由于碳纤维薄片的开裂而破坏。值得注意的是，从这幅图中看来，虽然有了延性性能，但是同控制梁比起来，屈服荷载只提高了4%。延性指数为2.15。图6（b）显示了跨中荷载-碳纤维应变关系图。
图7（a）显示了C-2梁对应的荷载-挠度曲线。这根梁使用固体玻璃碳纤维板进行加固。它没有屈服台阶（延性指数为1），在荷载为132.6kN（29.8kips）时由于板端部的受剪-受拉破坏而突然破坏。尽管荷载提高了61%，但破坏仍是脆性的。图7（b）显示了跨中荷载-碳纤维应变关系。碳纤维破坏时记录的最大应变为0.33%，这意味着板的承载力发挥了24%。
C-3梁的荷载-挠度关系见图8（a）。该梁由两层碳纤维织物加固。它在荷载为107.7kN（24.2kips）时屈服，在荷载为134.4kN（30.21kips）时由于织物的剥落而破坏，此时它并未如控制梁那样显示出任何明显的屈服台阶。延性指数是1.64。值得注意的是，在图8（b）中破坏时记录到的碳纤维应变的最大值为0.67%，这意味着纤维承载力大约发挥了48%。
图9（a）显示了H-50-2梁的荷载-挠度关系。这根梁使用研制中的厚度为1mm厚的混合织物进行加固。屈服荷载为97.9Kn（22.0kips）（同控制梁比起来提高了19%）。在图9（b）中值得注意的是，当梁屈服时织物应变为0.40%。它的延性指数为2.33，当荷载最终达到114.8kN（25.8kips）时由于织物的彻底开裂而破坏。图9（c）即为破坏时的梁。
图10（a）显示了H-75-2梁的荷载-屈服关系。这根梁使用厚度为1.5mm厚的研制中的混合织物。它在荷载为113.9kN（25.6kips）时屈服，在130.8kN（29.4kips）的极限荷载下由于织物剥落而导致彻底破坏之前体现出的延性指数为2.13。值得注意的是，尽管最终破坏是由于织物的剥落，但这是在取得了令人满意的延性之后发生的。从图10（b）中可见当梁屈服时的应变为0.35%。图10（c）是梁破坏时的照片。
图11和表5对A组梁的试验结果进行了比较。可以观察出如下现象：
1．C-1梁和H-50-2梁体现了较好的延性特征。但是H-50-1梁比C-1梁体现了更高的屈服荷载。这是因为，经过设计这种研制中的混合织物比碳纤维片有更高的初始刚度；因此，在钢筋屈服前它比碳纤维对加固的贡献更大。
2．尽管碳纤维织物的极限荷载比1.5mm厚的混合织物屈服时对应的荷载大几倍，但是直到屈服时，H-75-2体现着和C-3相似的性能。但是H-75-2梁有令人满意的屈服台阶，而C-3梁却没有。
3．相对于现在常用的碳纤维加固材料，这种研制中的织物屈服时的应变和钢筋的屈服应变接近。尽管仍然较高，但是混合织物的应变值和梁屈服时的应变值接近，这意味这它和钢筋同时屈服。这一部分要归功于将植物安置在梁的外表面，这样比安置在梁的内部要承受更大的拉应变。结果织物的屈服应变设计值看起来是可以接受的。
4．当使用有较高承载能力的碳纤维板（正如在C-2梁中使用的）时，能够提供高的破坏荷载，同时也会产生脆性破坏。
B组梁
这组梁除对梁底部外，在梁两侧向上延伸152mm（16in）的范围也进行了加固。改组试验结果见表5和图12至15。H-S50-1梁和H-S75-1梁分别和H-S50-2梁和H-S75-2梁各自的结果非常接近，因此关于这些梁的讨论就集中于后两者，以避免重复。
图12（a）显示了CS梁的荷载-挠度关系。这根梁是使用碳纤维薄片体系加固的。它在荷载达到99.2kN（22.3kips）时由于钢筋的屈服而屈服。屈服荷载增加了20%。梁在达到123.3kN（27.7kips）的极限荷载时由于跨中混凝土的受压破坏而破坏。从图12（b）可以看出当梁屈服时，碳纤维的应变为0.35%，因此在这段承载阶段发挥了它的大约30%的能力。在梁破坏之前记录到的最大应变为1.0%。取得的延性指数为2.04。
H-S50-2的试验结果见图13。这根梁使用研制中的厚度为1mm厚的混合织物进行加固。图13（a）显示了它的荷载-挠度曲线。当荷载达到113.9kN（25.6kips）时由于钢筋和织物的破坏，梁发生破坏。屈服荷载增加了38%。梁在达到146.6kN（32.9kips）的极限荷载时由于混凝土的受压破坏而破坏。延性指数为2.25。图13（b）显示了跨中荷载和织物应变的关系。梁屈服时记录到的应变值是0.35%，在梁破坏前记录到的最大应变值是1.2%。梁的破坏情形见图13（c）。
图14即H-S75-2的试验结果。这根梁也是用研制中的混合织物加固的，但是厚度为1.5mm。从图14（a）可见梁在荷载为127.3kN（28.6kips）时屈服，由于钢筋和织物的屈服，屈服荷载增加了55%。当荷载达到162.0kN（36.4kips）时，这根梁由于跨中混凝土的受压破坏而破坏。它的延性指数为1.89。图14（b）显示了跨中荷载和织物应变的关系。在梁破坏前记录到的最大应变是0.74%。该梁的破坏情形见图14（c）。
图15显示了B组各梁试验结果的比较。从试验结果可以观察到如下现象：
1．虽然混合织物的屈服荷载低于碳纤维板的极限荷载，但是H-S50-2梁比CS梁体现出了更高的延性。这是因为同碳纤维薄片相比，这种混合织物有更高的初始刚度。
2．用研制中的混合织物加固的梁屈服荷载更大，并且有令人满意的屈服台阶。
这种研制中的混合织物的一个优点是它易于通过视觉观察判断织物是否屈服，因为任何破坏的碳纤维纱线都是可见的。而且，这种混合织物比目前常用的碳纤维材料便宜，因为这些纤维中超过75%的使用的是玻璃纤维，而这要比碳纤维成本低。
结论
基于本研究所介绍的研究调查，可以得出如下结论：
1．目前常用的FRP材料作为弯曲加固体系用于混凝土结构并不能总是在加固梁中提供类似未加固梁的屈服时的屈服台阶。在一些情况下，加固可能导致加固梁的脆性破坏或着是屈服荷载增加很不明显，或者是二者兼有。
2．选择的几种类型的纤维的混杂被用于研制伪延性的织物，它在屈服时的应变低（0.35%）。经过设计，这种织物具有同加固梁中的钢筋同时屈服的潜力。
3．同那些应用碳纤维进行加固体系相比，使用研制中的混合织物进行加固的梁通常会显示出在屈服荷载上有更高的增长。有些用混合织物进行加固的梁会显示出类似未加固梁的屈服台阶。这在结构破坏之前保证足够的警示作用是特别重要的。
4．使用研制中的混合织物体系进行加固的梁并没有显示出明显的延性损失。使用碳纤维加固的梁也没有明显的延性损失，但是屈服荷载较低。
参考文献
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附录
表1 复合纤维的力学特性
纤维材料
描述
弹性模量，GPa（MSi）
抗拉强度，MPa（ksi）
破坏时的应变，%
1号碳纤维
超高摸量碳纤维
379（55）
1324（192）
0.35
2号碳纤维
高摸量碳纤维
231（33.5）
2413（350）
0.9至1.0
玻璃纤维
E型玻璃
48（7）
1034（150）
2.1
表2 加固材料的特性
类型
屈服荷载，kN/mm（kips/in）
屈服应变，%
极限荷载，kN/mm（kips/in）
极限应变，%
厚度，mm（in）
碳纤维薄片
—
—
0.34（1.95）
1.2
0.13（0.005）
碳纤维板
—
—
2.8（16.0）
1.4
1.3（0.05）
碳纤维织物
—
—
1.31（7.50）
1.4
1.90（0.075）
H体系（t=1mm）
0.23（1.30）
0.35
0.39（2.24）
1.74
1.0（0.04）
H体系（t=1.5mm）
0.34（1.95）
0.35
0.59（3.36）
1.74
1.5（0.06）
表3 环氧粘结材料特性
环氧类型
抗拉强度，MPa（ksi）
极限应变，%
抗压强度，Mpa（ksi）
A
66.3（9.62）
4.4
109.2（15.84）
B
68.9（10.0）
2.0
86.2（12.50）
表4 试验梁的汇总
梁的组别
梁的称号
加固材料
N/A
控制梁
N/A
A组梁
C-1
碳纤维薄片
C-2
碳纤维板
C-3
碳纤维织物
H-50-1
H体系（t=1mm）
H-50-2
H-75-1
H体系（t=1.5mm）
H-75-2
B组梁
CS
碳纤维薄片
H-S50-1
H体系（t=1mm）
H-S50-2
H-S75-1
H体系（t=1.5mm）
H-S75-2
表5 试验结果汇总
梁的名称
加固体系
屈服荷载，kN (kips）
屈服时的挠度，mm（in）
破坏时的荷载，kN（kips）
破坏时的挠度，mm（in）
延性指数=第6列/第4列
破坏时FRP的应变，%
最终破坏类型
控制梁
N/A
82.3（18.5）
140（0.55）
95.7（21.5）
49.5（1.95）
3.55
N/A
钢筋屈服后混凝土破坏
C-1
碳纤维薄片
85.9（19.3）
13.2（0.52）
101.9（22.9）
28.4（1.12）
2.15
1.10
钢筋屈服后FRP断裂
C-2
碳纤维板
—
—
132.6（29.8）
16.0（0.63）
1.00
0.33
剪切拉伸破坏
C-3
碳纤维织物
107.7（24.2）
13.5（0.53）
134.4（30.2）
22.1（0.87）
1.64
0.67
钢筋屈服后FRP剥落
H-50-2
H体系（t=1mm）
97.9（22.0）
15.2（0.6）
114.8（25.8）
35.6（1.40）
2.33
1.55
钢筋和FRP屈服后，FRP断裂
H-75-2
H体系（t=1.5mm）
113.9（25.6）
13.7（0.54）
130.8（29.4）
29.2（1.15）
2.13
0.74
钢筋和FRP屈服后，FRP剥落
CS
碳纤维薄片
99.2（22.3）
14.2（0.56）
123.3（27.7）
29.0（1.14）
2.04
1.00
钢筋屈服后混凝土破坏
H-S50-2
H体系（t=1mm）
113.9（25.6）
14.2（0.56）
146.4（32.9）
32.0（1.26）
2.25
1.20
钢筋和FRP屈服后混凝土破坏
H-S75-2
H体系（t=1.5mm）
127.3（28.6）
15.8（0.62）
162.0（36.4）
29.7（1.17）
1.89
0.74
钢筋和FRP屈服后混凝土破坏

图1 复合纤维和钢筋的应力应变性能

图2 研制中的单向混合织物的试验样品

图3 研制中的混合织物拉伸试验结果

图4 试验梁的详图（单位：mm）

图5 碳纤维板、织物、薄片和研制 图6 C-1梁的性能
中的混合纤维的比较（H体系）

图6 C-1梁的性能
图7 C-2梁的性能 图8 C-3梁的性能
图9 H-50-2梁的性能 图10 H-75-2梁的性能
图11 A组梁的比较 图12 CS梁的性能
图13 H-S50-2梁的性能 图14 H-S75-2梁的性能
图15 B组梁的比较