BFRP网格加固混凝土受弯构件静力与疲劳性能研究

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对于性能劣化的既有钢筋混凝土构件,常采用增大截面、粘贴钢板、体外预应力或外贴纤维增强复合材料(FRP)片材等方法对其进行修复加固,以延长其服役寿命。然而,上述加固方法或工艺复杂,或耐久性较差,影响施工效率与结构运营安全。鉴于此,学者们提出了一种施工更便捷且耐久性更优异的新型加固方法,即FRP网格-聚合物砂浆加固方法。不过,截止目前,关于该加固方法的研究依然非常有限,以致未能制定相应的应用规范或设计指南。此外,绝大多数既有研究中采用的是价格昂贵的碳纤维增强复合材料(CFRP)网格,若实际应用中采用其作为加固材料,则加固成本远高于其他加固方法,这无疑阻碍了FRP网格-聚合物砂浆加固方法的推广应用。为此,本文选用了性价比更高的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)网格作为加固材料,并从界面粘结、加固构件静力性能以及疲劳性能三方面,对BFRP网格-聚合物砂浆加固方法的有效性进行了系统性研究,希望该研究能为后续应用规范或设计指南的制定提供参考。本文主要的研究内容如下:(1)通过单剪试验对FRP网格-混凝土粘结试件进行了测试,试验变量包括网格宽度、网格种类、粘结材料种类以及FRP制品种类。试验结果表明,网格与混凝土试块的宽度比、网格的刚度以及粘结材料的种类对界面粘结性能的影响较大。与FRP片材-混凝土界面相比,FRP网格-混凝土界面的应力传递机制更加复杂,但该界面具有更高的界面断裂能(为FRP片材-混凝土界面的1.95-4.09倍),能更有效的抑制界面剥离。与环氧树脂相比,聚合物砂浆作为粘结材料时FRP网格-混凝土界面应力达到最大值后将以更快的速度下降,即界面的脆性更大。此外,基于试验数据回归,本研究建立了FRP网-混凝土界面的宽度系数模型、粘结-滑移关系模型、有效粘结长度模型和粘结强度模型。(2)对BFRP网格加固钢筋混凝土梁的抗弯性能开展了研究。讨论了网格类型、网格用量、以及粘结材料类型对梁构件抗弯性能的影响。为进一步提升梁构件的使用性能与BFRP网格的强度利用率,开发了平板式预应力张拉锚固装置,并提出了多次预应力释放方法。结果表明,BFRP网格能有效提升梁构件的使用与承载性能,并且对BFRP施加预应力后,梁构件的开裂荷载、屈服荷载以及抗弯刚度将得到进一步提升。同时,随着预应力释放次数的增加,预应力加固梁的破坏模式由“混凝土保护层剥离”转变为“顶部混凝土压碎”或“BFRP网格断裂”。此外,本研究基于平截面假定推导了BFRP网格加固梁的抗弯承载力计算公式。(3)对BFRP网格加固钢筋混凝土板的抗弯性能开展了研究。首先,对比了外贴BFRP片材、嵌入BFRP筋以及外贴BFRP网格三种加固技术的加固效率。结果显示,当所用BFRP材料的轴向刚度相同时,BFRP网格对板构件的使用与承载性能提升最显著。在屈服荷载与极限荷载时,BFRP筋加固板的经济性系数分别是BFRP片材加固板的0.44与0.87倍,而BFRP网格加固板的经济性系数分别是BFRP片材加固板的1.68与1.60倍,三种加固技术中外贴BFRP网格加固技术的经济性优势更加突出。随后,对预应力与非预应力BFRP网格加固板的抗弯性能进行了比较研究。试验结果显示,预应力施加后,BFRP网格的强度利用率由52.6%提升至了84.5%-96.4%,这进一步改善了加固板屈服前的使用性能。(4)对BFRP网格加固钢筋混凝土梁的抗剪性能开展了研究。分析了剪跨比、加固材料种类、粘结材料种类以及网格布置方式对试验梁抗剪性能的影响。结果显示,BFRP网格对抗剪承载力的贡献几乎不受剪跨比影响。与环氧树脂相比,当采用聚合物砂浆作为粘结材料时,试验梁的初期刚度更大,但斜裂缝发展与刚度退化都更快。BFRP片材-混凝土界面的界面断裂能较低,即便采用了额外的锚固措施,BFRP片材也容易发生剥离破坏,而BFRP网格与混凝土界面在整个加载过程中均能保持可靠粘结。此外,与平行布置相比,斜向布置的BFRP网格能更有效的抑制试验梁斜裂缝的发展与刚度的退化。(5)对BFRP网格加固钢筋混凝土梁的长期疲劳性能开展了研究。研究参数包括荷载幅、预应力以及预应力释放次数。试验结果表明,采用非预应力BFRP网格加固后,梁构件的疲劳寿命提升了57%-117%;未加固与非预应力BFRP网格加固梁的疲劳寿命均随荷载幅的增大而减小,且破坏模式均为受拉钢筋疲劳断裂。不过,对于非预应力BFRP网格加固梁,所有受拉钢筋疲劳断裂后加固层才出现破坏,且荷载幅不同时加固层的破坏模式不同。对于预应力BFRP网格加固梁,当仅对网格进行1次预应力释放时,加固梁的疲劳寿命不仅没有得到提升,反而会提前发生端部混凝土保护层剥离破坏。然而,当对网格进行2次预应力释放时,加固梁的疲劳寿命将得到显著提升(约为未加固梁的3倍)。此外,基于试验数据回归,本研究建立了BFRP网格加固梁的疲劳寿命预测模型。
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