0.   引言

在运营过程中, 由于环境、使用条件等影响可能导致混凝土桥梁承载力不足, 通过经济技术综合考量, 有必要对混凝土结构进行维修加固, 以延长其服役年限。常用的传统加固方法有增大截面、粘钢加固与改变受力体系等, 近十几年来, 由于纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Plastic/Polymer, 以下简称FRP) 因其质轻高强、抗疲劳及耐腐蚀性强等特点替代钢板形成的加固方法(外贴FRP布/板加固方法)已广泛应用于结构加固^[1-4]。针对外贴FRP加固方法自身的缺点(受到恶劣的环境、外力磨损和撞击等因素影响易发生FRP剥离, 特别是连续梁负弯矩区加固问题尤为突出)而发展起来另一种新型的加固方法———结构表层嵌入加固方法(Near-Surface Mounted, 简称NSM)^[5-7], 是将FRP筋/板条嵌入结构物表层已经开好的槽中, 并向其中注入化学粘结剂, 使FRP筋/板条与结构物通过粘结剂作用成为一个整体而共同受力, 提高结构承载能力与安全性。

贺学军等对6根足尺混凝土梁采用内嵌碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 以下简称CFRP)板条的方式进行了加固, 考虑了CFRP用量与试验前试验梁受荷状况等影响因素, 对试验梁的破坏过程、受力性能、截面应变分布和挠度变形规律进行了研究。试验结果表明: 内嵌CFRP板条加固梁跨中截面应变分布和挠度变形规律与外贴CFRP加固梁相似, 但内嵌加固能有效避免板条的剥离破坏, 抗弯加固性能优于相应的外贴加固, 预载加固将会降低内嵌板条的加固效果^[5]。

曾宪桃等以CFRP加固量和开槽尺寸为参数, 开展了内嵌与外贴CFRP板条加固RC梁抗弯性能试验。研究结果表明: 与未加固梁相比, 内嵌CFRP板条加固梁的极限承载力提高了11.2%~41.7%; 与外贴CFRP板条加固梁相比, 其极限承载力提高了15.5%~22.7%^[6]。

黄丽华等以不同FRP布外贴加固钢筋混凝土梁, 考察了初始预损伤与不同U形箍筋的布置方式对纤维布加固效果的影响, 对粘贴纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯性能与破坏特征进行了分析。研究结果表明: CFRP布加固梁的承载力和延性提高最大, 玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer, 以下简称BFRP)布用于加固的性价比最优, 初始预损伤对加固效果影响不大, 而沿全梁横向布置U形锚固形式并不能有效发挥纤维布的抗拉性能^[7]。

Al-Mahmoud等用直径为6、12 mm的CFRP筋嵌粘混凝土强度为C30/C60的混凝土简支梁, 粘结材料为环氧树脂和水泥砂浆, 开展了相应弯曲性能试验研究。研究结果表明: 无论粘结材料是环氧树脂还是水泥砂浆, 内嵌加固法(NSM)均能很好提高RC梁弯曲性能^[8]。

张海霞等开展了内嵌玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer, 以下简称GFRP) 筋加固混凝土梁弯曲性能试验, 考虑了纵向钢筋配筋率和GFRP用量对梁抗弯性能影响, 分析了裂缝扩展情况和受力过程。研究结果表明: 表面内嵌GFRP筋加固方法不仅不同程度地提高了试件的屈服荷载和极限荷载, 而且也提高了梁屈服阶段和破坏阶段的截面刚度, 并在限制裂缝开展方面起到了一定有利的作用^[9]。

Choi等在试验梁受拉面开槽、部分嵌粘CFRP筋进行加固, 研究CFRP筋无粘结区域的长度变化对试验梁变形的影响。试验结果显示: 部分粘结加固梁在受力主筋屈服后刚度有一定降低; 在相同荷载下, 随着无粘结加固长度的增加, 梁的变形相应有所增大^[10]。

Capozucca对已受损混凝土梁采用内嵌CFRP进行加固, 并对其静、动态性能进行了测试, 将静态弯曲荷载-挠度曲线与非线性理论分析曲线进行对比, 加固改善了梁的刚度与延性; 在动态性能分析时, 考虑了自振频率和振型变化对加固效果影响, 加固效果明显^[11]。

目前的表层内嵌FRP加固主要集中在简支梁的试验和理论研究上, 也有部分学者对混凝土连续梁与连续板加固开展了一些探索。

Yuan等将理想双线性界面滑移本构应用于连续梁外贴FRP加固端部剥离破坏模型研究, 加载梁裂缝扩展模型分为四段式: 弹性、弹塑性、弹塑性-剥离与塑性-剥离阶段, 其中弹塑性-剥离阶段又分为4个子阶段。通过求解线性方程组得到剥离破坏的界限粘结长度。若混凝土与FRP板结合部胶粘剂的倒角足够大, 可以忽略上、下层FRP板间作用^[12]。

Farahbod等利用外贴CFRP片材加固了6组双跨RC框架, 以CFRP用量与不同加固形式组合为变量。为防止CFRP片材在半段和梁柱节点剥离, 采用了U形CFRP箍加强措施, 同时在一跨的这些部位采用了钢板条与螺栓的机械锚固措施。试验结果表明: 在加固框架中, 弯矩重分布最大可达56%, 加固后承载力提高幅度为20%~38%, 在正、负弯矩区, 弯曲承载力提高幅度分别为35%~55% 和9%~20%^[13]。

曹国辉等开展了不同类型纤维布和不同加载历史条件下RC连续梁外贴FRP布弯曲性能试验。试验结果表明: 粘贴CFRP布和GFRP布后加固梁的正截面承载力有不同程度的提高, 裂缝宽度减小, 抗弯刚度增强; 粘贴纤维布加固的RC梁承载力和加固时的初始应力水平有关, 初始应力越高, 加固梁的极限承载力越低; 在粘贴纤维布后, 混凝土梁的延性有一定的降低, 相对于CFRP布加固的RC梁, 粘贴GFRP布混凝土梁的延性和连续梁支座塑性转动能力较好^[14]。

Aiello等对钢纤维混凝土连续梁有无外贴CFRP片材加固开展了试验, 为防止早期剥离破坏, 在CFRP片材端部用CFRP布缠绕。研究结果表明: 如果加固方案设计合理, 可较充分发生弯矩重分布, 理论分析也可验证这点^[15]。

盛光祖等用CFRP布对5根相同尺寸的钢筋混凝土连续梁做了增强处理, 通过改变CFRP布的粘贴位置与层数等参数, 研究了CFRP布对于钢筋混凝土连续梁抗弯性能的影响。试验结果表明: 碳纤维布加固可以显著提高试验梁的抗弯承载力, 同时, 对于增强梁的抗弯刚度也有良好的作用^[16]。

程东辉等对3根2跨连续梁跨中控制截面采用CFRP布进行加固, 开展静载试验, 基于实测数据, 利用通用软件开展了加固梁的有限元分析。分析结果表明: 利用碳纤维布加固混凝土连续梁并未显著提高构件弹性状态下的承载力, 而对塑性状态下的极限承载力有明显提高, 且加固后的连续梁呈现明显的内力重分布^[17]。

Mari等采用一种非线性与基于时间的进化模型分析FRP外贴加固混凝土受弯构件, 考虑了几何尺寸、加固方案、材料特性和预加载历史等因素, 依据该模型提出了预测FRP剥离破坏判断准则, 通过前期的RC连续梁与简支梁外贴FRP加固试验结果验证了该模型的合理性^[18]。

Ouyang等开展了外贴BFRP布加固混凝土连续T梁弯曲试验, 加固区采用U形纤维布约束, 考虑了正弯矩区BFRP用量变化。研究结果表明: 加固梁表现出了较好的屈服强度、极限强度和延性^[19]。

Breveglieri等基于试验, 开展影响混凝土连续板表层嵌粘(NSM)加固技术多参数研究, 包括混凝土强度、加固方案、FRP用量、弯矩重分布能力和延性等, 并编制相应有限元分析程序, 将分析结果与试验结果进行了对比^[20]。

Dalfré等对混凝土连续板开展了内嵌CFRP板条加固试验, 试验结果表明: 与未加固板相比, 设计承载力提高幅度为25%~50%;加固板的承载力受限于抗剪能力或加固构件的混凝土保护层厚度, 对部分构件来说, 内嵌的CFRP板条降低了混凝土连续板的弯矩重分布^[21-22]。

这些研究的加固材料基本上集中在同一种FRP材料, 然而不同的FRP类型、价格与材料性能有较大差异, 且单一FRP材料加固后结构延展性差, 有必要寻求一种性价比较理想的加固材料组合, 在保证要求下, 可大大降低加固成本。基于此, 本文对4根NSM混合FRP筋加固连续梁进行静载试验, 借助通用有限元软件, 对试验进行全过程非线性分析, 并对影响试验梁加固效果的因素进行研究。

1.   试验梁简介

试验梁均采用矩形截面, 混凝土设计强度为C30, 截面尺寸为150mm×250mm, 梁全长3.2m。受拉主筋采用2根HRB335级直径为14mm钢筋, 箍筋采用HPB300级直径为8mm钢筋, 箍筋间距为100mm。嵌入FRP筋的长度均为1 200 mm, CFRP筋直径均为9 mm, 弹性模量为160 GPa, BFRP筋直径均为10mm, 弹性模量为55GPa。在连续梁的跨中受拉区与中间支座截面负弯矩区分别切割一个20mm×30mm的沟槽, 试验梁尺寸见图 1, 加固方案见表 1。

图  1  试验梁尺寸

Figure  1.  Sizes of test beam

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表  1  加固方案

Table  1.  Strengthening schemes

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本文试验是在河南理工大学结构实验室完成, 按照《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—92) 的结构单调加载静力试验的加载方法, 通过50t手动螺旋式千斤顶、分配梁与反力架对试验梁施加集中荷载, 采用静态应变仪和百分表分别采集试验梁的应变与挠度。试验加载与测点布设见图 2。

图  2  试验梁加载与测点布置

Figure  2.  Loading and monitoring point arrangement of test beam

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2.   试验结果分析

2.1   承载力

预加载时试验梁已开裂, 试验梁荷载特征值见表 2。加固梁L 1~L 4屈服荷载分别提高2 5%、37%、31%和25%, 极限荷载分别提高45%、56%、50%和40%, 表明表层内嵌FRP筋加固连续梁提高承载力效果显著, 且混合纤维筋材加固梁L3与单一种类筋材加固梁L1、L2的屈服荷载分别相差5.0%、4.5%, 极限荷载分别相差3.7%、3.6%, 差别很小。

表  2  试验梁荷载特征值

Table  2.  Load characteristic values of test beams

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与加固梁L3相比, 承受初始荷载作用的试验梁L4屈服荷载与极限荷载降低程度分别为4.8%、7.1%。加固梁L4承载力略有降低的原因可能是试验梁在试验前已施加初始荷载, 钢筋在加固前受初始荷载作用产生了一定的应变, 加固后FRP筋应变始终滞后于钢筋应变。与直接加固试验梁相比, 二次受力试验梁在钢筋屈服前FRP筋发挥的作用较小, 试验梁承载力略有降低。

2.2   FRP筋荷载-应变

FRP筋荷载-应变曲线见图 3、4, 试验梁开裂之前, 由于荷载较小, 处于弹性变化阶段, 试验梁尚未出现裂缝, 施加的荷载主要由混凝土、钢筋与FRP筋共同承担。FRP筋应变呈线性增加, 且增加量较小, FRP筋荷载-应变曲线斜率相差不大。试验梁开裂以后, 受拉混凝土退出工作, 试验梁截面刚度降低, 达到屈服荷载之前, 荷载由钢筋和混凝土共同承担, 其拉应力显著增加, 但截面还可以承受较大的弯矩增量, 此阶段斜率略有减小但仍呈线性变化。钢筋屈服后, 试验梁刚度进一步降低, FRP筋荷载-应变曲线斜率明显下降, 在达到破坏荷载之前试验梁还可以继续承受一定的弯矩增量, 且FRP筋应变增加显著。

图  3  负弯矩区FRP筋荷载-应变曲线

Figure  3.  Load-strain curves of FRP tendons in negative moment areas

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图  4  跨中FRP筋荷载-应变曲线

Figure  4.  Load-strain curves of FRP tendons at midspans

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2.3   裂缝发展与破坏形态

FRP加固钢筋混凝土梁裂缝的开展受到FRP筋的约束, 受力性能得到改善, 见图 5~9。分析裂缝与试验现象发现加固梁的裂缝发展和最终形态与普通钢筋混凝土梁有所不同。在加载初期, 由于受到筋材的约束作用, 加固梁裂缝高度和宽度发展均较对比梁缓慢。随着荷载加大, 裂缝条数增多, 宽度、高度逐渐增大。加固梁裂缝条数较多, 间距较小, 斜裂缝发展较充分。内嵌FRP筋材加固梁的主裂缝高度均超过梁高的2/3, 且裂缝发展较均匀、充分, 裂缝的平均间距较小, 说明内嵌的FRP筋材得到充分发挥。

图  5  BD梁裂缝分布

Figure  5.  Crack distribution of beam BD

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图  6  L1梁裂缝分布

Figure  6.  Crack distribution of beam L1

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图  7  L2梁裂缝分布

Figure  7.  Crack distribution of beam L2

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图  8  L3梁裂缝分布

Figure  8.  Crack distribution of beam L3

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图  9  L4梁裂缝分布

Figure  9.  Crack distribution of beam L4

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3.   试验梁有限元分析

3.1   单元类型的选择

使用有限元法模拟试验梁力学性能时采用分离式模型, 混凝土和垫块采用三维实体单元C3D8R, 模拟混凝土受力时采用塑性损伤模型, 考虑混凝土弹性和塑性变化, 假定混凝土破坏是由拉伸作用或压缩作用产生的。钢筋与FRP筋均采用三维桁架单元T3D2, 桁架单元不能承受弯矩, 只能承受拉伸荷载作用。

3.2   定义约束和荷载

为避免模拟过程中直接对点施加荷载产生数值奇异和负特征值, 在加载点位置设置刚性垫块并建立2个不同参考点, 参考点与垫块之间采用耦合约束, 垫块与RC梁之间采用绑定约束, 认为2个接触面紧贴在一起。钢筋骨架和FRP筋与混凝土之间采用嵌入区域约束, 认为钢筋骨架和FRP筋镶嵌到混凝土中, 模拟过程中采用位移加载的方式施加荷载。

3.3   模型的建立与网格划分

根据试验梁截面尺寸与配筋情况, 建立分析模型, 并进行单元网格的划分, 钢筋与FRP筋采用的单元尺寸控制为20mm, 混凝土采用的单元尺寸控制为50mm, 网格划分后的模型见图 10。

图  10  连续梁有限元模型

Figure  10.  Finite element model of continuous beam

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3.4   试验结果与模拟结果对比分析

由表 3中数据可知, 试验梁屈服荷载模拟值与试验值平均比值为0.969, 标准差为0.013, 变异系数为0.013;极限荷载模拟值与试验值平均比值为0.962, 标准差为0.007, 变异系数为0.007;钢筋屈服时跨中挠度模拟值与试验值的平均比值为1.104, 标准差为0.025, 变异系数为0.023;梁破坏时跨中挠度模拟值与试验值平均比值为1.024, 标准差为0.019, 变异系数为0.019。通过数据分析发现, 模拟值与试验值吻合程度较好, 数据离散性较小, 而且变异系数小。

表  3  测试结果与模拟结果比较

Table  3.  Comparison of test result and simulation result

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实测与模拟荷载-挠度对比曲线见图 11~14, 模拟与试验曲线走势基本一致, 都具有明显屈服阶段。通过数据对比分析发现有限元分析结果与试验结果吻合较好, 有限元法可以较好模拟内嵌混合FRP筋加固连续梁力学性能。实测与模拟曲线存在部分差异的原因可能是计算采用的混凝土强度为28d轴心抗压强度, 而试验梁放置时间较长, 混凝土强度有可能会高于实测值; 采用DM-201多通道数据采集仪采集挠度受试验环境影响较大; 采用人工分级加载, 未计入分配梁和千斤顶的重力作用; 而在有限元分析中, 采用混凝土28d轴心抗压强度, 采用线性加载方式。

图  11  梁L1与LX1荷载-挠度曲线

Figure  11.  Load-deflection curves of beams L1and LX1

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图  12  梁L2与LX2荷载-挠度曲线

Figure  12.  Load-deflection curves of beams L2and LX2

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图  13  梁L3与LX3荷载-挠度曲线

Figure  13.  Load-deflection curves of beams L3and LX3

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图  14  梁L4与LX4荷载-挠度曲线

Figure  14.  Load-deflection curves of beams L4 and LX4

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4.   试验梁承载力影响因素分析

采用通用有限元软件建模分析结果与试验值吻合较好, 利用该模型以试验梁L1为原型, 对影响内嵌入混合FRP筋加固连续梁承载力主要因素进行分析, 找出各因素变化对试验梁承载力的影响规律, 计算结果见表 4。

表  4  模拟梁屈服荷载和极限荷载计算结果

Table  4.  Calculation results of yield loads and ultimate loads for simulation beams

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4.1   混凝土强度

LX(C30)、LX(C40)和LX(C50)分别表示混凝土强度为C30、C40和C50的模拟梁, 模拟梁除混凝土强度不同之外, 其他参数与试验梁L1完全相同, 其荷载-挠度曲线见图 15。混凝土强度从C30分别提高到C40、C50时, 模拟梁屈服强度分别提高19%、38%, 极限荷载分别提高3%、18%。与LX(C40)相比, LX(C50)屈服荷载与极限荷载分别提高38、39kN, 提高幅度分别为16%、14%。混凝土强度发生变化时, 模拟梁的屈服荷载与极限荷载变化明显。

图  15  不同混凝土强度时模拟梁荷载-挠度曲线

Figure  15.  Load-deflection curves of simulation beams with different concrete strengths

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4.2   FRP筋类型

LX(B)、LX(C)分别表示在梁受拉区和负弯矩区表层分别嵌入1根直径为10mm的单一FRP筋材的模拟梁, LX(C-B)表示在梁受拉区表层和负弯矩区表层分别各嵌入1根直径为10mm不同类型FRP筋的模拟梁, 其荷载-挠度曲线见图 16。FRP筋平均弹性模量从55.0 GPa分别提高到84.5、114.0GPa时, 模拟梁屈服荷载分别提高9%、11%, 极限荷载分别提高4%、8%。与LX(C-B)相比, LX(C)屈服荷载与极限荷载分别提高2%、4%。类似钢筋混凝土适筋梁, 内嵌筋材发生弯曲破坏时, 混合筋材加固模拟梁虽嵌入筋材种类发生了变化, 但弯曲特征荷载(屈服荷载与极限荷载)计算值变化不明显。

图  16  不同FRP筋类型时模拟梁荷载-挠度曲线

Figure  16.  Load-deflection curves of simulation beams with different types of FRP

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4.3   FRP筋配纤率

LX(B7)、LX(B10)和LX(B14)表示在模拟梁受拉区和负弯矩区表层分别嵌入1根直径分别为7、10、14mm的BFRP筋的模拟梁, 其荷载-挠度曲线见图 17。类似普通钢筋混凝土梁的配筋率, 在确保模拟梁适筋情况下, FRP筋配纤率从0.09%分别提高到0.20%、0.40%时, 模拟梁屈服荷载分别提高8%、16%, 极限荷载分别提高5%、11%。与LX(B10)相比, LX(B14)屈服荷载与极限荷载分别提高7%、5%。可见配纤率的增大使模拟梁屈服荷载和极限荷载均有不同程度增大。

图  17  不同FRP筋配纤率时模拟梁荷载-挠度曲线

Figure  17.  Load and deflection curves of simulation beams with different ratios of FRP

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4.4   试验梁初始受荷状态

模拟梁LX(0)、LX(0.4 M_y)和LX(0.7 M_y)的初始荷载分别为0、0.4 M_y、0.7 M_y的荷载-挠度曲线见图 18。初始荷载从0分别提高到0.4 M_y、0.7 M_y时, 模拟梁屈服荷载分别降低4%、6%, 极限荷载分别降低17%、24%。与LX(0.4 M_y)相比, LX(0.7 M_y) 屈服荷载与极限荷载分别降低2%、8%。可见模拟梁的初始受荷状态对模拟梁的屈服荷载和极限荷载产生了一定影响。

图  18  不同初始荷载时模拟梁荷载-挠度曲线

Figure  18.  Load and deflection curves of simulation beams with different initial loads

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5.   结语

(1) 表层内嵌FRP筋对试验梁开裂荷载影响较小; 加固前, 试验梁已承受荷载情况下, 支座负弯矩区FRP筋应变滞后于钢筋, 加固效果仍比较明显; FRP筋与混凝土之间粘结良好, 未发生明显粘结滑移现象, 加固效果良好; CFRP/BFRP筋材混合嵌粘加固梁与单一CFRP筋材加固梁的特征荷载相差较小, 可节省造价, 与单一BFRP筋材加固梁相比, 特征荷载较大, 承载力安全储备较高。

(2) 试验梁加载曲线与有限元模拟曲线吻合较好, 有限元法可较好模拟内嵌混合FRP筋加固连续梁加载过程。有限元分析时梁均发生弯曲破坏, 模拟梁混凝土强度增大时, 屈服荷载与极限荷载均有不同程度提高; 内嵌单一种类FRP筋弹性模量增大对模拟梁屈服荷载与极限荷载均有一定提高, 若采用混合筋材加固时, 与采用单一纤维加固梁相比, 特征荷载变化不明显; FRP筋配纤率增大时, 模拟梁屈服荷载与极限荷载均有所提高; 模拟梁加固前承受的初始荷载从0增加到0.7 M_y时, 屈服荷载与极限荷载有不同程度的降低。

(3) 考虑FRP筋与混凝土梁之间的粘结滑移将会使分析结果更精确, 混合FRP筋嵌入加固后混凝土梁的长期性能和疲劳性能将是今后的研究方向。