1、美國混凝土協會結構期刊 技術卷標題編號：99-S71應用新型延性纖維增強聚合物對混凝土梁的加固作者：Nabil F. Grace, George Abel-Sayed, Wael F. Ragheb摘要：一種新型單向延性纖維增強聚合（FRP）物已經被研究，研制和生產（在勞倫斯理工大學結構試驗中心）以用于結構加固。這種織物是兩種碳纖維和一種玻璃纖維的混合物，而且經過設計它們在受拉屈服時應變值較低，從而體現出偽延性的性能。通過對八根混凝土梁在彎曲荷載作用下的加固和檢測對研制中的織物的效果和延性進行了研究。用現在常用的單向碳纖維薄片、織物和板進行加固的相似梁也進行了檢測，以便同用研制中的織物加固梁進

2、行性能上的比較。這種織物經過設計具有和加固梁中的鋼筋同時屈服的潛力，從而和未加固梁一樣，它也能得到屈服臺階。相對于那些用現在常用的碳纖維加固體系進行加固的梁，這種研制中的織物加固的梁承受更高的屈服荷載，并且有更高的延性指標。這種研制中的織物對加固機制體現出更大的貢獻。關鍵詞：混凝土，延性，纖維加固，變形介紹外貼粘合纖維增強聚合物（FRP）片和條帶近來已經被確定是一種對鋼筋混凝土結構進行修復和加固的有效手段。關于應用外貼粘合FRP板、薄片和織物對混凝土梁進行變形加固的鋼筋混凝土梁的性能，一些試驗研究調查已經進行過報告。Saadatmanesh和Ehsani（1991）檢測了應用玻璃纖維增強聚合物

3、(GFRP)板進行變形加固的鋼筋混凝土梁的性能。Ritchie等人（1991）檢測了應用GFRP，碳纖維增強聚合物（CFRP）和G/CFRP板進行變形加固的鋼筋混凝土梁的性能。Grace等人（1999）和Triantafillou（1992）研究了應用CFRP薄片進行變形加固的鋼筋混凝土梁的性能。Norris，Saadatmanesh和Ehsani（1997）研究了應用單向CFRP薄片和CFRP織物進行加固的混凝土梁的性能。在所有的這些研究中，加固的梁比未加固的梁承受更高的極限荷載。這些梁中大多數出現的一個缺陷是梁的延性有很大的損失。然而通過對梁的荷載-撓度性能的測試，可以發現大多數荷載的增加

4、是在鋼筋屈服后發生的。也就是說，極限荷載明顯提高，然而屈服荷載卻沒有太大提高。因此在正常使用水平荷載的明顯增加很難實現。除去加固前混凝土構件條件的影響，鋼筋對加固梁的彎曲反應有明顯的貢獻。而可惜的是，現有的FRP加固材料和鋼材性能不同。雖然FRP有很高的強度，但是它們多數在提高足夠的強度之前被拉伸而產生很大的應變。因為同大多數FRP材料的極限應變相比，鋼材的屈服應變相對較低，所以隨著加固構件的變形，鋼材和FRP加固材料的貢獻發生了變化。結果，鋼筋可能會在加固構件取得任何可測荷載增加值之前就屈服了。一些研究者在橫截面布置了更強的FRP，這通常會增加加固的成本，進而提供可測的貢獻，盡管這時變形是受

5、限制的（在鋼筋屈服之前）。但是，加固材料從混凝土表面的剝落更多的時候是由于應力集中的原因發生的。剝落是這項加固技術中不出現的一種脆性破壞。盡管使用一些類似超高模量碳纖維的特別的低應變纖維看起來是一種解決方法，但這可能導致由于纖維破壞而產生脆性破壞。本文旨在介紹一種新型偽延性FRP織物，它在屈服時應變低從而具有與鋼筋同時屈服的潛力，能夠實現期望中的加固水準。研究意義FRP已經被越來越多地用做鋼筋混凝土結構修復和加固的材料。但是現在常用的FRP材料缺少延性，并且與鋼筋性能不一致。結果，經過加固處理的梁會體現出延性降低，不能達到期待中的水平，或者二者兼有。本項研究介紹了一種新型的偽延性FRP加固織物

6、。這種織物可以使加固梁承受更高的屈服荷載，并且有助于避免延性的損失，而這在使用目前常用的FRP進行加固中是常見的。混雜織物的研制為了克服前面所提的缺陷，一種具有低屈服應變值的延性FRP材料是很必要的。混雜的文獻回顧為了研制這種材料，考慮了各種不同纖維的混雜。多于一種纖維材料的混雜是許多材料科學研究的興趣所在。他們的工作多數集中于結合兩種纖維以提高每種材料單獨工作時的力學特性并且降低成本。這已經在幾本出版物中報道過,例如Bunsel和Harris（1974），Philips（1976），Manders和Bader（1981），Chow和Kelly（1980），以及Fukuda和Chow（1978

7、）。做為一種能夠克服FRP加固棒延性不足問題的工具，混雜吸引了結構工程師。Nanni,Henneke和Okamoto（1994）研究了用編織芳香尼龍纖維繞在鋼筋核心的短棒。Tamuzs和Tepfors報道了關于使用碳和芳香阻尼纖維進行組合而成的混合纖維棒的試驗調查。Somboonsong，Frank和Harris（1998）研制了一種用編織芳香尼龍纖維纏繞在碳纖維核心的混合FRP加固棒。Harris，somboonsong和Frank（1998）使用這些棒對混凝土梁進行加固，以得到用常規鋼筋進行加固的混凝土梁的普通荷載-撓度特性。設計思想和材料為了產生延性，一種使用不同種類纖維的混雜技術已經被

8、采用。選用了在破壞時有不同延長量級的三種纖維。圖1顯示了這些復合纖維在拉伸時的應力-應變曲線，表1顯示了它們的力學特性。這項技術是建立在將這些纖維結合起來并控制配合比例的基礎上的，這樣當它們被拉伸時共同承受荷載，延伸小（LE）的纖維先破壞，允許一定的應變松弛（應變增加而混合材料的荷載卻并未增加）。余下的延伸大（HE）的纖維被分配承擔所有的荷載直到破壞。延伸小的纖維破壞時的應變值體現了混合材料屈服應變值，而延伸大的纖維破壞時的應變值體現的是極限應變值。延伸小的纖維破壞時對應的荷載體現的是屈服荷載值，而延伸大的纖維承擔的最大荷載體現的是極限荷載值。超高模量碳纖維（1號碳）被用做延伸小的纖維，它應有

9、盡可能低的應變，但不得小于鋼筋的屈服應變（60級鋼筋大約為0.2%）。另一方面，型玻璃纖維被用做延伸大的纖維，應能提供盡可能高的應變而產生高延性指標（破壞時的變形和屈服時的變形的比例）。高模量碳纖維（號碳）被選做了延伸中等（ME）纖維，它使在延伸小的纖維破壞后發生應變松弛時荷載的降低最小化，并且能夠提供從延伸小的纖維向延伸大的纖維逐漸傳遞荷載的途徑。基于這種思想，生產了一種單向織物，并進行了測試，將它在拉伸時的性能和理論預測的承載性能做了對比。理論上的性能建立在混合物規則上，根據這種規則，混合物的軸向剛度是將各組成部分的相對剛度進行總合計算得到的。這種織物的生產過程是，將不同的纖維做為相鄰的紗

10、線結合起來，并將它們用環氧樹脂注入模具中。圖就是一個生產樣品的照片。編織而成的玻璃纖維片布置在試樣的兩端，以消除測試中固定端的應力集中。試樣厚mm（），寬（1in），在拉伸時根據美國材料實驗協會3039規范進行測試。四個測試樣品的平均荷載-應變曲線見圖3，上面還有理論預測的曲線。應該注意到直到應變值達到0.35%，荷載-應變性能都是線性的，這時延伸小的纖維開始破壞。在這一點上應變增長的速率高于荷載。當應變值達到0.90%時，中等延伸的纖維開始破壞，導致應變有附加的增長，直到由于延伸大的纖維破壞帶來試樣的徹底破壞。可以測試到屈服荷載（荷載-應變曲線上性能去不再為線性的第一點）為0.46kN/mm

11、（2.6kips/in）,極限荷載為0.78kN/mm（4.4kips/in）。梁的測試梁的詳細情況一共澆筑了13根鋼筋混凝土梁，橫截面尺寸為152254mm（610in），長2744mm（108in）。梁的受彎鋼筋由底部的兩根5號（16mm）受拉鋼筋和頂部的兩根3號（）的受壓鋼筋組成。為防止發生剪切破壞，使用162mm長的3號鋼筋扎成閉合鐙形對梁的抗剪進行進一步的加固。有5根梁澆筑時角部做成半徑25mm（1in）的圓角，從而易于加固材料的安置。圖4顯示了梁的尺度、鋼筋詳圖、支座和加載點的位置。使用的鋼筋為60等級，屈服強度415MPa（800psi）。加固材料研制中的混合織物用于加固8根梁。

12、使用了兩種不同厚度的織物。第一種（H體系，t=）厚度（），第二種（H-體系，t=）厚度（）。其他四根梁使用現在常用的碳纖維加固材料進行加固：1）一層單向碳纖維薄片，極限荷載0.34kN/mm（1.95kips/in）；2）兩層單向（）；3）一層（16kips/in）。對這些材料測試得到的荷載-應變圖見圖5。表2給出了包括研制中的織物在內的加固材料的特性。粘結材料對這種混合織物，使用一種環氧樹脂（環氧A）注入纖維，并做為織物和混凝土表面的粘結材料。這種環氧材料極限應變為4.4%，從而保證不至于在纖維破壞之前破壞。對于使用碳纖維薄片、板和織物加固的梁，使用的是極限應變為2.0%的環氧樹脂（環氧B）

13、。由生產商提供的粘結材料的力學特性見表3。加固在梁的底部和兩側噴砂以使其表面粗糙。然后使用丙酮除去污物對梁進行清潔。采用兩種加固構造：1）只在梁底面布置加固材料（A組梁）；2）除對梁底部外，在梁兩側各伸長152mm（16in），大概能覆蓋住梁的受彎拉伸部分（B組梁）。加固材料沿梁長度布置在中心，長達（88in）。環氧在對梁進行測試前要進行兩周的養護。對研制中的混合織物（H-體系）加固的梁，制備了兩根，并對各種構造進行測試來證實結果。表4對梁的檢測進行了匯總。儀器跨中FRP的應變通過布置在梁底面的三個應變片測量。測量A組梁鋼筋拉伸應變是通過監控在梁的側面與鋼筋棒平行處測量點設置的DEMC（可拆式

14、機械計量器），而B組梁使用的是應變片。跨中撓度是通過使用串行電位計測量的。使用液壓器對梁加載。荷載有一種荷載電池測量。所有的傳感器同數據采集系統相連以掃描并記錄讀數。試驗結果和討論控制梁控制梁的屈服荷載82.3kN（18.5kips），極限荷載95.7kN（21.5kips）。梁由于鋼筋屈服而破壞，隨之跨中混凝土受壓破壞。控制梁的試驗結果見加固梁的試驗成果圖上（圖6至15）。A組梁A組梁已在底面進行了加固。圖6至11顯示了這些梁的試驗結果。H-50-1梁和H-75-1梁分別和H-50-2梁和H-75-2梁各自的結果非常接近，因此關于這些梁的討論就集中于后兩者，以避免重復。梁的延性通過計算延性指

15、數來考察，即計算破壞時與屈服時的撓度之比。圖6（a）顯示了C-1梁的荷載-跨中撓度關系圖，C-1梁使用碳纖維薄片進行加固。梁在荷載為85.9kN（19.3kips）時屈服，在荷載為101.9kN（22.9kips）時由于碳纖維薄片的開裂而破壞。值得注意的是，從這幅圖中看來，雖然有了延性性能，但是同控制梁比起來，屈服荷載只提高了4%。延性指數為2.15。圖6（b）顯示了跨中荷載-碳纖維應變關系圖。圖7（a）顯示了C-2梁對應的荷載-撓度曲線。這根梁使用固體玻璃碳纖維板進行加固。它沒有屈服臺階（延性指數為1），在荷載為132.6kN（29.8kips）時由于板端部的受剪-受拉破壞而突然破壞。盡管荷

16、載提高了61%，但破壞仍是脆性的。圖7（b）顯示了跨中荷載-碳纖維應變關系。碳纖維破壞時記錄的最大應變為0.33%，這意味著板的承載力發揮了24%。C-3梁的荷載-撓度關系見圖8（a）。該梁由兩層碳纖維織物加固。它在荷載為107.7kN（24.2kips）時屈服，在荷載為134.4kN（30.21kips）時由于織物的剝落而破壞，此時它并未如控制梁那樣顯示出任何明顯的屈服臺階。延性指數是1.64。值得注意的是，在圖8（b）中破壞時記錄到的碳纖維應變的最大值為0.67%，這意味著纖維承載力大約發揮了48%。圖9（a）顯示了H-50-2梁的荷載-撓度關系。這根梁使用研制中的厚度為1mm厚的混合織物

17、進行加固Kn（22.0kips）（同控制梁比起來提高了19%）。在圖9（b）中值得注意的是，當梁屈服時織物）時由于織物的徹底開裂而破壞。圖9（c）即為破壞時的梁。圖10（a）顯示了H-75-2梁的荷載-屈服關系。這根梁使用厚度為厚的研制中的混合織物。它在荷載為113.9kN（25.6kips）時屈服，在130.8kN（29.4kips）的極限荷載下由于織物剝落而導致徹底破壞之前體現出的延性指數為2.13。值得注意的是，盡管最終破壞是由于織物的剝落，但這是在取得了令人滿意的延性之后發生的。從圖10（b）中可見當梁屈服時的應變為0.35%。圖10（c）是梁破壞時的照片。圖11和表5對A組梁的試驗結

18、果進行了比較。可以觀察出如下現象：1C-1梁和H-50-2梁體現了較好的延性特征。但是H-50-1梁比C-1梁體現了更高的屈服荷載。這是因為，經過設計這種研制中的混合織物比碳纖維片有更高的初始剛度；因此，在鋼筋屈服前它比碳纖維對加固的貢獻更大。2盡管碳纖維織物的極限荷載比厚的混合織物屈服時對應的荷載大幾倍，但是直到屈服時，H-75-2體現著和C-3相似的性能。但是H-75-2梁有令人滿意的屈服臺階，而C-3梁卻沒有。3相對于現在常用的碳纖維加固材料，這種研制中的織物屈服時的應變和鋼筋的屈服應變接近。盡管仍然較高，但是混合織物的應變值和梁屈服時的應變值接近，這意味這它和鋼筋同時屈服。這一部分要歸

19、功于將植物安置在梁的外表面，這樣比安置在梁的內部要承受更大的拉應變。結果織物的屈服應變設計值看起來是可以接受的。4當使用有較高承載能力的碳纖維板（正如在C-2梁中使用的）時，能夠提供高的破壞荷載，同時也會產生脆性破壞。B組梁這組梁除對梁底部外，在梁兩側向上延伸152mm（16in）的范圍也進行了加固。改組試驗結果見表5和圖12至15。H-S50-1梁和H-S75-1梁分別和H-S50-2梁和H-S75-2梁各自的結果非常接近，因此關于這些梁的討論就集中于后兩者，以避免重復。圖12（a）顯示了CS梁的荷載-撓度關系。這根梁是使用碳纖維薄片體系加固的。它在荷載達到99.2kN（22.3kips）時

20、由于鋼筋的屈服而屈服。屈服荷載增加了20%。梁在達到123.3kN（27.7kips）的極限荷載時由于跨中混凝土的受壓破壞而破壞。從圖12（b）可以看出當梁屈服時，碳纖維的應變為0.35%，因此在這段承載階段發揮了它的大約30%的能力。在梁破壞之前記錄到的最大應變為1.0%。取得的延性指數為2.04。H-S50-2的試驗結果見圖13。這根梁使用研制中的厚度為1mm厚的混合織物進行加固。圖13（a）顯示了它的荷載-撓度曲線。當荷載達到113.9kN（25.6kips）時由于鋼筋和織物的破壞，梁發生破壞。屈服荷載增加了38%。梁在達到146.6kN（32.9kips）的極限荷載時由于混凝土的受壓破

21、壞而破壞。延性指數為2.25。圖13（b）顯示了跨中荷載和織物應變的關系。梁屈服時記錄到的應變值是0.35%，在梁破壞前記錄到的最大應變值是1.2%。梁的破壞情形見圖13（c）。圖14即H-S75-2的試驗結果。這根梁也是用研制中的混合織物加固的，但是厚度為。從圖14（a）可見梁在荷載為127.3kN（28.6kips）時屈服，由于鋼筋和織物的屈服，屈服荷載增加了55%。當荷載達到162.0kN（36.4kips）時，這根梁由于跨中混凝土的受壓破壞而破壞。它的延性指數為1.89。圖14（b）顯示了跨中荷載和織物應變的關系。在梁破壞前記錄到的最大應變是0.74%。該梁的破壞情形見圖14（c）。圖

22、15顯示了B組各梁試驗結果的比較。從試驗結果可以觀察到如下現象：1雖然混合織物的屈服荷載低于碳纖維板的極限荷載，但是H-S50-2梁比CS梁體現出了更高的延性。這是因為同碳纖維薄片相比，這種混合織物有更高的初始剛度。2用研制中的混合織物加固的梁屈服荷載更大，并且有令人滿意的屈服臺階。這種研制中的混合織物的一個優點是它易于通過視覺觀察判斷織物是否屈服，因為任何破壞的碳纖維紗線都是可見的。而且，這種混合織物比目前常用的碳纖維材料便宜，因為這些纖維中超過75%的使用的是玻璃纖維，而這要比碳纖維成本低。結論基于本研究所介紹的研究調查，可以得出如下結論：1目前常用的FRP材料作為彎曲加固體系用于混凝土結

23、構并不能總是在加固梁中提供類似未加固梁的屈服時的屈服臺階。在一些情況下，加固可能導致加固梁的脆性破壞或著是屈服荷載增加很不明顯，或者是二者兼有。2選擇的幾種類型的纖維的混雜被用于研制偽延性的織物，它在屈服時的應變低（0.35%）。經過設計，這種織物具有同加固梁中的鋼筋同時屈服的潛力。3同那些應用碳纖維進行加固體系相比，使用研制中的混合織物進行加固的梁通常會顯示出在屈服荷載上有更高的增長。有些用混合織物進行加固的梁會顯示出類似未加固梁的屈服臺階。這在結構破壞之前保證足夠的警示作用是特別重要的。4使用研制中的混合織物體系進行加固的梁并沒有顯示出明顯的延性損失。使用碳纖維加固的梁也沒有明顯的延性損失

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