TRC加固RC梁的疲勞性能的試驗(yàn)研究,建筑結(jié)構(gòu)論文纖維編織網(wǎng)加強(qiáng)混凝土(TextileReinforcedConcrete,簡稱TRC)是由纖維編織網(wǎng)與精細(xì)混凝土制成.使用織物加強(qiáng)水泥基材料的研究早在上世紀(jì)80年代初就已經(jīng)開場了,到90年代后期,關(guān)于TRC的研究成果逐步增加.德國最先成立了TRC的研究中心[1].2002年7月,國際材料與構(gòu)造研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)(RILEM)成立了關(guān)于TRC的研究學(xué)會(huì)(201-TRC),標(biāo)志著歐美國家也正式開展對(duì)TRC的相關(guān)研究.國內(nèi)也有很多學(xué)者從事TRC方面的研究,華而不實(shí)以徐世烺教授團(tuán)隊(duì)和荀勇教授團(tuán)隊(duì)為代表,進(jìn)行了一系列的研究[1].TRC這種新型的復(fù)合材料,在進(jìn)行構(gòu)造加固時(shí)無需對(duì)TRC材料設(shè)置像鋼筋一樣的保衛(wèi)層,這是由于TRC中的纖維材料是一種耐腐蝕的材料,它在混凝土中不會(huì)發(fā)生腐蝕.也正是由于TRC材料不需要保衛(wèi)層,所以它能夠做的很薄,利用它進(jìn)行構(gòu)造加固時(shí),幾乎不改變原構(gòu)造的尺寸和自重.由于TRC使用砂漿作為凝膠材料,與FRP加固相比,能夠有效的提高與基體材料間的粘結(jié)性,于此同時(shí),也提高了加固構(gòu)造的抗老化、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(huán)境下施工的問題[2].國內(nèi)外大量學(xué)者的研究表示清楚,應(yīng)用TRC進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)造加固是一種有效的加固方式方法[2-10].DAmbrisA等[3]采用了不同種類的纖維以及不同的纖維網(wǎng)格規(guī)格、纖維的層數(shù)作為影響參數(shù)對(duì)TRC加強(qiáng)鋼筋混凝土梁的彎曲性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,并提出兩個(gè)不同的理論模型來計(jì)算纖維的應(yīng)變,并將結(jié)果與試驗(yàn)值相比擬,證明了這兩種模型都能夠應(yīng)用在纖維的應(yīng)變計(jì)算上.Schaditz等[4]對(duì)TRC材料加固大跨度板的彎曲承載能力進(jìn)行試驗(yàn)和理論方面的研究,結(jié)果顯示:TRC材料能夠極大的提高加固板的承載力,加固量會(huì)影響板的撓度變化,板的撓度隨著加固量的增加而變小,因而TRC材料用于加固大跨度板構(gòu)造是安全的;用有限元軟件對(duì)板的變形及其承載力進(jìn)行計(jì)算,得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近.ElsanadedyM等[5]研究了分別采用CFRP、TRM加固RC梁的受彎性能,試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),CFRP加固構(gòu)件的承載力要略微優(yōu)于TRM加固梁的受彎承載力,但是在延性方面,TRM的優(yōu)勢非常明顯;數(shù)值模擬的結(jié)果顯示在TRM加固構(gòu)件中參加U型錨固能夠有效的控制加固構(gòu)件發(fā)生剝離毀壞.文獻(xiàn)[2,6,7,8]對(duì)TRC抗彎加固鋼筋混凝土梁的研究表示清楚,TRC抗彎加固梁的一般力學(xué)特征表現(xiàn)為:加固梁的抗彎承載力增大,梁的裂縫形態(tài)得到改善,裂縫的開展得到抑制,裂縫呈現(xiàn)密而細(xì)的特點(diǎn),且隨TRC中配網(wǎng)率增加抗彎承載力明顯提高,裂縫寬度和間距都減小.文獻(xiàn)[5,7,8,9]都基于RC梁抗彎理論推導(dǎo)了TRC加固梁的開裂荷載計(jì)算公式和不同毀壞形態(tài)的正截面承載力計(jì)算公式.文獻(xiàn)[10]對(duì)TRC抗彎加固RC梁試驗(yàn)和有限元計(jì)算的荷載-撓度曲線和荷載-應(yīng)變曲線的變化趨勢進(jìn)行比擬,發(fā)現(xiàn)兩者能夠吻合.固然TRC材料在靜載作用下表現(xiàn)出良好的加固效果,但TRC用于加固鋼筋混凝土梁在疲憊荷載作用下卻是未知數(shù),會(huì)表現(xiàn)出如何的特性,該方式方法能否能在實(shí)際工程中應(yīng)用,當(dāng)前國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)公開發(fā)表的相關(guān)論文發(fā)表.為此,本文對(duì)TRC加固RC梁的疲憊性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.測定了TRC加固梁的疲憊壽命,分析了TRC加固梁的毀壞經(jīng)過與應(yīng)變發(fā)展.1彎曲疲憊試驗(yàn)大概情況1.1試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)與制作試驗(yàn)共制作了10根鋼筋混凝土梁HF1~HF10,華而不實(shí)HF1為未加固梁,剩下9根為TRC加固梁.未加固梁截面尺寸為120mm240mm,加固梁加固之前的截面尺寸為120mm230mm,加固之后的尺寸為120mm240mm,總長都是2400mm.主筋采用212、214、216鋼筋,架立筋采用2A8鋼筋,所有梁的箍筋采用A6.5HPB235級(jí)鋼筋,箍筋間距為s=100mm,純彎段為200mm;砼強(qiáng)度為C40,實(shí)測28天抗壓強(qiáng)度為44.6MPa,試驗(yàn)梁的基本參數(shù)如表1.纖維編織網(wǎng)如此圖1,采用的是由互相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(wǎng)格間距為10mm(見圖1)具體參數(shù)見文獻(xiàn)[1].加固梁橫截面示意圖如此圖2.1.2試驗(yàn)加載加載及測點(diǎn)布置如此圖3.加載系統(tǒng)采用杭州邦威生產(chǎn)的液壓伺服系統(tǒng),數(shù)據(jù)由東華3187自動(dòng)采集.疲憊試驗(yàn)采用跨中對(duì)稱、等幅重復(fù)加載.疲憊荷載應(yīng)力水平max/u=0.7,應(yīng)力比min/max=0.2.直徑為12mm的梁疲憊荷載上限為52.5kN,疲憊下限為10.5kN;直徑為14mm的梁疲憊荷載上限為59.5kN,疲憊下限為11.90kN;直徑為14mm的梁疲憊荷載上限為68kN,疲憊下限為13.6kN.2試驗(yàn)結(jié)果與分析各梁的疲憊壽命及毀壞形態(tài)匯總于表2:從表2中能夠得到,同樣配網(wǎng)率下,單面加固梁的疲憊壽命為41.53萬次、U型加固梁的疲憊壽命為38.10萬次.在加固量一樣的情況下,單面加固的疲憊壽命要高于U型加固.這是由于U型加固在梁側(cè)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,其受力比擬均勻,所以在疲憊荷載上下限都不變的情況下單面加固梁的疲憊效果要優(yōu)于U型加固.但不管是三面加固還是U型加固都比未加固梁的疲憊壽命有所提高,單面加固提高了32%,U型加固提高了21%,講明TRC對(duì)提高RC梁的疲憊壽命有很好的作用.2.1疲憊毀壞經(jīng)過TRC加固梁的毀壞形態(tài)可分為兩類:(1)砼壓壞,網(wǎng)拉斷,鋼筋未斷裂;(2)砼未壓壞,網(wǎng)拉斷,鋼筋未斷裂.梁HF2、HF3、HF4發(fā)生第一類毀壞形式.發(fā)生第一類毀壞的梁,配網(wǎng)層數(shù)較少,加載時(shí)纖維編織網(wǎng)層受力較大,毀壞時(shí)網(wǎng)忽然斷裂,斷口整潔,毀壞構(gòu)成的主裂縫較窄,但裂縫高度很高,中和軸位置相對(duì)較高,受壓區(qū)混凝土被壓壞,如此圖4(a).梁HF5、HF7~HF10發(fā)生第二類毀壞的梁配網(wǎng)層數(shù)較多,跨中變形較小,毀壞時(shí)主裂縫高度較低,受壓區(qū)混凝土沒有能壓碎,如此圖4(b).下面以毀壞形態(tài)(2)為例介紹TRC加固RC梁的裂縫發(fā)展及疲憊毀壞經(jīng)過.疲憊加載經(jīng)過中,試驗(yàn)梁HF7的荷載-跨中撓度曲線如此圖5所示,圖例中的數(shù)字代表疲憊加載次數(shù)(單位為萬次).第一階段:在疲憊加載前第一次靜載后,受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫,裂縫處混凝土退出工作,此時(shí)拉應(yīng)力主要由鋼筋和纖維編織網(wǎng)承當(dāng);原有的裂縫向上擴(kuò)展使得中和軸上移,并且新的裂縫不斷產(chǎn)生,此階段末裂縫基本出齊,該階段相對(duì)加固梁的整個(gè)壽命經(jīng)過較短.第二階段表現(xiàn)為加固梁的撓度幾乎不變,各材料的最大應(yīng)變雖有增加但非常緩慢且增量有限,該階段末期RC梁會(huì)產(chǎn)生新的裂縫,主裂縫構(gòu)成,該階段在整個(gè)疲憊毀壞經(jīng)過所占的比例最大.第三階段,加固梁的跨中撓度迅速增加,在時(shí)間很短的情況下梁發(fā)生疲憊毀壞.進(jìn)一步,試驗(yàn)結(jié)果表示清楚,未加固梁毀壞時(shí)表現(xiàn)為鋼筋疲憊脆性斷裂后梁迅速發(fā)生大變形并喪失承載能力;而加固梁毀壞時(shí)表現(xiàn)為裂縫不斷擴(kuò)大,梁跨中撓度增長過快,此時(shí)梁仍具有一定的承載力但梁承載能力有所降低.未加固梁毀壞截面處梁頂混凝土壓碎,而配三層網(wǎng)的TRC加固梁毀壞時(shí)混凝土均未壓碎,講明TRC減緩了加固梁跨中截面中和軸的上移,毀壞時(shí)梁跨中截面頂混凝土壓應(yīng)變?nèi)暂^小.加固梁與未加固梁相比,前者的毀壞形態(tài)有明顯的優(yōu)點(diǎn):加固梁毀壞時(shí)裂縫較多,裂縫間距較短,構(gòu)成的毀壞主裂縫寬度較小,且加固梁的鋼筋沒有斷裂的現(xiàn)象;而未加固梁毀壞時(shí)裂縫較少,裂縫間距較寬,構(gòu)成的毀壞主裂縫寬度很大,受力鋼筋全部斷裂.TRC加固梁在疲憊荷載作用下跟其在靜載作用下的毀壞形態(tài)不同.靜載作用下TRC加固梁毀壞時(shí)會(huì)沿著縱向鋼筋方向產(chǎn)生撕裂裂縫,并且保衛(wèi)層會(huì)脫離鋼筋,如此圖6;而在疲憊荷載作用下只會(huì)沿梁高方向產(chǎn)生豎向裂縫,且裂縫寬度不大.產(chǎn)生這種現(xiàn)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(jié)力大于老混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力.而TRC加固梁在疲憊荷載作用下,疲憊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憊毀壞,故不會(huì)產(chǎn)生靜載下的毀壞形態(tài).2.2試驗(yàn)梁應(yīng)變發(fā)展1)單面加固與U型加固從圖7中能夠看出,鋼筋應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增長呈現(xiàn)出3個(gè)階段的發(fā)展:初始發(fā)展、穩(wěn)定發(fā)展、迅速發(fā)展.在第一、二階段,梁HF4的應(yīng)變略大于梁HF2;但到了第三階段,梁HF2的鋼筋應(yīng)變發(fā)展迅速,這也標(biāo)志著梁HF2已經(jīng)進(jìn)入了毀壞階段.由于第三階段應(yīng)變發(fā)展迅速,應(yīng)變值較大,應(yīng)變片在這里階段以失效,因而第三階段的數(shù)據(jù)很難采到.梁頂混凝土應(yīng)變?nèi)绱藞D7(b),其基本上也是三階段的發(fā)展形式.從圖中能夠看出梁HF4的混凝土應(yīng)變要大于梁HF2,這講明在毀壞之前一樣的循環(huán)次數(shù)下梁HF2的剛度要大于梁HF4.2)不同配網(wǎng)率本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了四根不同配網(wǎng)率的梁,但由于采集設(shè)備的問題只采到了梁HF4和梁HF6的數(shù)據(jù).從圖8(a)中能夠看出配網(wǎng)率的增加能夠明顯的減小鋼筋應(yīng)變,減緩裂縫發(fā)展速度,進(jìn)而提高加固梁的剛度.梁HF6的頂面混凝土壓應(yīng)變要小于梁HF4,這表示清楚TRC能夠減緩中和軸的上移速度,減小疲憊毀壞時(shí)梁頂壓應(yīng)變,進(jìn)而提高疲憊壽命.3)不同配筋率從圖9中能夠看出,在一樣的循環(huán)次數(shù)下,梁HF5的鋼筋應(yīng)變大于梁HF6,梁HF6的頂面混凝土壓應(yīng)變要小于梁HF5,這講明高配筋率的梁能夠有效減小鋼筋拉應(yīng)變和混凝土的壓應(yīng)變,減緩中和軸的上移速度,進(jìn)而提高疲憊壽命.這也講明了在疲憊荷載作用下RC梁的疲憊壽命受鋼筋的控制.4)不同損傷程度從圖10中能夠看出,當(dāng)梁HF10的鋼筋發(fā)展進(jìn)入第三階段時(shí),梁HF8、梁HF9還在第二階段.也就是講較大荷載作用下的靜力損傷會(huì)使加固梁的鋼筋應(yīng)變提早進(jìn)入第三階段的發(fā)展,會(huì)減小RC梁的疲憊壽命.實(shí)際上在靜力作用下,對(duì)混凝土和鋼筋都會(huì)有損傷.只是在靜力荷載較小時(shí),混凝土和鋼筋都處于彈性階段,卸載后對(duì)混凝土和鋼筋的損傷不大,故對(duì)在疲憊荷載作用下的鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變影響不大.然而當(dāng)靜力荷載較大時(shí),混凝土或者鋼筋可能處于彈塑性階段,卸載后對(duì)混凝土和鋼筋的損傷較大,故對(duì)在疲憊荷載作用下的鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變值也較大,進(jìn)而對(duì)疲憊壽命有較大的影響.3結(jié)論通過試驗(yàn)?zāi)軌虻玫较旅娼Y(jié)論:(1)TRC加固梁在疲憊荷載作用下與靜力作用下有著不同的毀壞形態(tài).(2)在配網(wǎng)率一定的情況下,采用U型加固方式和單面加固方式都能夠提高鋼筋混凝土梁的疲憊壽命;單面加固方式對(duì)疲憊壽命的提高優(yōu)于U型加固.(3)TRC加固梁的疲憊毀壞經(jīng)過能夠分為三個(gè)階段,第一階段會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫,第二階段基本不產(chǎn)生裂縫,撓度也增加緩慢;第三階段會(huì)構(gòu)成毀壞主裂縫,標(biāo)志著梁要?dú)?(4)加固梁的受壓區(qū)混凝土應(yīng)變與受拉鋼筋應(yīng)變隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加呈三個(gè)階段發(fā)展的發(fā)展經(jīng)過.(5)加固量和配筋率的增大都會(huì)減緩中和軸的上移速度,減小疲憊毀壞時(shí)梁頂壓應(yīng)變,進(jìn)而提高疲憊壽命.(6)較大荷載作用下的靜力損傷會(huì)使加固梁的鋼筋應(yīng)變提早進(jìn)入第三階段的發(fā)展,會(huì)減小RC梁的疲憊壽命.以下為參考文獻(xiàn):[1]尹世平.TRC基本力學(xué)性能及其加強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)造受彎性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2018[2]徐世烺,尹世平,蔡新華.纖維編織網(wǎng)加強(qiáng)混凝土加固鋼筋混凝土受彎梁的抗裂性能研究[J].水利學(xué)報(bào),2018,41(7):833-841.[3]DAmbrisiA,FocacciF.FlexuralstrengtheningofRCbeamswithcement-basedcomposites[J].JournalofCompositesforConstruction,2018,15(5):707720.[4]SchladitzF,FrenzelM,EhligD,etal.Bendingloadcapacityofreinforcedconcreteslabsstrengthenedreinforcedconcretebeams[J].Engineeringstructures,2020,40:317-326.[5]ElsanadedyHM,AlmusallamTH,AlsayedSH,etal.FlexuralstrengtheningofRCbeamsusingtextilereinforcedmortar-Experimentalandnumericalstudy[J].CompositeStructures,2020,97:40-55.[6]尹世平,徐世烺.鋼筋與纖維編織網(wǎng)聯(lián)合加強(qiáng)細(xì)?；炷亮旱膹澢囼?yàn)與理論研究[J].工程力學(xué),2