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铝合金板加固钢筋混凝土梁的剥离破坏机理试验研究

来源:金冠游戏 位置:文史艺术论文时间:2020-12-21 10:2312

  摘 要:剝离破坏是铝合金板加固钢筋混凝土(RC)梁常见的早期破坏形式,为了避免剥离破坏的出现,对铝合金板加固RC梁的剥离破坏机理开展试验研究。制作了24根RC梁,利用结构胶将铝合金板粘贴在RC梁底部。为了研究附加锚固对剥离破坏的影响,部分试验梁在铝合金板特定位置设置了化学螺栓或U形箍。通过铝合金板加固RC梁的简支梁三分点对称单调加载试验,得到铝合金板加固RC梁的4种破坏模式:适筋破坏、超筋破坏、板端剥离破坏和中部裂缝剥离破坏。剥离破坏的原因是界面剪应力过大。利用铝合金板应变片的试验数据,得到了铝合金板的粘贴界面剪应力分布曲线,分析了界面剪应力分布规律:在板端取得最大值后迅速下降至零值,RC梁裂缝处界面剪应力发生突变。板端剥离破坏发生的机理:铝合金板端界面剪应力达到铝合金板与混凝土的粘贴强度后,界面剪应力导致保护层内混凝土剥离;中部裂缝剥离破坏发生的机理:界面剪应力在混凝土齿状块体端部产生的正应力大于混凝土受拉强度,导致混凝土齿状块体从梁体剥离。在此基础上,得到了两种剥离破坏的判别式,并结合试验数据验证了判别式的准确性。

  关键词:铝合金板;加固;钢筋混凝土梁;剥离破坏;破坏机理

图书情报论文

  由于环境侵蚀、使用功能改变、长期超荷使用、设计标准提高、超过服役年限以及施工或设计失误等诸多原因,很多混凝土结构不能满足结构的安全性、适用性和耐久性要求,需要采取适当的技术措施,对其进行补强与加固处理。在混凝土构件表面粘贴片材加固由于不显著增大构件截面,不改变结构传力途径,施工方便,是目前应用最广泛的加固技术。钢板和FRP作为常用的粘贴片材,得到了较多的研究[1-4],但两种材料有明显的缺点:钢板容易腐蚀,维护成本高;FRP为脆性材料,变形性能差。文献[5]指出,在pH值为4~9的环境中,铝合金是最耐腐蚀的材料。铝合金材料以其比强高、耐腐蚀、变形性能好、强度和延性低温不敏感等优良力学性能,特别适合应用于侵蚀、潮湿、低温和高寒等极端环境,是一种很好的加固材料[6]。已有学者对铝合金板加固钢筋混凝土(RC)梁的粘结、抗弯和抗剪性能开展了试验、理论和有限元模拟研究[7-12],验证了铝合金板加固RC梁的可行性和优越性。

  剥离破坏是由于粘贴片材连接失效发生的早期破坏,具有突然性和脆性,是加固设计要避免的破坏形式,目前关于粘贴片材加固RC梁剥离破坏的研究主要集中在FRP片材[13-16],如文献[13]基于部分黏结作用复合梁理论,对端部锚固CFRP加固RC梁IC剥离过程进行了有限元模拟;文献[14]考虑FRP的剥离破坏,利用纤维梁模型对FRP抗剪加固RC梁进行了数值模拟;文献[15]对CFRP加固RC梁进行了两点对称简支加载试验,研究了CFRP初始剥离时的应变;文献[16]提出了用于预测FRP加固RC梁剥离破坏的弯曲疲劳性能的模型。铝合金板加固RC梁的剥离破坏鲜有报道。铝合金板的力学性能和材料表面性能与FRP存在明显差异,有必要对铝合金板加固RC梁的剥离破坏开展专门研究。笔者通过24根铝合金板加固RC梁的简支梁三分点单调对称加载试验,研究了铝合金板加固RC梁剥离破坏机理,通过理论分析得到了剥离破坏的判别式,为铝合金板应用于RC梁加固工程提供了理论基础。

  1 试验研究

  1.1 试验设计

  RC梁全长3 000 mm,两端支承在铰支座上,铰支座中心间距l=2 700 mm,RC梁宽b=200 mm,高h=300 mm,在梁的三分点处对称施加集中荷载,如图1所示。纯弯段EF箍筋配置8@180,弯剪段DE、FG箍筋8@100,架立筋通长设置,28。混凝土和纵筋各分为两种情况:C20和C35,212和412。

  1.2 测点布置

  在RC梁侧面布置6个混凝土应变片,试验梁三分点布置位移计,布置示意图如图1所示。在U形箍侧面设置3个应变片,如图3所示;在铝合金板外表面轴线上除板端外每隔50 mm布置应变片,如图4所示;在液压千斤顶和反力板之间设置压力式荷重传感器,如图5所示。所有信号由DH3821测试分析系统自动采集。

  1.3 试验原材料

  混凝土由南宁华润西乡塘混凝土有限公司生产,由28 d混凝土立方体同养试块抗压试验得到,C20立方体抗压强度fcu=26.8 MPa;C35立方体抗压强度fcu=41.3 MPa。

  钢筋采用柳州钢铁股份有限公司产品,由拉伸试验得到其力学性能,如表2所示。表中:fy(εy)和fu(εsu)分别为钢筋屈服状态和极限状态的强度(应变);Es为弹性模量。

  铝合金材料从深圳鑫锦发铜铝材料行购买, JN建筑结构胶由湖南固特邦土木技术发展有限公司生产。铝合金力学性能如表3所示,表中:Ea为弹性模量;f0.1(f0.2)为残余应变0.1%(0.2%)时的应力;fau为与极限应变εau对应的极限强度;n为反映材料应变硬化的参数。JN建筑结构胶力学性能如表4所示,表中:fpt、fpm和fpc分别为抗拉强度、抗弯强度和抗压强度;Ep为弹性模量;εpu为伸长率。

  1.4 加载制度

  试验梁加载装置如图5所示。工字钢分配梁跨中放置液压千斤顶,试验梁中部三分点设置分配梁的球形铰支座,千斤顶通过反力系统以5 kN为一级施加集中荷载,每级荷载持荷5 min,直到试件破坏。

  1.5 试验梁的破坏模式

  如表1所示,试验梁的破坏模式存在4种类型:适筋破坏、超筋破坏、铝合金板端剥离破坏、中部裂缝剥离破坏。试验梁的破坏模式如图6所示。

  适筋破坏、超筋破坏是正截面破坏,前者具有明显征兆,延性破坏;后者是受拉纵筋和铝合金板配置过多,导致混凝土抗压能力不足,是脆性破坏。铝合金板端剥离破坏和中部裂缝剥离破坏统称为剥离破坏,为早期破坏,具有突然性,为脆性破坏。两种剥离破坏都是由于界面剪应力过大产生的。

  1.6 试验梁的荷载挠度曲线

  部分试验梁三分点荷载P跨中挠度f曲线如图7所示。从图中可以看出,发生剥离破坏时,试验梁承载能力和延性均有所降低,适筋破坏的试验梁具有很好承载能力和很好的延性。

  根据式(3),图8给出了部分试验梁在弯矩M=0.1Mu、0.3Mu……0.9Mu(Mu为试验梁极限弯矩)作用下的界面剪应力分布試验曲线,图中x为测点与板端距离,考虑对称,只给出了0~1 m区间的界面剪应力。从图8可以看出:随着荷载变大,板端界面剪应力变大,界面剪应力分布试验曲线形状也发生变化。试验梁裂缝出现前(M=0.1Mu),界面剪应力分布试验曲线是一条光滑曲线,界面剪应力在板端取得最大值τmax后以双曲线形式迅速下降,弯剪区界面剪应力稍大于零,至纯弯区减至零。裂缝出现后(M>0.1Mu),曲线出现波浪。M<0.7Mu时波浪只在纯弯区出现,M>0.7Mu后,弯剪区也出现了波浪。

  推荐阅读:《图书情报导刊》(半月刊)是公开发行的综合性科技期刊。山西省科技厅主管,山西省科技情研究所、山西省科技情报学会主办。

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