在基础设施延寿与加固工程中,碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)凭借其高强度、轻量化、耐腐蚀性等优势[1],成为钢筋混凝土(Reinforcedconcrete,RC)结构修复补强的核心材料。在正常使用环境下,外贴CFRP加固体系普遍存在界面剥离问题,这将导致CFRP利用率不足,影响加固效率。现有研究证实,采用H型锚、机械锚固、纤维束锚固等增强措施,可通过约束界面滑移将CFRP的利用率从原来的50%提升至70%以上[2-4]。
在滨海地区,大量港口、桥梁等RC构件长期承受荷载与环境的双重作用,外贴CFRP加固技术更成为提升结构承载力的关键手段[5]。而滨海环境中的盐类侵蚀与干湿循环交替作用,会显著加剧CFRP-混凝土界面的劣化进程[6-9],这导致CFRP材料强度利用率仅为30%~50%[10-11]。Wang等[12]通过试验测试了NaCl溶液对CFRP-混凝土界面的影响,结果表明界面断裂能量释放速率随含盐量升高呈非线性减小趋势。Liang等[13]指出,60%极限荷载持续加载和干湿循环共同作用会使增强复合材料(Fiber reinforced polymer, FRP)与混凝土黏结界面极限应变下降超过30%。Fazli等[6]制作了18根CFRP加固钢筋混凝土短梁,进行海洋环境下CFRP-混凝土界面黏结强度的三点弯试验,试验表明在海水侵蚀环境下,混凝土的强度和CFRP的刚度会明显下降,进而降低CFRP-混凝土界面的黏结强度。因此,滨海环境下黏结界面性能的退化,将使加固构件的抗弯承载能力大幅衰减,严重威胁结构安全。
界面黏结性能是决定滨海环境下CFRP加固效果的核心因素,因此,端部锚固技术将是抑制剥离破坏的关键路径之一。张益宁[14]指出,CFRP端部锚固可有效延缓界面剥离,但其效果高度依赖锚具形式与应力传递效率。相比于机械锚固方式,附加纤维束混合锚固是一种便捷有效的锚固形式,其材料与CFRP相同,具备相同的轻量化、耐腐蚀等优点。现有研究表明,采用附加纤维束混合锚固的加固形式能有效防止CFRP与混凝土之间过早发生剥离,可充分利用CFRP的加固强度[15-16]。Zhang等[17-18]制作了CFRP-混凝土节点试件,采用CFRP纤维束锚进行加固,探究了常温环境下黏贴长度、锚固位置、锚扇角度、锚杆角度等因素对界面黏结性能的影响。Assad等[19]发现,通过增加CFRP锚钉数量可以改善CFRP外贴加固混凝土梁的弯曲性能,无锚固、双锚钉、四锚钉情况下的CFRP利用率分别为27%、61%和99%。综上,目前研究多聚焦于干湿循环条件下无锚固界面的劣化规律和正常干燥环境下的锚固效果,而对滨海环境下多因素耦合作用下纤维束锚固体系的性能变化规律尚未有较系统的研究。
本研究旨在通过小模型试验,对纤维束锚固的CFRP加固钢筋混凝土梁进行海水干湿循环试验,探究海水干湿条件对带锚固CFRP加固梁性能的影响,试验变量包括不同干湿循环次数和不同纤维锚布置方式。通过干湿循环后的四点加载抗弯试验,探究极限承载力、梁的挠度、钢筋应变以及CFRP利用率等关键参数的变化规律。通过本研究,期望能够为滨海地区CFRP加固混凝土结构的耐久性设计和评估提供科学依据,推动CFRP加固技术在滨海工程结构中更广泛的应用。
1 试验概况 1.1 试件设计在本研究中设计并制作了10根钢筋混凝土梁,梁长1 500 mm,截面尺寸为150 mm×200 mm,混凝土保护层厚度为20 mm。受拉区配置两根直径为8 mm受拉钢筋,受压区配置两根直径6 mm、箍筋直径为8 mm、间距150 mm的架立筋,沿梁全长布置,如图 1所示。对这10根钢筋混凝土梁均进行CFRP抗弯和抗剪加固,其中梁底使用双层尺寸为1 200 mm(长)×50 mm(宽)的CFRP布加固;剪弯端在梁侧面使用垂直加载点与支座连线的斜向单层CFRP布加固,布宽50 mm,净间距50 mm,加固示意如图 2所示。
|
(配筋图(右图)中标注的内容从上到下依次表示2根直径为6 mm的HRB400架立筋、直径为8 mm间距为150 mm的HRB400箍筋、2根直径为8 mm的HRB400受拉筋。单位:mm。The annotations in the reinforcement drawing(right image) from top to bottom represent 2 HRB400 vertical bars with a diameter of 6 mm, HRB400 stirrups with a diameter of 8 mm spaced at 150 mm, and 2 HRB400 tensile bars with a diameter of 8 mm. Unit: mm.) 图 1 RC梁尺寸及配筋图 Fig. 1 Dimensions and reinforcement layout of RC beam |
|
(单位: mm。Unit: mm.) 图 2 RC梁抗剪加固图 Fig. 2 Shear strengthening diagram of RC beam |
试件的主要变量为CFRP加固材料的锚固形式,锚固主要布置于抗弯加固材料的两端以确保CFRP材料的有效利用。锚固材料为手工卷制的纤维束,将一块长100 mm、宽80 mm的单层CFRP布卷成直径6 mm的纤维束,对底部1/3进行环氧树脂预浸处理,固化24 h后方可使用。在实际工作中,纤维束锚分为锚杆和锚扇两部分,锚杆锚入混凝土深度为50 mm[20-21],散开的锚扇长度为50 mm,展开角度为60°[22],两者均采用环氧树脂胶同混凝土和抗弯加固布黏结。纤维束锚固形式包括直列双锚、直列三锚、三角锚固和全长锚固布置四种,另外增设无锚固和传统的U型箍锚固两种形式作为对比。纤维束锚间距均为100 mm,最外侧锚距离CFRP端部90 mm。U型箍布置为端部两道50 mm宽单层CFRP布,间隔50 mm,长度覆盖整个梁侧和梁底。锚固布置形式如图 3所示,纤维束锚的制作如图 4所示。
|
(单位: mm。Unit: mm.) 图 3 CFRP加固梁锚固形式 Fig. 3 Anchorage forms of CFRP-strengthened beams |
|
图 4 纤维束锚制作 Fig. 4 Fabrication of fiber bundle anchors |
为探究海水干湿循环次数对加固梁性能的影响,对加固梁首先进行干湿循环试验,梁的干湿循环次数分别为0、60、120、180、240次,每个循环次数下设置1根端部直列双锚的CFRP加固钢筋混凝土梁。在180次的循环工况下,除直列双锚试件以外,设置另外五种锚固形式的试件作为对比。具体试件的锚固及干湿循环工况信息如表 1所示。
|
|
表 1 试件信息表 Table 1 Specimen information table |
钢筋混凝土梁的材料参数如表 2所示。混凝土梁浇筑采用强度等级为C30的商品混凝土,水泥采用强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥,石子最大粒径为10 mm。质量配合比为水泥∶水∶砂∶石子∶粉煤灰∶聚羧酸减水剂= 378∶ 216∶ 600∶ 900∶ 162∶ 5.462∶5.4。浇筑时留置标准混凝土立方体试件,经室温养护28 d后,测得混凝土立方体抗压强度为28.5 MPa。钢筋强度等级均为HRB400级,其中,直径6 mm钢筋实测屈服强度为428 MPa,极限强度为617 MPa;直径8 mm钢筋实测屈服强度为432 MPa,极限强度为602 MPa。
|
|
表 2 混凝土主要性能参数 Table 2 Main performance parameters of concrete |
试验采用的CFRP材料为上海卡本科技集团股份有限公司生产的型号为CFS2-220-017的单向CFRP布,环氧树脂为天津卡本公司生产的CFRP布配套的CFSR型环氧树脂胶,材料属性如表 3所示。CFRP布的实测抗拉强度为3 278 MPa,弹性模量为289 GPa,单层的名义厚度为0.167 mm。
|
|
表 3 CFRP布材料性能 Table 3 Material properties of CFRP sheets |
加固前的钢筋混凝土梁处于未损伤状态。加固具体步骤如下:(1)对梁底部和侧面加固区域定位划线,然后进行人工凿毛,以增强CFRP布和混凝土之间的黏结性能;(2)对锚固位置进行钻孔,锚固孔深度55 mm,直径8 mm;(3)加固区域刷涂一层底胶,锚孔位置进行灌胶处理;(4)依次粘贴两层CFRP布,并辊涂环氧树脂保证浸渍和粘贴效果;(5)穿过CFRP布的缝隙在锚孔位置插入纤维束锚,并注意锚固过程中保持CFRP布的平整;(6)将锚扇部分涂抹环氧树脂后弯折90°粘贴于外层CFRP布的表面;(7)进行养护14 d。
1.4 侵蚀环境使用五倍黄海流域的海水浓度配置人工海水达到加速侵蚀的效果,试验的人工海水成分如表 4所示。使用全自动干湿循环箱进行干湿循环,环境箱体尺寸为1 600 mm(长)×700 mm(宽)×900 mm(高),循环箱内试件布置如图 5所示。一个循环周期为24 h,具体过程如下:试件首先浸泡16 h,排液后常温风干0.5 h,随后升温至40 ℃烘干5.5 h,最后冷却2 h。设置了0、60、120、180、240五种干湿循环次数,每个设计循环周期结束后,将对应批次试件从干湿循环试验箱中取出,擦净并风干一周后再进行性能测试。
|
|
表 4 人工海水成分表 Table 4 Composition table of artificial seawater |
|
图 5 干湿循环箱 Fig. 5 Wet-dry cycling chamber |
采用四点加载弯曲加载方式进行加载,如图 6所示。梁跨度为1 200 mm,纯弯段长度为400 mm。使用千斤顶分级加载,加载等级设定为5 kN。当梁开裂和钢筋屈服时,适当提高加载等级,每完成一级加载后,需保持3~5 min的稳定时间,直到梁被完全破坏。使用位移计对梁的跨中和支座的位移进行测试,采用应变片测量跨中截面受拉钢筋应变,以及梁顶的混凝土受压应变。对于最外层的CFRP布,从跨中位置开始,每隔100 mm向端部布置应变片,共布置6个。应变、力、位移等数据的采集,均使用DHDAS应力应变采集仪进行采集。
|
图 6 加载示意图 Fig. 6 Loading schematic diagram |
图 7汇总了加固试件在四点弯试验中的各种典型失效图。从破坏机理上看,可以分为两种类型:直接锚束失效型(D0、D60、D120)和先剥离后锚束失效型(D0、D60、D120)。而从最终破坏形式上看,可以分为四种:(1)锚束剪断型,包括试件D0、D120、T180-T;(2)锚束拔出型,包括试件D180、D240;(3)锚束混合破坏型,包括试件D60、T180-S;(4)碳纤维布拉断型,包括试件T180-F。从破坏形式的转变可以看出,干湿循环次数小于120次时,纤维束锚以剪切破坏为主要破坏形式,说明锚束黏结性能保持较好,未受到明显的劣化影响,端部锚束先达到强度极限而剪断,此时跨中黏结应力较大处未观察到明显滑移;当干湿次数超过180次,黏结性能退化明显,在荷载作用下,均先发生跨中黏结界面滑移,进而发生端部锚束拔出破坏,这表明界面黏结性能被干湿循环侵蚀严重削弱。以锚固方式角度来看,全长锚固件T180-F的性能最佳,充分发挥了FRP的强度,其在试验中未发生界面剥离和锚束破坏,而是最终表现为CFRP布拉断。局部锚固试件中试件延性U180优于T180-S,T180-S优于T180-T,原因是U形锚固的加固方式黏结区域较大,变形能力较强。
|
图 7 典型破坏形式图 Fig. 7 Diagram of typical failure mode |
总体来说,与无锚固试件N180相比,附加纤维束锚固的FRP加固梁延性、开裂、剥离荷载等性能明显提升。
2.2 荷载挠度曲线图 8是根据不同循环次数与不同锚固形式划分试件组绘制的荷载-挠度曲线。从图 8(a)中可以看出,随着干湿循环次数的增加,各构件开裂前刚度相差不大,但开裂后及钢筋屈服后,刚度随着干湿循环次数的增加而明显减小,同时构件的极限荷载也随之降低。这一现象的本质是干湿循环侵蚀损伤了CFRP混凝土界面,降低了混凝土、结构胶的强度,进而导致整体刚度和强度的降低。
|
图 8 荷载-挠度曲线 Fig. 8 Load-deflection curve |
从图 8(b)中可以看出,全长锚固的极限荷载与极限挠度最高,T180-T、T180-S、D180同属局部纤维束锚固体系,其极限荷载同挠度和刚度相近,明显高于非纤维束锚固试件U180和N180。说明合理增加纤维束锚的数量可以明显提高梁的极限荷载。这主要是因为多个纵向布置的纤维束锚可以协调发挥作用。另外,相比无锚固形式,U形锚固体系对于干湿循环情况下加固梁的极限荷载和挠度的提升有限,这表明其在干湿循环环境下对加固梁极限荷载和挠度的提升作用有限,难以有效抑制界面劣化。
2.3 开裂与屈服荷载分析混凝土裂缝的产生对钢筋混凝土结构性能影响较大,同时裂缝也对CFRP-混凝土界面影响颇深,会导致黏结界面的应力集中,进而引起界面剥离。图 9为开裂荷载随干湿循环次数的变化曲线。表 5中汇总了各试件开裂荷载、屈服荷载及钢筋屈服应变数据。
|
图 9 干湿循环对开裂荷载的影响 Fig. 9 Influence of wet-dry cycles on cracking |
|
|
表 5 开裂荷载、屈服荷载及应变 Table 5 Cracking load, yielding load and strain |
由图 9和表 5可以看出,开裂荷载随着干湿循环次数的增加而明显降低,240次干湿循环后,直列双锚试件D240的开裂荷载下降约39%,与无锚固件N180相同,说明此时端部纤维束锚对开裂荷载几乎没有影响。由图 9可以直观地看出,在180次循环后,开裂荷载开始骤降,说明在循环次数达到180次之后,本试验中的加固梁劣化程度较大。原因在于CFRP-混凝土界面退化,CFRP对裂缝的抑制能力降低。同时混凝土被侵蚀,强度下降,抗裂能力下降。试件的屈服荷载变化趋势与开裂荷载一致,但降低幅度稍小,在240次干湿循环后,屈服荷载降低约23%。但钢筋的屈服应变并未发生明显变化,变化幅度低于8%,说明本试验中干湿循环尚未影响到钢筋的性能。
在相同干湿循环次数,不同锚固体系中,全长锚固件T180-F的开裂荷载和屈服荷载最高,说明其CFRP对混凝土裂缝的抑制能力较强,原因在于锚束越多,总体锚固力越强,且稳定性较好。N180的开裂荷载与屈服荷载最低,U180的开裂及屈服荷载稍高,说明附加纤维束锚不仅增强了加固效果,而且提供了一个对加固效果耐久性能的有效保障。T180-S、T180-T、D180其开裂荷载均在18~19 kN,说明这三者对于裂缝的抑制能力相仿。综合来看,在滨海环境下使用附加纤维锚束锚固CFRP,具有较好的抵抗侵蚀的效果。
2.4 承载力及挠度分析表 6中汇总了试验梁的极限荷载和极限荷载对应的跨中挠度,并且列出了相应的变化率。为更直观地看出不同循环次数和不同锚固形式分别对极限承载力及其对应的挠度的影响,将表 6中数据绘制成图(见图 10)。
|
|
表 6 不同干湿循环对加固梁影响的试验数据 Table 6 Test data on the influence of different wet-dry cycles on strengthened beam |
|
图 10 加固梁极限荷载变化图 Fig. 10 Diagram of ultimate load variation of strengthened beam |
从表 6和图 10中可以看出,随着干湿循环次数的增加,同一加固类型梁的极限荷载呈下降趋势,下降幅度介于5%~10%。可见干湿循环会不断破坏CFRP与混凝土之间的黏结强度,使CFRP对RC梁的加固效果减弱。U形锚固对极限荷载的提升幅度最小,U形锚固仅比无锚固承载力提升约5%。直列多锚的D180、T180-S、T180-T加固效果相仿,比无锚固承载力提升约25%,全长锚固的T180-F加固效果最好,比无锚固(N180)承载力提升约48%。从表 6和图 11中可以看出,该挠度随着干湿循环次数的增加而减小,大致呈线性变化。不同的锚固形式对于挠度的影响较为相近,全长混锚最为突出。
|
图 11 加固梁极限挠度变化图 Fig. 11 Diagram of ultimate deflection variation of strengthened beam |
综上所述,在不同锚固形式中,直列双锚和全长锚固各具优势。全长混锚的优势在于其锚固力的提升幅度较大;直列双锚体系的优势在于对混凝土损伤较少,并且在端部锚固中综合效率较高。
2.5 钢筋应变分析图 12为跨中部位受拉钢筋的应变随荷载变化的曲线。从图 12(a)中可以看出,屈服后不同干湿循环次数的试件钢筋应变数值表现出明显不同,但应变变化率并未明显降低,这是因为CFRP布没有应力屈服点,其存在提供了钢筋屈服后的主要拉力,保证了所承受荷载的持续快速增长。相比循环次数,锚固形式对钢筋应变的演变影响更明显。从图 12(b)中可以看出,相比纯外贴或U型箍锚固试件,附加纤维束锚固体系的梁在承载能力和钢筋利用方面都有显著提升。这是由于附加的锚固起到了有效传力的作用,延缓了加固失效的发生,进而更充分地利用了钢筋的承担拉力作用。
|
图 12 荷载钢筋应变曲线 Fig. 12 Load-reinforcement strain curve |
图 12中的第一拐点为钢筋屈服点,第二拐点(峰值点)为CFRP加固界面剥离失效点,界面剥离导致水平剪力无法传递,负载骤降,挠度增加;当剥离传递至端部锚固区域后,锚固件在拉力或剪力下失效,加固构件完全变为未加固状态;随着竖向位移的施加,钢筋应变继续增加直至钢筋被拉断,构件完全失效。
2.6 CFRP布应变及强度利用率图 13展示了典型试件不同位置的荷载-CFRP应变曲线。从图 13中可以看出:(1)应变由跨中向两端传递,且加载初期应变均匀增长,在荷载超过30 kN后,CFRP应变增长速度加快,这是因为钢筋屈服后,主要拉力增长开始由CFRP布承担。(2)对比不同循环次数的同一试件,D0试件中,端部测点应变变化明显晚于跨中测点,各测点曲线呈发散状态。D180和D240试件的应变变化更为收束,各测点都较早地参与了结构受力,这是由于经历干湿循环越少,加固界面的黏结性能越好,跨中应力传递所需的黏结长度越小。反之,经历一定的干湿循环次数后,黏结性能受到一定削弱,传递跨中应力所需的黏结长度相应增加。(3)在相同干湿次数下,不同锚固形式的试件CFRP应变发展较为相似,但由于锚固效果的不同,各测点所能达到的最大应变值不同,无锚固试件最大应变仅为5×10-3,而全长锚固试件的最大应变可达1.1×10-2。
|
图 13 荷载-CFRP布应变曲线 Fig. 13 Load-CFRP sheet strain curve |
表 7中汇总了各试件的剥离/破坏模式、CFRP最大应变和CFRP强度利用率。其中,对于发生CFRP布拉断破坏的T180-F试件,其CFRP强度利用率为100%。
|
|
表 7 CFRP布试验结果 Table 7 Test result of CFRP sheet |
从表 7可以看出,随着干湿循环次数的增加,CFRP布的极限应变逐步增加,但极限荷载却逐步下降。这是因为干湿循环作用造成了环氧树脂胶的性能退化,导致CFRP布整体弹性模量降低,虽然极限应变增大,但其承载力却降低了,导致极限荷载逐步下降,因此不再讨论循环次数对CFRP利用效率的影响。另一方面,相比无锚固加固梁N180,附加锚束的CFRP布锚固体系对于维持梁的承载性能具有重要贡献。D180试件的CFRP利用率为85.59%,几乎为无锚固试件的2倍。
3 CFRP强度等效模型为更好地预测干湿循环对纤维束锚固CFRP加固RC梁承载力的影响,本文基于试验梁性能变化规律与失效机理的分析,提出了附加直列双锚FRP加固梁的CFRP抗拉强度等效模型,模型中同时考虑了干湿侵蚀和界面剥离造成的强度退化。
在端部双锚条件下,随着循环次数的增加,CFRP利用率不断提高,因此,要进行滨海环境下的CFRP加固混凝土方案设计,就需要预测侵蚀后CFRP的有效强度,这既包含了过早剥离造成的有效应力折减,也包含了干湿侵蚀导致的性能退化。
取纯弯段进行分析,作出如下假定:(1)应变符合平截面假定;(2)受拉区混凝土开裂退出工作,拉力由受拉钢筋和CFRP布共同承担;(3)极限荷载时,受压混凝土充分塑性发展,混凝土应力采用等效矩形应力图形,应力值为α1fc(α1为受压区混凝土等效矩形应力图形系数,fc为混凝土轴心抗压强度设计值)。
由图 14可见,截面受力平衡方程可表示为
| $ {\alpha _1}{f_{\rm{c}}}b{x_{\rm{c}}} = {f_{\rm{y}}}{A_{\rm{s}}} + {T_{\rm{f}}}。$ | (1) |
式中:b为梁宽;xc为受压区高度;fy为钢筋抗拉强度设计值;As为受拉钢筋面积;Tf为CFRP布的等效拉力(等效强度乘以面积)。
|
图 14 梁截面计算简图 Fig. 14 Simplified diagram for beam section calculation |
对受压区中心求力矩,可得梁的极限承载力(Mu):
| $ {M_{\rm{u}}} = {f_{\rm{y}}}{A_{\rm{s}}}\left( {{h_{\rm{0}}} - \frac{{{x_{\rm{c}}}}}{2}} \right) + {T_{\rm{f}}}({h_{\rm{f}}} - \frac{{{x_{\rm{c}}}}}{2})。$ | (2) |
式中:h0为截面有效高度;hf为CFRP合力点到受压区边缘的距离。将试验中D0试件的极限承载力换算成截面极限弯矩后代入式(2),即可求得CFRP的等效拉力Tf。
将干湿循环后CFRP的拉力(Tf)与材性试验所测的CFRP极限抗拉强度(Tf, max)的比值定义为CFRP等效强度利用因子(γf),即
|
|
表 8 CFRP布试验结果 Table 8 Test results of CFRP sheets |
|
图 15 CFRP等效强度利用因子拟合曲线 Fig. 15 Fitting curve of utilization factor of equivalent strength of CFRP |
CFRP等效强度利用因子(γf)的表达式为
| $ {\gamma _{\rm{f}}} = 0.963 - 1.31 \times {10^{ - 3}}T{\rm{ }} + 2.60 \times {10^{ - 6}}{T^2}。$ | (3) |
式(3)可以作为一个预测模型,用以预测端部双锚试件在实验条件下干湿循环对CFRP有效强度的影响。
根据计算得到的CFRP抗拉强度可知,随着干湿循环次数的增加,CFRP抗拉强度逐渐减小,但CFRP极限应变却逐渐增大,这是由于海水干湿循环使界面黏结性能降低,树脂性能退化,从而导致整体的CFRP片材的弹性模量下降,开裂处界面滑移增大,进而使CFRP应变增长,但整体抗拉强度反而降低。由此可以看出,在干湿循环侵蚀下,黏结界面的退化是梁极限承载力下降的主要原因。
4 结论通过对不同干湿循环次数和不同锚固形式的CFRP加固梁开展四点弯曲试验,并对破坏模式、极限荷载、CFRP应变分布和利用率等性能分析,可得出以下结论:
(1)干湿循环次数增加会使CFRP-混凝土界面发生劣化,进而降低加固效果,即便存在锚固的情况,加固梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和最大挠度仍然会降低。在直列双锚情况下,经历240次干湿循环后,开裂荷载降低39%,屈服荷载降低23%,极限荷载降低10%,极限挠度降低20%。
(2)随着干湿循环次数增加,加固梁破坏模式由纤维锚束的剪断破坏(60次干湿循环前),逐步转变为锚束拔出破坏(180次干湿循环后)。这说明,尽管纤维锚束锚入混凝土梁内,但干湿次数的增加仍会逐步降低纤维锚束的锚固性能。
(3)相比于无锚固试件,在经历180次干湿循环后,全长锚固试件表现为纤维布拉断破坏,承载力提升了48%;直列三锚、三角锚固和直列双锚试件的受力和变形性能相近,均呈现纤维束锚失效破坏,承载力提升约25%,CFRP强度利用率约为75%;U型箍锚固承载力仅提升了5%,CFRP利用率为66%;而无锚固试件的CFRP利用率仅为45%。
(4)全长锚固效果最佳,但综合考虑施工复杂程度、性能提升程度以及材料性价比,直列双锚CFRP加固RC梁是较理想的锚固方案。基于此,提出考虑界面性能退化的附加直列双锚FRP加固梁CFRP强度等效模型。
本研究为CFRP加固RC梁在海水干湿循环环境下的应用提供了重要的试验数据和理论依据,所建立的CFRP强度等效模型可用于直列双锚加固梁的承载力预测与耐久性评估,为滨海地区CFRP加固混凝土结构的工程设计、性能评定及寿命预测提供科学依据。实际工程中梁还可能受到温度交变、氯盐长期侵蚀、冻融循环等多因素的耦合作用。未来的研究可进一步拓展环境因素的范围,深入探究多因素耦合作用下CFRP加固RC梁的性能变化规律,为实际工程提供更全面、可靠的指导。
| [1] |
Zaman A, Gutub S A, Wafa M A. A review on FRP composites applications and durability concerns in the construction sector[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2013, 32(24): 1966-1988. DOI:10.1177/0731684413492868 ( 0) |
| [2] |
Zhou Y, Wang X, Sui L, et al. Flexural performance of FRP-plated RC beams using H-type end anchorage[J]. Composite Structures, 2018, 2(6): 11-21. ( 0) |
| [3] |
Barris C, Correia L, Sena-Cruz J. Experimental study on the bond behaviour of a transversely compressed mechanical anchorage system for externally bonded reinforcement[J]. Composite Structures, 2018, 200: 217-228. DOI:10.1016/j.compstruct.2018.05.084 ( 0) |
| [4] |
Zhou Y, Chen X, Fan Z, et al. Bond behaviors of FRP-to-concrete interface under the control of a novel end-anchorage system[J]. Composite Structures, 2017, 168: 130-142. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.02.056 ( 0) |
| [5] |
Sun Z, Luo Y, Chen C, et al. Mechanical enhancement of carbon fiber-reinforced polymers: From interfacial regulating strategies to advanced processing technologies[J]. Progress in Materials Science, 2024, 142: 101221. DOI:10.1016/j.pmatsci.2023.101221 ( 0) |
| [6] |
Fazli H, Mohd-Yassin A Y, Shafiq N, et al. Effective bond length of CFRP sheets externally bonded to concrete beams under marine environment[J]. Construction & Building Materials, 2018, 167: 726-738. ( 0) |
| [7] |
Hou D, Yang Q, Wang P, et al. Unraveling disadhesion mechanism of epoxy/CSH interface under aggressive conditions[J]. Cement and Concrete Research, 2021, 146: 106489. DOI:10.1016/j.cemconres.2021.106489 ( 0) |
| [8] |
Wang Y L, Guo X Y, Shu S Y H, et al. Effect of salt solution wet-dry cycling on the bond behavior of FRP-concrete interface[J]. Construction & Building Materials, 2020, 254: 119317. ( 0) |
| [9] |
吴智深. 外贴碳纤维布加固桥梁结构失效原因与对策分析[J]. 现代交通技术, 2022, 19(3): 1-14. Wu Z S. Analysis of failure causes and countermeasures of bridge structures reinforced by externally bonded carbon fiber sheets[J]. Modern Transportation Technology, 2022, 19(3): 1-14. ( 0) |
| [10] |
姜绍飞. 氯盐干湿循环作用下CFRP混凝土界面黏结性能研究[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(6): 265-274. Jiang S F. Study on the interfacial bond performance of cfrp concrete under chloride dry-wet cycling[J]. Journal of Building Structures, 2022, 43(6): 265-274. ( 0) |
| [11] |
张家玮, 邹利君, 刘生纬, 等. 硫酸盐环境中CFRP约束劣化混凝土柱的力学性能[J]. 复合材料学报, 2021, 38(3): 966-978. Zhang J W, Zou L J, Liu S W, et al. Mechanical properties of CFRP-confined deteriorated concrete columns in sulfate environment[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(3): 966-978. ( 0) |
| [12] |
Wang X, Petrů M. Experimental study on fracture properties of CFRP-to-concrete interface subject to salt water[J]. Composite Structures, 2021, 258: 113179. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.113179 ( 0) |
| [13] |
Liang H, Li S, Lu Y, et al. The combined effects of wet-dry cycles and sustained load on the bond behavior of FRP—concrete interface[J]. Polymer Composites, 2019, 40(3): 1006-1017. DOI:10.1002/pc.24785 ( 0) |
| [14] |
张益宁. 外贴FRP-锚固件组合加固混凝土结构界面长期性能研究[D]. 青岛: 青岛理工大学, 2025. Zhang Y N. Study on Long-Term Performance of Concrete Structure Interface Reinforced by External FRP-Anchorage Combination[D]. Qingdao: Qingdao University of Technology, 2025. ( 0) |
| [15] |
Alshami G S, Hawileh R A, Abdalla J A, et al. Evaluation on the effect of anchor embedment depth on the flexural capacity of concrete prisms[J]. Procedia Structural Integrity, 2022, 37: 367-374. ( 0) |
| [16] |
Smith S T, Hu S, Kim S J, et al. FRP-strengthened RC slabs anchored with FRP anchors[J]. Engineering Structures, 2011, 33(4): 1075-1087. DOI:10.1016/j.engstruct.2010.11.018 ( 0) |
| [17] |
Zhang H, Smith S T. Influence of plate length and anchor position on FRP-to-concrete joints anchored with FRP anchors[J]. Composite Structures, 2017, 159: 615-624. DOI:10.1016/j.compstruct.2016.09.086 ( 0) |
| [18] |
Zhang H W, Smith S T. Influence of FRP anchor fan configuration and dowel angle on anchoring FRP plates[J]. Composites Part B: Engineering, 2012, 43(8): 3516-3527. DOI:10.1016/j.compositesb.2011.11.072 ( 0) |
| [19] |
Assad M, Hawileh R A, Abdalla J A, et al. Flexural behavior of CFRP-strengthened and end-anchored RC beams with large fiber anchors[J]. Structures (Oxford), 2025, 80: 109702. DOI:10.1016/j.istruc.2025.109702 ( 0) |
| [20] |
Alshami G S, Hawileh R A, Abdalla J A, et al. Evaluation on the effect of anchor embedment depth on the flexural capacity of concrete prisms[J]. Procedia Structural Integrity, 2022, 37: 367-374. DOI:10.1016/j.prostr.2022.01.097 ( 0) |
| [21] |
王爱杰. FRP受弯加固RC梁的纤维锚钉构造研究[D]. 长安: 长安大学, 2013. Wang A J. Research on the Construction of Fiber Anchors for FRP Flexural Strengthening of RC Beams[D]. Chang′an: Chang′an University, 2013. ( 0) |
| [22] |
Sun W. Development of a testing methodology for the design and quality control of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) anchors[J]. Construction & Building Materials, 2018, 164: 150-163. ( 0) |
2026, Vol. 56



0)