• ISSN 0258-2724
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湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能

江胜华 姚国文 刘超越 刘晓春

江胜华, 姚国文, 刘超越, 刘晓春. 湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 175-183. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170893
引用本文: 江胜华, 姚国文, 刘超越, 刘晓春. 湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 175-183. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170893
JIANG Shenghua, YAO Guowen, LIU Chaoyue, LIU Xiaochun. Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer under Hydrothermal Environment[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 175-183. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170893
Citation: JIANG Shenghua, YAO Guowen, LIU Chaoyue, LIU Xiaochun. Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer under Hydrothermal Environment[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 175-183. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170893

湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170893
基金项目: 国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(11627802);国家自然科学基金(51478071,51208078);重庆市基础与前沿应用研究计划(cstc2015jcyjBX0022,cstc2015jcyjA30008);中国博士后科学基金(2017M622977)
详细信息
    作者简介:

    江胜华(1982—),男,副教授,博士,研究方向为结构健康监测与加固,E-mail:jiangsh@whu.edu.cn

    通讯作者:

    姚国文(1974—),男,教授,博士,研究方向为桥梁损伤机理与检测加固,E-mail:yaoguowen@sina.com

  • 中图分类号: TU470

Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer under Hydrothermal Environment

  • 摘要: 为研究湿热环境下碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土结构的耐久性问题,采用6根湿热环境下CFRP加固的钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验,研究在湿热环境下CFRP加固钢筋混凝土梁的破坏形态、承载力、挠度和裂缝等;根据环氧树脂老化的化学反应微分方程和反应速度的指数定律,给出环氧树脂胶层弹性模量的衰减模型;从混凝土和环氧树脂胶层的力学性能出发,提出湿热环境下CFRP加固钢筋混凝土结构后CFRP剥离时的强度计算公式,推导湿热环境作用下CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式. 研究结果表明:随着湿热环境作用时间的增加,加固梁的抗弯承载力逐渐减小,CFRP剥离破坏由混凝土控制逐渐转换为由环氧树脂胶层控制;随着湿热环境作用的持续,混凝土裂缝数量减小、裂缝宽度增加但挠度减小,加固梁的损伤增大且脆性增加;加固梁的屈服曲率、极限曲率和曲率延性系数均减小,加固梁的延性变差且CFRP剥离破坏时的脆性和离散性增强;试验与理论计算的对比表明,在湿热环境作用下加固梁发生CFRP剥离破坏时,CFRP极限应变的理论值与试验值误差在20%以内,抗弯承载力的理论值与试验值误差在11%以内.

     

  • 图 1  加固梁的尺寸及配筋

    Figure 1.  Dimension and reinforcement of concrete beam

    图 2  试件破坏形态

    Figure 2.  Failure mode of concrete beam

    图 3  湿热环境下混凝土抗压强度、环氧树脂胶层弹性模量与时间的关系

    Figure 3.  Relation ships between concrete compressive strength,epoxy resin’s elastic modulus and exposure duration

    图 4  湿热环境下CFRP剥离强度与时间的关系

    Figure 4.  Relation ships between CFRP’s peel strength and exposure duration

    图 5  湿热环境下加固梁的抗弯承载力与时间的关系

    Figure 5.  Relation ships between flexural capacity and exposure duration

    表  1  钢筋的实测力学性能

    Table  1.   Mechanical property of steel

    类别型号屈服强度/MPa极限强度/MPa延伸率%弹性模量/GPa塑性模量/GPa
    受拉纵筋 Ф10 333.3 506.5 34.6 204 7.18
    架立钢筋和箍筋 Ф8 310.0 500.0 23.0 194
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    表  2  CFRP的力学性能

    Table  2.   Mechanical property of CFRP

    规格理论厚度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/%
    WF3000.1673 609243.01.71
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    表  3  环氧树脂粘结剂的力学性能

    Table  3.   Mechanical property of epoxy resin MPa

    规格弹性模量拉伸强度压缩强度剪切强度弯曲强度
    JGN-II ≥ 2 500 ≥ 40 ≥ 70 ≥ 14 ≥ 50
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    表  4  试验梁参数

    Table  4.   Parameters of experimental beams

    试验梁编号混凝土配筋粘贴层数/层试验环境环境作用时间/d
    L1 C30 2Φ10 1 正常 0
    L2 C30 2Ф10 1 湿热 5
    L3 C30 2Ф10 1 湿热 10
    L4 C30 2Ф10 1 湿热 15
    L5 C30 2Ф10 1 湿热 30
    L6 C30 2Ф10 1 湿热 60
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    表  5  承载力试验结果

    Table  5.   Experimental results

    试验梁
    编号
    试验
    环境
    环境用
    时间/d
    开裂荷载/kN与 L1 的
    比值/%
    屈服荷载/kN与 L1 的
    比值/%
    极限荷载/kN与 L1 的
    比值/%
    CFRP极限
    应变/× 10−6
    与 L1 的
    比值/%
    破坏形态
    L1 正常 0 8.80 100 26.73 100 40.01 100 6 926 100 中部裂缝
    处剥离
    L2 湿热 5 8.90 101 24.96 94 40.42 101 6 527 94
    L3 湿热 10 10.59 120 24.10 90 39.62 99 6 061 88
    L4 湿热 15 10.82 123 22.99 86 39.29 98 6 018 87
    L5 湿热 30 9.54 108 23.10 87 38.51 96 5 733 83
    L6 湿热 60 7.30 83 22.71 85 37.20 93 5 150 74
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    表  6  裂缝与挠度试验结果

    Table  6.   Experimental results of crack and deflection

    试验梁
    编号
    试验
    环境
    环境作用
    时间/d
    裂缝
    数量
    与 L1 的
    比值/%
    平均裂缝
    间距/mm
    与 L1 的
    比值/%
    最大裂缝
    宽度/mm
    与 L1 的
    比值/%
    极限挠度/mm与 L1 的
    比值/%
    L1 正常 0 11 100 96.8 100 0.86 100 12.36 100
    L2 湿热 5 11 100 86.4 89 0.91 106 11.91 96
    L3 湿热 10 10 91 89.6 93 0.95 110 11.83 96
    L4 湿热 15 10 91 98.4 102 1.04 121 10.05 81
    L5 湿热 30 9 82 106.2 110 1.12 130 9.91 80
    L6 湿热 60 9 82 101.5 105 1.17 136 8.46 68
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    表  7  曲率延性

    Table  7.   Experimental results of curvature ductility

    试验梁
    编号
    试验
    环境
    环境作用
    时间/d
    屈服曲率
    /(× 10−6•mm−1
    与 L1 的
    比值/%
    极限曲率
    /(× 10−6•mm−1
    与 L1 的
    比值/%
    曲率延性
    系数
    与 L1 的
    比值/%
    L1 正常 0 14.88 100 58.25 100 3.91 100
    L2 湿热 5 14.84 99.7 53.02 91.0 3.57 91.3
    L3 湿热 10 14.89 100 50.58 86.8 3.40 87.0
    L4 湿热 15 14.72 98.9 53.48 91.8 3.63 92.8
    L5 湿热 30 14.71 98.9 52.79 90.6 3.59 91.8
    L6 湿热 60 14.67 98.6 49.62 85.2 3.38 86.4
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    表  8  弹性模量衰减与时间的关系

    Table  8.   Relationship between βaa and d

    d/d0510153060
    βaa1.000.900.850.800.750.66
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    表  9  理论值与试验值的比较

    Table  9.   Comparison between theoretical and experimental values

    试验梁编号试验环境环境作用时间/dCFRP 极限应变/× 10−6 极限荷载/kN
    试验值理论值比值/% 试验值理论值比值/%
    L1 正常 0 6 926 6 362 92 40.01 35.81 90
    L2 湿热 5 6 527 6 322 97 40.42 35.73 89
    L3 湿热 10 6 061 6 319 104 39.62 35.72 90
    L4 湿热 15 6 018 6 311 105 39.29 35.71 91
    L5 湿热 30 5 733 6 280 110 38.51 36.65 95
    L6 湿热 60 5 150 6 200 120 37.20 35.50 95
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  • 刘超越. 荷载/湿热环境作用下粘贴CFRP加固钢筋砼梁的耐久性研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2016
    任慧韬,胡安妮,姚谦峰. 湿热环境对FRP加固混凝土结构耐久性能的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报,2006,38(11): 1996-1999. doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2006.11.045

    REN Huitao, HU Anni, YAO Qianfeng. The influence of wet-thermal condition on durability behavior of concrete structures strengthened by FRP[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2006, 38(11): 1996-1999. doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2006.11.045
    任慧韬,胡安妮,姚谦峰. 纤维增强聚合物加固混凝土结构耐久性能研究[J]. 大连理工大学学报,2005,45(6): 847-852. doi: 10.3321/j.issn:1000-8608.2005.06.015

    REN Huitao, HU Anni, YAO Qianfeng. Research on durability of concrete structures strengthened with FRP laminates[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2005, 45(6): 847-852. doi: 10.3321/j.issn:1000-8608.2005.06.015
    AU C, BUYUKOZTURK O. Peel and shear fracture characterization of debonding in FRP plated concrete affected by moisture[J]. Journal of Composites for Construction, 2006, 10(1): 35-47. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0268(2006)10:1(35)
    OUYANG Zhengyu, WAN Baolin. Nonlinear deterioration model for bond interfacial fracture energy of FRP-concrete joints in moist environments[J]. Journal of Composites for Construction, 2009, 13(1): 53-63. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0268(2009)13:1(53)
    DAI J G, YOKOTA H, IWANAMI M, et al. Experimental investigation of the influence of moisture on the bond behavior of FRP to concrete interfaces[J]. Journal of Composites for Construction, 2010, 14(6): 834-844. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000142
    ZHANG Pu, WU Gang, ZHU Hong, et al. Mechanical performance of the wet-bond interface between FRP plates and cast-in-place concrete[J]. Journal of Composites for Construction, 2014, 18(6): 04014016-1-04014016-9. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000472
    STRATFORD T J, BISBY L A. Effect of warm temperatures on externally bonded FRP strengthening[J]. Journal of Composites for Construction, 2012, 16(3): 235-244. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000260
    JAIPURIAR A, FLOOD J P, BAKIS C E, et al. Glassy-rubbery transition behavior of epoxy resins used in FRP structural strengthening systems[C]//The 5th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Berlin: Springer, 2011: 10-25.
    郑小红. 湿热环境下CFL-混凝土界面粘结-滑移机理研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2014
    宋亮辉. 湿热环境下FRP-混凝土界面粘结性能的耐久性试验研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2016
    BETONBAN. Fib model code for concrete structures: 2010 CEB-FIP[S]. Berlin: Wilhelm Ernst & Sohn, 2013
    BILOTTA A, FAELLA C, MARTINELLI E, et al. Indirect identification method of bilinear interface laws for FRP bonded on a concrete substrate[J]. Journal of Composites for Construction, 2012, 16(2): 171-184. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000253
    SHRESTHA J, UEDA T, ZHANG D. Durability of FRP concrete bonds and its constituent properties under the influence of moisture conditions[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 27(2): A4014009-1-A4014009-14.
    DAI J G, GAO W Y, TENG J G. Bond-slip model for FRP laminates externally bonded to concrete at elevated temperature[J]. Journal of Composites for Construction, 2013, 17(2): 217-228. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000337
    OBAIDAT Y T, HEYDEN S, DAHLBLOM O. Evaluation of parameters of bond action between FRP and concrete[J]. Journal of Composites for Construction, 2013, 17(5): 626-635. doi: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000378
    中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规范: GB 50010—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011
    宋文娟. 玻纤增强环氧树脂复合材料耐海水腐蚀行为与寿命预测[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014
    苗蓉丽, 闫素云,殷胜昔,等. 两种环氧树脂灌封料使用寿命研究[J]. 航空兵器,2006(2): 53-55. doi: 10.3969/j.issn.1673-5048.2006.02.015

    MIAO Rongli, YAN Suyun, YIN Shengxi, et al. Study on the life of two kinds of epoxy resin[J]. Aero Weaponry, 2006(2): 53-55. doi: 10.3969/j.issn.1673-5048.2006.02.015
    吕小军,张琦,马兆庆,等. 湿热老化对碳纤维/环氧树脂基复合材料力学性能影响研究[J]. 材料工程,2005(11): 50-53. doi: 10.3969/j.issn.1001-4381.2005.11.014

    LÜ Xiaojun, ZHANG Qi, MA Zhaoqing, et al. Study of hydro thermal aging effect on mechanical properties of carbon fiber/epoxy resin composites[J]. Journal of Materials Engineering, 2005(11): 50-53. doi: 10.3969/j.issn.1001-4381.2005.11.014
    AYDIN H, GRAYINA R J, VISINTIN P. Durability of adhesively bonded FRP-to-concrete joints[J]. Journal of Composites for Construction, 2016, 20(5): 04016016-1-04016016-19.
    TOUTANJI H, HAN M, GHORBEL E. Interfacial bond strength characteristics of FRP and RC substrate[J]. Journal of Composites for Construction, 2015, 16(1): 35-46.
    TOUTANJI H, SAXENA P, ZHAO L, et al. Prediction of interfacial bond failure of FRP:concrete surface[J]. Journal of Composites for Construction, 2007, 11(4): 427-436. doi: 10.1061/(ASCE)1090-0268(2007)11:4(427)
    四川省住房和城乡建设厅. 混凝土结构加固设计规范: GB 50367—2013[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-09
  • 修回日期:  2018-05-23
  • 网络出版日期:  2018-05-31
  • 刊出日期:  2020-02-01

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