摘要：纤维增强复合材料（简称FRP）因具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，而被广泛应用于混凝土及其他结构的加固中。外贴FRP片材于钢筋混凝土构件底部对其进行抗弯加固是FRP加固钢筋混凝土结构的主要应用形式之一，但是容易发生早期剥离破坏，导致FRP加固效果降低。大量的研究表明对外贴FRP片材采用端部锚固，可以减缓甚至防止剥离破坏的发生，提高FRP的利用率和加固效果。然而目前对锚具的作用机理以及锚具的设计的研究还很少。因此，本文通过设计一批单剪试件，研究常见的纤维锚具—纤维压条对FRP-混凝土界面粘结性能的影响，探究纤维锚具与单剪拉条的传力机理。
关键词：FRP；端部锚固；剥离破坏；界面粘结性能
ABSTRACT：Fiber-reinforced plastic（FRP），due to high-strength，lightweight and good corrosion resistance，has been widely used in the reinforcement of concrete and other structures.Bonding of a FRP plate to the tension face of a beam or plate is one of the most popular method for flexural strengthening.However，debonding of FRP is a typical failure mode when EB FRP is used to strengthen concrete structures.A large number of studies have indicated that the end anchorage system can be used to reduce or prevent the occurrence of debonding failure and improve the utilization ratio and the effect of FRP sheet.However，research on the mechanism of anchors and anchor design is also less.Therefore，in this paper，one group of single shear specimens are designed to study the effect of common anchor fiber - fiber layering on FRP- concrete interfacial bond properties，and to further explore force transfer mechanism of the fiber anchorage and single shear strip.
Keyword：FRP；end-anchorage；debonding；interfacial adhesion strength
0.引言
大量现役基础设施由于设计和施工过程中的缺陷、材料性能退化、超负荷使用以及设计要求提高或设计规范更新等原因而不能满足使用要求，需要进行修复、加固及改造。传统的加固方法（粘贴钢板加固法[1-2]、植筋加固法[3-4]、增大截面法[5-6]等）虽对提高结构承载力和刚度具有一定的作用，但也存在施工复杂、施工周期长、自重大以及耐腐蚀性能差等缺点，使加固对象和应用范围收到限制。纤维增强复合材料（简称FRP）由于具有高强轻质、方便施工、耐腐蚀而被大量运用于工程实际加固中[7-10]。
外贴FRP于钢筋混凝土梁或板对其进行受弯加固是FRP在实际应用的重要形式之一。外贴FRP加固受弯钢筋混凝土梁或板的极限承载能力通常由不同类型的剥离破坏控制[11-13]，而这些剥离破坏主要分为两种：中部剥离破坏以及板端剥离破坏。中部剥离破坏始发于梁高弯矩区弯剪裂缝，并沿复材-混凝土界面向弯矩减小的方向发展。板端混凝土保护层剥离破坏是板端玻璃破坏最常见的一种，因此在本项目中除非特别说明，否则板端剥离破坏均指板端混凝土保护层剥离破坏。板端混凝土保护层剥离破坏开始于复材底板端部，沿受拉纵筋-混凝土界面发生，并伴随着混凝土保护层剥离于混凝土梁。相较于中部剥离破坏，板端剥离破坏呈现出更为明显的脆性，甚至有时发生于受拉钢筋屈服之前，发生时复材的最大应变通常远小于复材的极限抗拉应变，从而限制了复材的利用率和加固效率。
采用适当的锚固措施限制板端剥离破坏的发生，提高FRP的有效应力和加固效率，对于进一步推动FRP加固技术的应用有重要的意义，也引起国内外众多学者的关注[14-18]。较为常见的锚固措施有金属螺栓、金属U型箍以及纤维锚具等，其中纤维锚具因耐久性能优越和施工便捷而被广泛采用。然而，FRP底板向纤维锚具传力机理目前尚不清晰，不足以支撑其广泛应用，因此需要进一步的研究。
1.研究内容
本文制作一批混凝土板，总共12个，在其上粘贴不同参数的纤维压条，这些参数包括纤维压条粘贴角度（指压条与被锚固的FRP板的夹角）、压条的粘结长度、压条宽度以及压条的层数，通过研究纤维压条对FRP-混凝土界面粘结性能影响，进而分析出各个参数对锚固作用的影响，为后续纤维锚具设计提供取值依据，从而为纤维压条对混凝土板的实际加固提供指导。
1.1 试件模型及试验机械
1.2 试验装置
2.控制试件
本试验设计了两个控制试件，混凝土试件大小是700×600×150mm，只在试件表面粘贴长度为400mm宽度分别为50mm和100mm的单剪拉条，端部没有纤维压条锚固。根据实验所采集的数据，可得控制试件的荷载-位移曲线如图2-1所示。
图2-1控制试件荷载-位移曲线
通过对比分析图 2-1试验荷载位移曲线，可以看出两个控制试件剥离破坏过程相似，可以分为以下几个阶段，如图2-2所示。
弹性段：这个阶段，荷载及位移线性增长，单剪拉条与混凝土之间的滑移量很小，还没有发生剥离。
软化段：这个阶段的荷载和位移不再呈线性增长，单剪拉条与混凝土之间的滑移量增幅变大，加载端开始出现剥离，随着荷载继续增加，剥离面逐渐向锚固端发展。
剥离段：剥离面朝锚固端继续发展，软化区域发生完全剥离，丧失了承载能力，剥离破坏面继续向自由端传递，直至整个单剪拉条发生完全剥离。这个过程中荷载在下降，而位移在不断增大。
图2-2 控制试件荷载-位移曲线划分阶段图
3.试验参数及试验结果
表3-1 试件编号及参数
注：试件编号中CB1、CB2是指第一个控制试件和第二个控制试件；其它试件编号中第一个字母“I”表示压条与单剪拉条所成的角度，指压条纤维方向与单剪拉条纤维受力反方向所成的夹角，分别为30°、45°、90°和135°；第二个字母“P”是指压条粘贴的层数，为1、2、3层；第三个字母“W”是指压条的宽度，分别为25mm、50mm、75mm；第四个字母“L”为压条的粘接长度（这里的粘结长度指压条与混凝土的相粘结的FRP部分长度，不包括与中间FRP相互重合部分的长度），分别为100mm、165mm、250mm；
表3-2 试验结果汇总表
注：1）破坏模态中：A指破坏模态为全部剥离破坏；B指破坏模态为纤维压条一边剥离，一边拉断；C指破坏模态为单剪拉条被拉断，纤维压条没有破坏。
2）应变片位置中：M是指中间单剪拉条上应变片的应变。
3）锚固效率=[（锚固后试件的极限荷载-控制试件极限荷载）/控制试件极限荷载]×100%。
4.试验结果分析
4.1 纤维压条的粘结长度对荷载-位移曲线的影响分析
图4-1是在端部粘贴了不同长度（100mm、165mm和250mm）纤维压条试件的荷载-位移曲线。由曲线图可知，压条长度对拉条的极限荷载和最大位移都有较大的影响，压条长度越长则单剪拉条的极限承载力和位移越大，通过与控制试件的对比发现，试件I45P1W50L100、I45P1W50L165、I45P1W50L250的极限荷载比控制试件的极限荷载（19.437kN）分别提高了27.44%、39.78%、42.20%。进一步分析，可以发现试件I45P1W50L165相对控制试件的增幅比I45P1W50L100的大12.34%，而I45P1W50L250只比I45P1W50L165大2.42%。结合三个试件的压条最终为剥离破坏可知，这是因为锚固压条也存在一个有效粘结长度，根据Chen and Teng粘结强度模型计算，有效粘结长度为109mm，超过该长度，锚固压条的粘结强度就不再提高，因此单剪拉条的极限荷载不再提高，然而，对三个试件的最大位移分析可以发现，锚固压条长度越长，最大位移越大，而且增长幅度没有受到有效粘结长度的影响，这说明增加压条的长度，能够改善破坏过程的延性。
图4-1 不同粘结长度试件的荷载-位移曲线
4.2 纤维压条的粘贴角度对荷载-位移曲线的影响分析
图4-2为在端部粘贴不同角度（30°、45°、90°和135°）的纤维压条试件的荷载位移曲线。通过对比发现，最终破坏的极限荷载有很大差别，其中试件I30P1W50L250的极限荷载最大，其次是试件I45P1W50L250，而90°和135°的粘贴角度的试件的极限荷载与控制试件的极限荷载差不多，锚固作用特别小；而粘贴角度为30°和45°的极限荷载值提高了83.36%和42.20%，锚固效果非常明显.四个试件的最大位移相对控制试件都有一定的提高，角度越小，增大幅度越大，90°与135°增大幅度不大。
综上分析，当压条与FRP板的粘贴角度成锐角时，角度越小，极限承载力越大，延性也越大，而当纤维压条与单剪拉条垂直或者成钝角时，纤维压条对提高承载力和延性作用很小。
4-2不同粘贴角度试件荷载-位移曲线
4.3 纤维压条的宽度对荷载位移曲线的影响分析
图4-3为粘贴不同宽度（25mm、50mm和75mm）的纤维压条试件的荷载-位移曲线。通过对曲线的对比分析，端部粘贴不同宽度的锚固条，对最终破坏的极限荷载有很大影响，试件I45P1W25L250、I45P1W50L250、I45P1W75L250的极限荷载比控制试件的极限荷载分别提高了7.83%、42.20%和64.26%，这说明锚固压条宽度越大，提高的幅度越大，锚固效率越好。其中，试件I45P1W25L250虽然提高了极限荷载，但是幅度相当小，锚固效果很差，因此对于在端部贴锚固压条锚固压条的宽度一般要大于单剪拉条。
图4-3 不同宽度纤维压条试件的荷载-位移曲线
4.4 纤维压条的层数对荷载-位移曲线的影响分析
图4-4 粘贴不同层数（1、2、3层）纤维压条试件的荷载-位移曲线。实验测得的三个试件的极限荷载比控制试件的极限荷载分别增大了42.20%、109.58%和100.82%。进一步对比发现，贴两层压条的试件相比贴一层压条的试件荷载提高了47.38%，而贴三层的试件荷载没有增加反而有微小减少，这是因为粘贴两层的压条时，单剪拉条拉断时的荷载在压条方向的分量经计算为28.52kN，而根据Chen and Teng粘结强度模型计算得到两层压条的粘结强度为28.80kN，所以此时压条没有剥离破坏，因此只要是单剪布条拉断这种破坏模态，极限承载力主要取决于单剪布条的布条本身特征（纤维数量和抗拉强度），而与压条层数无关。所以，在对FRP端部锚固时，增加一定层数能大大提高锚固效果，但是超过一定的层数，锚固效果便不再增加。
图4-4粘贴不同层数纤维压条试件的荷载-位移曲线
通过对以上所有曲线的发展趋势来看，所有试件的荷载-位移曲线都有一个相似的发展过程，具有与控制试件荷载-位移曲线一样的弹性段、软化段和剥离段，除了试件I90-P1-W50-L250和I135P1W50L250，其他试件的荷载-位移曲线都具有二次上升段，称为锚固强化段，如图4-5所示。
5.结语
通过对12块端部采用纤维压条锚固的外贴FRP混凝土板的进行单剪试验，分析、总结了纤维压条的粘结长度、纤维压条的宽度、纤维压条的粘贴角度以及层数四个因素对荷载-位移曲线的影响。得出以下结论：
（1）纤维压条的各参数对FRP-混凝土的界面粘结性能具有明显的影响，端部布置恰当的纤维压条能够有效地限制或减缓单剪拉条的剥离破坏，提高试件的极限承载能力和延性。
（2）纤维压条粘贴角度对FRP-混凝土界面粘结性能影响最为明显，并且角度越小，纤维压条的锚固效果越好。其中，在端部粘贴斜向压条的试件极限承载力和FRP单剪拉条的最大应变最多分别提高109.6%和320.1%，而通常采用的90°纤维压条对FRP单剪拉条剥离破坏的影响非常有限，对试件的极限承载能力提高也仅为11.3%。
图4-5 带锚固的试件荷载-位移曲线划分阶段图
（3）在其他条件相同的情况下，当纤维压条的粘结长度小于其有效粘结长度（单层109mm）时，长度越长，单剪拉条极限荷载越大，压条的锚固效果越好，而当长度大于有效粘结长度时，继续增加长度，锚固效果的提高就不再显著了。
（4）在对FRP端部锚固时，增加一定层数能大大提高锚固效果，但是当破坏模态为单剪拉条被拉断时，极限承载力就取决于单剪拉条本身特征（纤维数量和抗拉强度），继续增加层数，锚固效果也不再增加。
（5）在其他条件相同的情况下，纤维压条的宽度越大，锚固效果越好，为提高锚固效果，一般锚固压条的宽度要大于单剪拉条。
参考文献：
[1]甘元初.锚贴钢板加固钢筋混凝土梁受剪性能的研究[D].郑州大学，2006.
[2]张延年，李朝阳，刘金升，刘新，郑怡，高飞.钢板加固箱型混凝土梁受弯性能研究[J].应用力学学报，2015，32（6）：1031-1037.
[3]周朝阳，范鹏.嵌入式植筋在工程改造中的应用[J].工程建设，2009，41（3）：49-56.
[4]丁亚红，曾宪桃.内嵌CFRP板条加固混凝土梁试验研究[J].工业建筑，2006，36（7）：89-91.
[5]黄建锋，朱春明，龚治国，张富文.增大截面法加固震损钢筋混凝土框架的抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2012，25（6）：9-17.
[6]洪刚.增大截面法加固混凝土结构的应用[J].国外建材科技，2004，45（12）：73-74.
[7]吴智深.FRP复合材料在基础工程设施的增强和加固方面的现状与发展[C].中国首届纤维增强塑料（（FRP）混凝土结构学术交流会，2000：5-20.
[8]岳清瑞.我国碳纤维（CFRP）加固修复技术研究应用现状与展望[J].工业建筑.2000，30（10）：23-26.
[9]孙树民.碳纤维布在混凝土结构补强加固中的应用[J].广东建材，2002（1）：37-38.
[10]江阿兰.碳纤维布加固桥梁结构新技术的研究[J].林业科技情报，2005，37（4）：77-79.
[11]徐玲.FRP抗剪加固混凝土梁的剥离行为研究[D].中南大学，2009.
[12]刘三星.FRP加固混凝土界面问题研究[D].暨南大学，2013.
[13]谭壮，叶列平.FRP加固混凝土结构剥离问题研究综述[C]// 全国土木工程用纤维增强复合材料.2002.
[14]张子潇，叶列平，陆新征.U型FRP加固钢筋混凝土梁受剪剥离性能的有限元分析[J].工程力学，2005，22（4）：155-162.
[15]Galal K，Mofidi A.Shear strengthening of RC T-Beams usingmechanically anchored unbonded dry carbon fibre sheets[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，2010，24（1）：31-39.
[16]金文成，韩庆红，付星燃，万娟.基于FRP材料的片材锚固系统研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2011，39（8）：40-12.
[17]胡程鹤，吴智敏，宿莹，石昌文.FRP复合锚固技术试验研究[J].防灾减灾工程学报，2010，30（3）：309-314.
[18]滕锦光，陈建飞，S.T.史密斯等.FRP加固混凝土结构[M]，北京：中国建筑工业出版社，2002.
个人信息：
余小辉（1990-），男，江西上饶人，硕士，主要从事高速公路建设管理工作。
论文作者:余小辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：荷载论文; 锚固论文; 纤维论文; 位移论文; 混凝土论文; 极限论文; 曲线论文; 《基层建设》2019年第15期论文;