考虑粘结滑移关系和二次受力影响的表面内嵌FRP筋加固混凝土梁抗弯设计方法研究

The technique of strengthening of RC structure with near-surface mounted (NSM) FRP, in which grooves are first cut into the concrete cover of an RC beam and FRP bars/strips are then inserted and bonded therein with an appropriate binding agent, can improve the structural performance. This method can enhance the security and service life of the RC structure and several benefits have been pointed out, such as high levels of strengthening efficacy, convenient construction, saving cost and good durability. At present, the studies focus on the flexural behavior of the beam strengthened with NSM-FRP under loading from zero to ultimate failure, while the study on the debonding failure mode of NSM-FRP in flexural test and the flexural behavior under secondary loading is inadequate. The failure mode of the strengthened beam is not clear, the bearing capacity formula is imperfect and stiffness calculation of the beam is not accurate. Therefore, the bond-slip behaviors of NSM-FRP bars including the bond stress distribution along the bond length, local bond-slip relationship model and the bond transfer length of FRP bars are studied in the project. The calculated formula of the strain of FRP bar under the debonding failure is established. According to the experimental results of the strengthened beam under secondary loading, the effect of the different levels of initial load on the flexural behavior and the relationship between the strain-lag of the strengthened beam and the initial moment are presented. Considering the different failure modes,the design method of ultimate flexural capacity and serviceability limit states of the strengthened beam under secondary loading as well as the anchorage detailing requirements of FRP bars are proposed. The study will be contributed to the engineering practice in theory and application aspects.

表面内嵌FRP加固修复方法是将FRP筋或板放入结构表面预先开好的槽中，并向槽中注入粘结材料使之形成整体，以此来改善结构性能的方法。该方法具有加固效果理想、施工便捷、节省造价、耐久性好等特点，可以显著提高结构的安全性和使用寿命。目前对其加固混凝土梁研究多集中于一次受力下弯曲破坏性能，而对于抗弯剥离破坏和二次受力影响的研究存在破坏机理不清晰、承载力公式不完善、刚度计算不准确等问题。本项目主要研究内嵌FRP筋界面粘结滑移性能，分析粘结应力沿埋置长度的分布规律，建立局部粘结-滑移关系模型，提出FRP筋粘结传递长度计算方法，给出界面剥离破坏时FRP筋应变的计算公式；根据二次受力下加固梁抗弯试验，分析初始荷载对加固梁受力性能的影响，建立加固梁滞后应变与初始弯矩之间的关系，提出二次受力影响的梁不同破坏模式下的抗弯承载力和正常使用极限状态设计方法，并给出FRP筋锚固构造措施，为工程实践奠定理论和应用基础。

表面内嵌FRP加固修复方法是将FRP筋或板放入结构表面预先开好的槽中，并向槽中注入粘结材料使之形成整体，以此来改善结构性能的方法。该方法具有加固效果理想、施工便捷、节省造价、耐久性好等特点，可以显著提高结构的安全性和使用寿命。目前对其加固混凝土梁研究多集中于一次受力下弯曲破坏性能，而对于抗弯剥离破坏和二次受力影响的研究存在破坏机理不清晰、承载力公式不完善、刚度计算不准确等问题。本项目主要研究内嵌FRP筋界面粘结滑移性能，分析粘结应力沿埋置长度的分布规律，建立局部粘结-滑移关系模型，提出FRP筋粘结传递长度计算方法，给出界面剥离破坏时FRP筋应变的计算公式；根据二次受力下加固梁抗弯试验，分析初始荷载对加固梁受力性能的影响，建立加固梁滞后应变与初始弯矩之间的关系，提出二次受力影响的梁不同破坏模式下的抗弯承载力和正常使用极限状态设计方法，并给出FRP筋锚固构造措施。.拉拔粘结性能研究表明，试件的破坏模式为FRP筋与结构胶界面破坏、结构胶与混凝土界面剥离、FRP筋被拉断和结构胶劈裂四种。在粘结长度不变的情况下，FRP筋直径小试件的最大粘结应力均大于直径大的试件；在直径相同的情况下，BFRP筋试件的最大粘结应力随粘结长度的增加而增大，而GFRP筋试件随粘结长度的增加而减小；建立的一种适用于表面内嵌FRP筋与混凝土粘结性能的粘结-滑移本构关系模型能够较为准确地模拟两者之间粘结滑移性能。加固梁局部粘结性能研究表明，在FRP筋直径相同的情况下，当粘结长度不大于400mm时，试件的极限荷载随粘结长度的增加而增大，当粘结长度大于400mm时，试件的最大粘结应力随粘结长度的增加而减小。二次受力加固梁抗弯研究表明，初始荷载的存在会使加固梁的承载力下降；随着初始荷载的增大，加固梁的破坏形式由粘结破坏转变为混凝土压碎破坏，平均裂缝间距越大，最大裂缝宽度也越大；在初始荷载较大的情况下，增大FRP筋的加固量，并不能减小试件的平均裂缝间距；建立的不同破坏模式下加固梁的抗弯承载力计算公式的计算值与试验值对比，两者吻合较好；建立的加固梁平均裂缝间距、最大裂缝宽度、挠度计算公式的计算值与试验值对比，两者吻合较好。内嵌FRP筋加固方法可以有效的提高梁的承载力、限制裂缝发展和增大刚度。.本项目的研究成果对表面内嵌FRP加固修复技术的完善、相关规程的制定及实际工程的应用具有重要的指导意义。