陳 爽，陳宜虎，梁進(jìn)修，徐 寧

（1.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院，廣西桂林 541004；3.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

碳纖維加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞抗彎性能

陳 爽1，2，陳宜虎2，梁進(jìn)修2，徐 寧3

（1.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院，廣西桂林 541004；3.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

設(shè)計(jì)了2根未銹蝕和6根中度銹蝕程度的鋼筋混凝土梁，其中4根銹蝕梁貼碳纖維布進(jìn)行不同形式的加固，對碳纖維加固銹蝕混凝土梁的疲勞性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：碳纖維加固梁具有良好的疲勞抗彎性能，疲勞加載后發(fā)現(xiàn)加固梁不可恢復(fù)的殘余變形相對較小，說明碳纖維加固可以提高銹蝕梁的恢復(fù)力，并且隨著碳纖維布加固量的增加，梁的疲勞抗彎性能都有所提升。碳纖維U形箍對疲勞性能也有較大影響。

碳纖維；銹蝕；鋼筋混凝土梁；疲勞抗彎

0 引言

經(jīng)過幾十年的基礎(chǔ)設(shè)施和房屋建設(shè)，中國大量的建筑、橋梁和港口設(shè)施都出現(xiàn)了鋼筋銹蝕，從而嚴(yán)重影響到了結(jié)構(gòu)的承載力和安全的問題［1］，可以預(yù)見，中國建筑業(yè)已進(jìn)入對舊建筑維修、加固、改造和建造新建筑并重的時期，今后舊建筑的加固改造將成為建筑業(yè)發(fā)展的新支點(diǎn)。

越來越多的新技術(shù)、新方法被應(yīng)用到加固業(yè)中，如加大截面法、預(yù)應(yīng)力加固法、外包鋼加固法和粘貼纖維復(fù)合材料加固法等。其中，碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）以其具有抗拉強(qiáng)度高、耐久性好、質(zhì)量輕的特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在靜載性能領(lǐng)域［2－3］，動荷載條件下的研究相對較少［4］；針對銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究已有一些成果［5－11］，而鮮見先腐蝕、后用CFRP加固構(gòu)件的疲勞性能研究。所以，研究碳纖維加固銹蝕混凝土梁的疲勞性能，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)和制作

本次試驗(yàn)共制作了8根完全相同的鋼筋混凝土矩形截面梁。其中，參加電化加速腐蝕的梁共6根，混凝土強(qiáng)度等級為C30，截面尺寸為120 mm×200 mm，長度1 700 mm，試驗(yàn)梁的編號及用途見表1。底部主筋為2根HRB335級φ14鋼筋，架力筋為2根HRB335級φ12鋼筋，箍筋為HPB235級φ6鋼筋，主筋保護(hù)層厚度25 mm，除主筋外，其他鋼筋均涂上鋼筋阻銹劑。

表1 試驗(yàn)梁的編號及用途

試驗(yàn)所用碳纖維布是由上海悍馬建筑科技有限公司生產(chǎn)的CFW 300型單向碳纖維布，產(chǎn)品厚度為0.167 mm，寬度100 mm，單位質(zhì)量300 g／m2，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度3 400 MPa，拉伸彈性模量2.4×105MPa，拉伸斷裂伸長率1.7%。采用的黏結(jié)劑為該公司生產(chǎn)的碳纖維片材加固配套專用膠，其是由和主膠固化劑兩組份改性環(huán)氧樹脂類膠黏劑組成的。碳纖維加固方案見圖1。

圖1 碳纖維加固方案

1.2 銹蝕和加載方案

本試驗(yàn)采用浸泡通直流電的方法加速鋼筋銹蝕，設(shè)計(jì)銹蝕程度為中度銹蝕，受力主筋的理論銹蝕率控制在6%。將待銹蝕的鋼筋混凝土梁浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液中11 d（264 h），鋼筋通過導(dǎo)線連接直流電源正極，不銹鋼片連接電源負(fù)極，每根梁都由一臺獨(dú)立的電源供電。在加載試驗(yàn)完成后，將銹蝕試驗(yàn)梁砸開，取出銹蝕主筋并用鹽酸清洗掉鋼筋表面的銹蝕物，然后用電子秤稱量剩余鋼筋的質(zhì)量。通過計(jì)算得到各試驗(yàn)梁主筋實(shí)際銹蝕率與理論值差距均在0.5%以內(nèi)。

圖2 疲勞加載波形

疲勞加載和靜力加載試驗(yàn)均采用三分點(diǎn)兩點(diǎn)加載，純彎段的長度是500 mm。為確定疲勞荷載的上下限，疲勞試驗(yàn)前首先對L1進(jìn)行了靜力加載，實(shí)測L1的屈服荷載為70 kN，極限荷載為83 kN。疲勞荷載的峰峰值取Pmax＝52 kN，約為L1極限荷載的62%；峰谷值取值過小時試驗(yàn)梁容易發(fā)生劇烈震動，所以本次試驗(yàn)取Pmin＝38 kN，約為L1極限荷載的45%，中值為45 kN，應(yīng)力比為0.73，加載頻率取1 Hz，循環(huán)次數(shù)5萬次，疲勞加載波形為正弦波，見圖2。

正式疲勞加載前，先用MTS加20 kN的靜荷載持續(xù)5 min，然后卸載等待20 min后進(jìn)行疲勞加載，以消除加載系統(tǒng)各部分的間隙。由于梁在疲勞加載時前期的變化比較大，所以在疲勞加載的前2～3 h，每半個小時測量1次撓度和應(yīng)變，以后每個小時測量1次。

2 疲勞試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析

2.1 裂縫開展及分析

首先進(jìn)行電化加速銹蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)梁經(jīng)過1 d的加速銹蝕后，在局部部位發(fā)現(xiàn)銹蝕物滲出，此時未見銹漲裂縫產(chǎn)生；2 d后沿受力主筋縱向出現(xiàn)銹漲縱向裂縫，本次電化加速銹蝕的6根梁，裂縫會隨機(jī)產(chǎn)生在梁底或是梁側(cè)，這是因?yàn)殇P漲裂縫會選擇保護(hù)層相對薄弱的部位出現(xiàn)。由于銹蝕物能夠沿裂縫滲出導(dǎo)致銹漲作用不明顯，所以在電化加速銹蝕階段銹蝕裂縫的寬度無明顯增長；電化銹蝕結(jié)束后，置于空氣中的銹蝕梁鋼筋還會緩慢銹蝕，此時由于銹蝕物不能從裂縫滲出，裂縫寬度發(fā)展較明顯。滲出的銹蝕物最初呈白色膠體狀，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)槟m色，在富氧條件下最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色。

隨后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)后的梁裂縫分布見圖3。不銹蝕梁L2在疲勞過程中產(chǎn)生了11條裂縫，裂縫間距分布比較均勻。銹蝕不加固梁L4疲勞過程產(chǎn)生了8條主要裂縫，數(shù)量要少于L2，而且裂縫高度以及在峰峰值荷載作用下裂縫的寬度均大于L2。其原因是主筋銹蝕后，酥松的鐵銹破壞了混凝土與鋼筋之間的化學(xué)膠著力以及鋼筋肋紋與混凝土之間的機(jī)械咬合力，從而造成鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能發(fā)生退化，鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力傳遞效率也隨之降低。

加固梁產(chǎn)生的主要裂縫數(shù)量較L2和L4要少，且裂縫的高度以及寬度要小于L4，表明碳纖維布限制了試驗(yàn)梁中和軸的上移，從而有效的約束了裂縫的發(fā)展。加固梁裂縫的寬度表現(xiàn)為上下細(xì)中間粗，說明碳纖維布限制了梁底部裂縫的開展，對中間的約束相對較小。L6、L8的裂縫寬度要小于L5和L7；L7、L8的裂縫主要集中在梁的純彎段，而L5、L6在彎剪段也出現(xiàn)了少量裂縫，綜合這些現(xiàn)象分析說明：增加碳纖維布的用量能夠更好地提高銹蝕梁的抗裂性能，而碳纖維U形箍可以提高彎剪段的抗裂能力。

2.2 試驗(yàn)梁的撓度分析

6根疲勞試驗(yàn)梁的跨中撓度都是隨著疲勞次數(shù)的增加而增長，且前期撓度增長較快，后期趨于平緩，如圖4所示。銹蝕不加固梁L4跨中撓度要比不銹蝕梁L2跨中撓度大，這是因?yàn)長4主筋銹蝕后，酥松的鐵銹會破壞鋼筋和混凝土之間的化學(xué)膠著力以及降低它們之間的摩擦力，使受力主筋和混凝土之間的黏結(jié)性能降低，進(jìn)而導(dǎo)致L4的抗彎剛度也隨之降低，5萬次疲勞循環(huán)后，L4最大撓度比L2大5.78%，表明銹蝕梁剛度退化更明顯。L5、L7的撓度要明顯大于L6、L8，跨中撓度平均高了11%。說明碳纖維布的用量增加后，隨著受拉鋼筋應(yīng)力降低，彎曲裂縫處鋼筋的應(yīng)力集中減緩，能夠明顯的提高銹蝕鋼筋混凝土梁的彎曲剛度。而L5的撓度略大于L7，L6的撓度略大于L8，但差距較小，說明在梁端是否粘貼碳纖維U形箍對梁的抗疲勞剛度影響不大。

圖3 疲勞荷載作用下梁裂縫分布圖

圖4 疲勞荷載作用下梁的跨中撓度

對比加固梁與未加固梁，在疲勞加載后，L5的跨中撓度比銹蝕不加固梁L4降低了13.5%，L6的跨中撓度比L4降低了23%。表明粘貼碳纖維布加固后銹蝕梁的剛度得到了提高，并且增大碳纖維布的用量，銹蝕梁的剛度也隨之增加。主要原因是碳纖維布承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，從而降低了受力主筋與混凝土之間的黏結(jié)損傷；也可以通過耗能的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋，碳纖維布代替鋼筋混凝土梁消耗了部分能量，降低了銹蝕梁的累積疲勞損傷。

疲勞加載完成后，立即卸載，等試驗(yàn)梁的撓度穩(wěn)定后，采集了各試驗(yàn)梁的撓度，撓度越大就代表試驗(yàn)梁的塑性變形越大。各試驗(yàn)梁卸載后跨中不可恢復(fù)的塑性撓度變形值從L2、L4至L8分別為0.769 0 mm、0.800 0 mm、0.626 5 mm、0.553 0 mm、0.553 0 mm、0.564 0 mm，其中，銹蝕不加固梁L4的塑性變形最大，不銹蝕梁L2次之，碳纖維加固梁的塑性變形值相對較小。由此可見，碳纖維布加固銹蝕混凝土梁能提高梁承受疲勞荷載以后的恢復(fù)力，從而減小塑性變形。

2.3 疲勞加載過程中試驗(yàn)梁的應(yīng)變分析

在每根梁的跨中兩側(cè)沿截面高度貼5片應(yīng)變片，采用揚(yáng)州泰司電子有限公司生產(chǎn)的TS3829B程控應(yīng)變放大器來動態(tài)采集應(yīng)變。圖5為梁頂混凝土應(yīng)變。由圖5可以看出：碳纖維布加固后的梁受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變大幅降低。在5萬次疲勞循環(huán)加載后，L2、L4、L5、L6、L8（L7應(yīng)變片導(dǎo)線接觸不良，故剔除了數(shù)據(jù)）梁頂混凝土最大壓應(yīng)變分別為：－868.3×10－6、－916.1×10－6、－730.9×10－6、－641.5× 10－6、－685.7×10－6，貼一層碳纖維布加固的梁比不加固的銹蝕梁最大壓應(yīng)變降低了20.2%，貼兩層碳纖維布的加固梁降低了27.6%。說明貼兩層碳纖維布加固的梁中和軸高度要小于貼一層碳纖維布的加固梁，增加碳纖維布的用量能夠更有效控制彎曲裂縫的發(fā)展，從而限制了中和軸的上移，減小了受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變。因此，粘貼碳纖維布可以改善銹蝕梁受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)變，并且隨著碳纖維布用量的增加效果也有所提升。

圖6為梁底碳纖維布應(yīng)變。由圖6可以看出：4根加固梁碳纖維布應(yīng)變在疲勞循環(huán)過程中有緩慢增大的趨勢。這是因?yàn)椋涸谄诩虞d過程中銹蝕鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力退化，造成鋼筋的拉力減小，從而使碳纖維布承擔(dān)了更多的拉力。其中，L5、L7的碳纖維布應(yīng)變明顯要大于L6、L8的碳纖維布應(yīng)變，這是因?yàn)長6、L8粘貼了兩層碳纖維布，隨著碳纖維布受力面積的增大，其應(yīng)變也相應(yīng)的減小。

圖5 梁頂混凝土應(yīng)變

圖6 梁底碳纖維布應(yīng)變

2.4 試驗(yàn)梁的極限承載力分析

表2為試驗(yàn)梁的極限荷載、屈服荷載及其比值。由表2可見：5萬次疲勞加載后不銹蝕梁L1與L2的屈服和極限荷載沒有明顯差異，這說明不銹蝕梁有著良好的疲勞性能；銹蝕梁L3、L4的屈服荷載都是65 kN，但是它們的極限荷載相差3 kN，這可能是由于疲勞加載降低了銹蝕主筋力學(xué)性能造成的，但影響有限；L1和L2的屈服荷載比L3和L4大5 kN，這是因?yàn)橹鹘钿P蝕后其截面面積也相應(yīng)減少，從而造成梁的屈服荷載也隨之下降；L1的極限荷載比L3大8 kN，L2的極限荷載比L4大10 kN，這表明疲勞加載增大了銹蝕梁與不銹蝕梁承載力的差距，說明疲勞荷載加劇了銹蝕梁性能的劣化。

L6、L7的屈服荷載比L4提高了5 kN，L8的屈服荷載比L4提高了10 kN，可見粘貼碳纖維布能夠提高銹蝕的屈服荷載，但是提高的幅度有限；加固梁L5～L8的極限荷載分別比L4大了14 kN、23 kN、22 kN、38 kN，可見粘貼CFRP能大幅提高銹蝕梁的極限荷載，而且隨著加固量的增加極限荷載也隨之增加。分析以上現(xiàn)象的原因：雖然CFRP的強(qiáng)度非常高，但是其彈性模量與普通鋼材相差不大，當(dāng)受力鋼筋剛屈服時，CFRP的應(yīng)變還遠(yuǎn)未到達(dá)極限應(yīng)變，此時其高強(qiáng)的特點(diǎn)還未充分發(fā)揮出來，所以粘貼CFRP加固對銹蝕梁屈服荷載提高幅度不大；但當(dāng)鋼筋屈服后其應(yīng)變持續(xù)增長，而應(yīng)力不再增長，此時CFRP的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增長而增長，其高強(qiáng)的特點(diǎn)才充分發(fā)揮出來，所以銹蝕梁的極限荷載能夠大幅提高。粘貼碳纖維U形箍的加固梁L7、L8承載力大于不加U形箍的梁L5、L6，說明粘貼碳纖維U形箍能夠防止混凝土保護(hù)層剝離破壞，從而提高銹蝕梁的承載力。

表2 試驗(yàn)梁的極限荷載、屈服荷載及其比值

各試驗(yàn)梁的極限荷載與屈服荷載的比值（簡稱強(qiáng)屈比）見表2，其值表現(xiàn)梁的塑性變形能力，比值越大說明梁的延性越好。疲勞循環(huán)加載的銹蝕不加固梁L4強(qiáng)屈比最小，L3的強(qiáng)屈比大于L4，其原因是疲勞加載使銹蝕梁L4的鋼筋和混凝土產(chǎn)生了疲勞損傷，從而導(dǎo)致L4的延性小于L3；不銹蝕梁L1、L2的強(qiáng)屈比很接近，說明疲勞加載對不銹蝕梁延性影響較小。由本試驗(yàn)結(jié)果可以看出：銹蝕加固梁L5～L8的強(qiáng)屈比要明顯大于銹蝕不加固梁L1～L4，說明碳纖維加固銹蝕梁能夠提高銹蝕梁的延性，而且隨著碳纖維布加固量的增加梁的延性也隨之提高；雖然加固梁L5和L6碳纖維布的加固量不同，但是它們的強(qiáng)屈比卻差距很小，這是因?yàn)榧庸塘哼^早的發(fā)生了保護(hù)層剝離破壞，使碳纖維布的作用無法充分發(fā)揮，即使增大加固量也無濟(jì)于事，再次可見粘貼碳纖維U形箍的必要性和重要性。

3 結(jié)論

（1）從以上對疲勞試驗(yàn)梁裂縫、撓度、應(yīng)變的分析來看，碳纖維加固后的銹蝕梁抗疲勞抗彎性能得到了大幅度的提高，而且粘貼的碳纖維布在整個疲勞加載過程中既沒有發(fā)生斷裂破壞也沒有發(fā)生剝離破壞。說明碳纖維布具有良好的疲勞性能，用碳纖維布加固承受動力荷載的鋼筋銹蝕混凝土梁是一種既可行又有效的方法。

（2）隨著碳纖維布加固量的增加，試驗(yàn)中梁的疲勞抗彎性能都有所提升，但是這兩者之間是否是線性相關(guān)，也就是當(dāng)加固量更大時，性能的提升是否還同樣這樣明顯，值得再做研究。另外，碳纖維布加固對極限荷載的提高比對屈服荷載的提高明顯，在超過梁的屈服荷載后，加固梁的碳纖維布可能突然剝離，由于剝離破壞的突然性，所以要盡量避免剝離破壞的發(fā)生。因此，在梁兩端粘貼碳纖維U形箍是非常必要的。同時，碳纖維U型箍的存在對梁的彎剪裂縫發(fā)展、混凝土及碳纖維應(yīng)變都產(chǎn)生有利影響，但對疲勞剛度的影響不明顯。

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TU317

A

1672－6871（2014）01－0058－05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51268009）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012GXNSFBA053151）；廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目（201106LX228）；廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項(xiàng)目（GXTSZY232）

陳 爽（1981－），男，湖北宜昌人，副教授，博士生，研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)加固.

2013－09－11