李 戰(zhàn) 張賢雙

(1.陜西省華陰市西岳廟文物管理處，陜西 渭南 714200； 2.陜西普寧工程結(jié)構(gòu)特種技術(shù)有限公司，陜西 西安 710049)

?

CFRP加固石質(zhì)文物受彎承載力研究

李 戰(zhàn)1張賢雙2

(1.陜西省華陰市西岳廟文物管理處，陜西 渭南 714200； 2.陜西普寧工程結(jié)構(gòu)特種技術(shù)有限公司，陜西 西安 710049)

結(jié)合西岳廟—天威咫尺石牌坊加固工程實(shí)例，利用CFRP加固技術(shù)對(duì)石質(zhì)矩形梁進(jìn)行了受彎試驗(yàn)，對(duì)比分析了加固前后石梁的破壞形態(tài)、承載力以及跨中撓度，指出CFRP加固石質(zhì)文物后，其破壞形態(tài)由正截面脆性破壞轉(zhuǎn)化為斜截面延性破壞，其剩余承載力和變形能力得到了顯著提高。

石質(zhì)文物，CFRP，加固工程，受彎承載性能

0 引言

石材作為我國(guó)古典建筑中的主要材料，由于其對(duì)自然環(huán)境具有較為突出的抗侵蝕能力，承載了豐富和完整的歷史文化信息，因此奠定了其在歷史文化研究中不可取代的地位。然而，在長(zhǎng)期的自然因素和人為因素作用下，石質(zhì)文物自身材料逐漸風(fēng)化和破裂。若該作用長(zhǎng)期持續(xù)，可導(dǎo)致古建筑主體結(jié)構(gòu)斷裂，坍塌，給工程技術(shù)人員帶來無法處理的事故。

隨著現(xiàn)代加固修復(fù)技術(shù)的不斷發(fā)展以及新材料、新工藝的出現(xiàn)，為古建筑加固新方法、新工藝的建立奠定了基礎(chǔ)[3]。碳纖維材料(CFRP)作為一種結(jié)構(gòu)加固高性能新型材料，其具有強(qiáng)度高、延性好以及耐久性能突出等特點(diǎn)[4]。同時(shí)，由于其體積小、質(zhì)量輕以及操作可逆等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于建筑物和構(gòu)筑物的加固工程中[5-7]。而對(duì)于古建筑保護(hù)，尤其在石質(zhì)建筑加固方面也得到了廣泛應(yīng)用。CFRP在石質(zhì)建筑結(jié)構(gòu)加固工程中可有效地提高結(jié)構(gòu)剛度，從而提高其承載力。同時(shí)，CFRP作為一種典型延性材料，其可顯著增加結(jié)構(gòu)在荷載作用下的破壞時(shí)間，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步修復(fù)加固爭(zhēng)取機(jī)會(huì)。目前，采用CFRP加固石質(zhì)古文物工程較為普遍，但采用CFRP加固卻較少?；谑|(zhì)古文物結(jié)構(gòu)大部分已出現(xiàn)既有損傷，其承載性能不斷劣化，采用CFRP對(duì)其進(jìn)行加固具有明顯優(yōu)勢(shì)。故本文結(jié)合西岳廟—天威咫尺石牌坊修復(fù)加固工程，采用CFRP加固技術(shù)，對(duì)石質(zhì)文物的受彎承載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為石質(zhì)文物的修復(fù)加固、設(shè)計(jì)優(yōu)化提供必要的理論研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)構(gòu)件采用材料為砂巖，其與西岳廟—天威咫尺石牌坊材質(zhì)相同。為保障材料的一致性，所有試件均切割于同塊石材。該石材材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 砂巖物理力學(xué)參數(shù)

CFRP選用UCP-300碳纖維布，粘貼樹脂采用臺(tái)灣巨瀚科技股份的碳纖維加固專用樹脂GEL600A/B。CFRP材料性能如表2所示。

表2 CFRP性能指標(biāo)

1.2 試件加工及加載方式

根據(jù)規(guī)范JTJ 054—94，結(jié)合石板材料形狀特征及尺寸大小，石梁壓彎試驗(yàn)試件尺寸為820 mm×120 mm×60 mm。本次試驗(yàn)試件共6個(gè)，試件加工成型后表面打磨平整，保證各邊相互正交垂直且無明顯層理或紋理。

CFRP以條狀全長(zhǎng)貼于試件底部，其寬度和層數(shù)見表3。所有試件兩端均采用U形箍錨固。粘貼時(shí)嚴(yán)格按照碳纖維布施工工藝，保證碳纖維布與試件表面緊密粘貼。待試件全部加固完畢后，將其置于通風(fēng)陰涼處自然干燥。試件編號(hào)及加固方式如表3所示。

表3 試件編號(hào)及加固方式

圖1為試驗(yàn)加載裝置，采用兩點(diǎn)加載方法進(jìn)行石梁的壓彎試驗(yàn)，跨距為240 mm。為避免加載過程導(dǎo)致應(yīng)力集中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加載時(shí)在加載橫梁兩端和石梁兩端支座處分別設(shè)置墊板。以初始荷載為1 kN對(duì)石梁分級(jí)施加荷載，每級(jí)荷載增幅為1 kN，直至石梁破壞。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

未加固試件(A1，A2)：隨著荷載增加，梁撓度的增幅緩慢；石梁試件破壞前，梁身未出現(xiàn)明顯裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到極限值時(shí)，試件純彎段出現(xiàn)貫通裂縫，斷面基本為沿梁截面的平面，破壞時(shí)兩試件的跨中撓度分別為0.614 mm和0.785 mm，屬于典型的脆性破壞。

C1：石梁首先在荷載作用下純彎段出現(xiàn)一系列縱向裂紋，隨著荷載增加，加載位置處及U形箍之間出現(xiàn)斜裂紋，且隨著荷載持續(xù)增加，縱向裂紋擴(kuò)展速度較小，而斜裂紋擴(kuò)展迅速。當(dāng)斜裂紋貫通全截面時(shí)，梁身跨中撓度為8.91 mm。當(dāng)加載至16 kN時(shí)，碳纖維布右側(cè)第4道U形箍位置出現(xiàn)剝離開裂。石梁整體斷裂失效時(shí)，純彎段碳纖維布與梁體已徹底剝離。

C2：荷載作用下，石梁純彎段兩側(cè)臨近套箍處出現(xiàn)縱向小裂縫，隨后裂紋數(shù)量增多；隨著荷載的進(jìn)一步增大，支座處出現(xiàn)斜裂紋，且斜裂紋擴(kuò)展速度較快，當(dāng)荷載增加至35 kN時(shí)，左側(cè)梁體底部U形套箍處碳纖維布發(fā)生斷裂，梁體破壞，其跨中撓度為7.97 mm。

C3：荷載作用下，石梁純彎段出現(xiàn)縱向小裂紋，石梁整體變形較小；隨著荷載增加，加載點(diǎn)部位U形箍間首先出現(xiàn)斜裂紋，此時(shí)純彎段的縱向小裂紋擴(kuò)展速度較快；當(dāng)荷載達(dá)到42 kN時(shí)石梁破壞，其左端外側(cè)3個(gè)U形箍斷裂，梁底碳纖維布已與梁體發(fā)生剝離，跨中撓度為10.78 mm。

C4：初始加載過程中，試件加載點(diǎn)的純彎段出現(xiàn)縱向小裂縫；隨著荷載增加，加載點(diǎn)外側(cè)套箍間出現(xiàn)斜裂紋，梁體變形不顯著；荷載進(jìn)一步增加，斜裂紋擴(kuò)展速度較快；當(dāng)荷載增加至48 kN時(shí)，梁體左側(cè)斜裂紋迅速擴(kuò)展，直至貫通全截面；荷載增大，斜裂縫兩側(cè)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，該部位U形箍剝離，碳纖維布與梁體剝離。當(dāng)跨中撓度增加至5.88 mm時(shí)，石梁試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 承載力

圖2為石梁試件極限荷載與對(duì)應(yīng)CFRP用量之間的曲線關(guān)系。由試驗(yàn)可知，采用CFRP加固石梁后，其承載力顯著提升，各試件加固前后的荷載對(duì)比狀況如表4所示。

表4 試件加固前后承載力對(duì)比狀況

隨著CFRP粘貼量增大，加固石梁的極限荷載亦不斷提高。由于當(dāng)CFRP的粘貼層數(shù)較多時(shí)，各層間的協(xié)同作用效率將大幅度下降，其強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生不同程度的折減，故加固石梁的CFRP用量與其極限荷載并非線性關(guān)系，其擬合結(jié)果如下式所示。

P=2 717×(x+2.2)0.15。

其中，P為試件的極限承載力；x為加固試件的CFRP使用量。

另外，由于施工質(zhì)量對(duì)加固石梁極限承載力的影響較為顯著，多層粘貼CFRP材料時(shí)無法保障施工質(zhì)量，故隨著CFRP材料層數(shù)的增加，加固石梁試件的極限荷載的提升幅度略有降低。

2.2 撓度

與未加固石梁試件相比，加固石梁跨中撓度顯著增加。隨著CFRP材料粘貼量的增加，試件跨中撓度增加幅度先增大后減小。石梁截面應(yīng)變基本符合平截面假設(shè)，當(dāng)荷載水平較小時(shí)，中和軸位置處于試件截面中部，隨著荷載水平提高，中和軸逐漸上移，受拉區(qū)高度增加，受壓區(qū)高度減小，加固材料抗拉性能逐漸體現(xiàn)。

經(jīng)CFRP加固后，石梁試件整體結(jié)構(gòu)可作為復(fù)合結(jié)構(gòu)[5,6]，其剛度發(fā)生顯著變化，受碳纖維布受拉作用，其延性顯著提高，梁體破壞由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐模鋼隙戎饾u增大。圖3給出了各試件不同荷載作用下的跨中撓度水平。由圖3可知，CFRP加固后，石梁試件的撓度水平明顯下降，即加固作用使得試件整體剛度增加。且隨著荷載持續(xù)增大，CFRP對(duì)石梁剛度的提升幅度逐漸顯著，即CFRP用量越大，加固試件剛度越大。其原因可解釋為，石梁試件經(jīng)CFRP加固后，梁身受約束作用加大，梁體剛度分布均勻化[4]，整體性得到改善，故受拉裂縫的擴(kuò)展能力降低。

圖4為各加固石梁試件在20 kN荷載作用下的撓度曲線。由圖4可見，隨著CFRP使用量增加，梁身變形量逐漸減小。另外，當(dāng)CFRP使用量增加至一定程度后，梁身各部位的撓度減小幅度逐漸降低。該現(xiàn)象可解釋為，隨著CFRP使用量增加，各層間粘結(jié)力以及施工過程的影響均可造成加固材料強(qiáng)度折減。

3 結(jié)語

根據(jù)對(duì)采用CFRP加固石梁試件的壓彎試驗(yàn)結(jié)果分析，可得到以下結(jié)論：1)石梁試件經(jīng)CFRP加固后，其承載力顯著增加，增加幅度與加固材料使用量滿足冪函數(shù)關(guān)系。2)CFRP加固作用可使石梁試件的整體剛度有效均勻化，且能夠有效阻止梁身受拉裂縫的出現(xiàn)及擴(kuò)展。3)經(jīng)CFRP加固后，石梁試件的破壞形態(tài)發(fā)生顯著變化，由梁身縱向裂縫引起的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橛尚绷鸭y引起的延性破壞。

[1] 武曉敏,徐福泉,謝 劍.石梁加固技術(shù)[J].施工技術(shù),2014,43(10):66-68.

[2] 齊 文,徐福泉,謝 劍,等.古建筑青白石梁受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2014,30(11):40-43.

[3] 趙 靜,王 鯤,牟曉成.CFRP材料加固木梁試驗(yàn)研究[J].山西建筑,2006,32(23):86-87.

[4] 武曉敏,謝 劍,徐福泉,等.CFRP加固青白石梁受彎性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2015(S1):50-51.

[5] 郭子雄,王 蘭,柴振嶺,等.鋼筋網(wǎng)改性砂漿加固石樓板受彎性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2011,32(3):69-74.

[6] 張 楠.底部鋼筋網(wǎng)改性砂漿層加固石樓板抗彎性能試驗(yàn)研究[D].泉州：華僑大學(xué),2011.

[7] Triantafillou T C,Deskovic N.Prestressed FRP Sheets as External Reinforcement of Wood Members[J].Journal of Structural Engineering,1992,118(5):710-717.

Experimental study on flexural capacities of lithoid cultural relic reinforced with CFRP

Li Zhan1Zhang Xianshuang2

(1.Shaanxi Huayin Xiyue Temple Relics Administration Office, Weinan 714200, China;2.Shaanxi Puning Engineering Special Technology Limited Company, Xi’an 710049, China)

Combining with Xiyue Temple-Tianwei near stone arch reinforcement engineering, the use of CFRP strengthening technology with rocky rectangular beams in bending test, comparative analysis before and after reinforcement Shiliang failure pattern bearing capacity and midspan deflection of CFRP reinforcement after stone relics, the failure pattern by the brittle failure of normal section into inclined section ductile fracture, and the residual bearing capacity and deformation capacity increased significantly.

lithoid cultural relic, CFRP, reinforcement engineering, bend-resisting capacity

1009-6825(2016)34-0049-03

2016-09-25

李 戰(zhàn)(1966- )，男，工程師； 張賢雙(1967- )，男，工程師

TU318

A