賈 良， 聶紅賓

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道工程系， 陜西 渭南 714000)

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CFRP布修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土抗彎構(gòu)件力學(xué)性能研究

賈 良， 聶紅賓

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道工程系， 陜西 渭南 714000)

為了進(jìn)一步研究碳纖維(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土抗彎構(gòu)件的力學(xué)性能，對(duì)CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，研究CFRP布全、分包修復(fù)不同凍融損傷試件的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：CFRP布能有效提高損傷試件的承載力、延性性能，尤其是全包方式；隨著凍融次數(shù)的增加，CFRP布修復(fù)試件的承載力逐漸降低，中性軸上移速度越來(lái)越快；通過(guò)理論計(jì)算，得到了不同凍融損傷程度修復(fù)構(gòu)件的抗彎承載力公式，并利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬，得到的計(jì)算值、模擬值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果吻合較好。

隧道； CFRP布； 凍融循環(huán)； 抗彎承載力； ABAQUS有限元

0 引言

我國(guó)寒冷地區(qū)分布著大量的隧道工程，在寒冷或季節(jié)交替明顯的地區(qū)，抗凍性是隧道建設(shè)中混凝土工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),同時(shí)也是影響混凝土構(gòu)件耐久性的主要問(wèn)題[1-2]。在已建成隧道中，混凝土構(gòu)件由于處于高應(yīng)力、潮濕和溫度突變等復(fù)雜環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的裂縫[1]。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀看,主要采取措施是在混凝土中加入纖維材料提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能或?qū)⒗w維織物加固在混凝土表面。如張迅等[2]在水底隧道、地鐵管片和氣水分離結(jié)構(gòu)中加入聚丙烯纖維進(jìn)行加固；文獻(xiàn)[3-5]通過(guò)將不同纖維加入到不同混凝土結(jié)構(gòu)中，均取得了一定的效果，但由于摻入纖維在混凝土中接團(tuán)，未能充分發(fā)揮纖維作用，且鋼纖維容易銹蝕；文獻(xiàn)[6-7]將碳纖維織物(CFRP)粘貼在混凝土表面進(jìn)行研究。采用CFRP布加固，國(guó)內(nèi)大多應(yīng)用于建筑和橋梁等工程中，但在隧道病害處理中很少應(yīng)用。由于隧道中凍融循環(huán)和潮濕影響，CFRP布很難直接粘貼在構(gòu)件表面，目前，國(guó)內(nèi)外也很少研究。本文以西安地鐵三號(hào)線某標(biāo)段隧道滲水為背景，對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，將CFRP布用特制的結(jié)構(gòu)專用膠直接貼在結(jié)構(gòu)表面，形成了CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土構(gòu)件，并對(duì)其進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，分析CFRP布不同修復(fù)方式下結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，承載力、荷載-應(yīng)變關(guān)系以及撓度等參數(shù)的變化，進(jìn)一步探索隧道中凍融損傷混凝土修復(fù)技術(shù)。

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

西安地鐵三號(hào)線軌道工程D3GD-某標(biāo)包括三號(hào)線正線及輔助線、二號(hào)線與三號(hào)線聯(lián)絡(luò)線、出入場(chǎng)線全長(zhǎng)約28.736 km(單線)。線路起自雁塔區(qū)的魚(yú)化寨停車場(chǎng)，途中設(shè)車站。此次事故位于魚(yú)化寨附近，基坑與區(qū)間隧道連接處的混凝土襯砌工程暴露在外，風(fēng)力較大，加之存在大量積水，且西安地處黃土高原，冬季白晝溫差較大，出現(xiàn)了隧道凍融病害，如圖1所示。

(a) 事故現(xiàn)場(chǎng)

(b) 凍融損傷表面

Fig. 1 Freezing-thawing damage of concrete of tunnel lining

1.2 試驗(yàn)方案

為解決實(shí)際工程問(wèn)題，本文采用CFRP布對(duì)凍融損傷試件進(jìn)行修復(fù)。因凍融試驗(yàn)機(jī)容積有限，故試驗(yàn)取樣試件較小，屬于模型試驗(yàn)，每組試驗(yàn)反復(fù)3次,試件尺寸參照文獻(xiàn)[1]，為100 mm×100 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬×高)。水泥采用普通礦渣硅酸鹽水泥,配置C30混凝土,試驗(yàn)參數(shù)及破壞情況見(jiàn)表1。CFRP布修復(fù)試件及加載破壞如圖2所示，加載裝置和應(yīng)變片位置如圖3所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及破壞情況

Table 1 Testing parameters and damages

修復(fù)方式 未凍融凍融次數(shù)50100150200未加固11111全包221、21、21、2純彎曲分包1121、21、2剪跨區(qū)分包1111、21、2

注：1表示混凝土發(fā)生破壞； 2表示CFRP布發(fā)生破壞。

(a) 試件

(b) 試件破壞形態(tài)

Fig. 2 Testing samples strengthened by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles and loading damage

(a) 加載裝置

(b) 應(yīng)變片布置

Fig. 3 Loading device and strain gauge arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

試件分別進(jìn)行50、100、150、200次凍融循環(huán)試驗(yàn)，其質(zhì)量和動(dòng)彈性模量損失以同批4塊試件的平均值為準(zhǔn)，且試件各試驗(yàn)值的誤差不超過(guò)5%。試件經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后，發(fā)生破壞如圖4所示,質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量損失率見(jiàn)圖5和圖6。圖4表明，未凍融時(shí)，試件表面光滑密實(shí)； 凍融50次后，試件表面出現(xiàn)類似針孔狀的小孔，表面出現(xiàn)砂漿顆粒； 凍融100次后，混凝土表面進(jìn)一步被剝蝕，粗骨料裸露表面，部分表面出現(xiàn)微小裂縫，端部有掉渣現(xiàn)象； 凍融150次后，試件整個(gè)表面出現(xiàn)大量浮砂，裂縫越來(lái)越發(fā)育； 凍融200次后，裂縫貫通，部分試件端部斷裂。

由圖5和圖6可知，施工現(xiàn)場(chǎng)利用礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土，經(jīng)過(guò)凍融175次后，質(zhì)量損失率超過(guò)5%;凍融125次后，動(dòng)彈性模量損失率超過(guò)10%。

質(zhì)量和動(dòng)彈性模量作為混凝土試件的基本參數(shù)，判斷試件破壞均存在一定誤差。

圖4 試件發(fā)生凍融破壞

Fig. 4 Freezing-thawing damages of samples

圖5 質(zhì)量損失率

Fig. 5 Mass loss rate

圖6 動(dòng)彈性模量損失率

Fig. 6 Loss rate of dynamic-elastic modulus

2.2 抗彎試驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)分析

2.2.1 抗彎試驗(yàn)結(jié)果

凍融100次和150次后加載時(shí)，試件突然斷裂且荷載值很?。?凍融200次后，試件角部已經(jīng)破碎，無(wú)法加載。對(duì)試件用CFRP布全包修復(fù)后加載，加載時(shí)會(huì)聽(tīng)到“噼啪”聲，達(dá)到極限荷載時(shí)，底部CFRP布被拉斷，會(huì)聽(tīng)到巨大的拉斷聲，試件沒(méi)有完全斷裂，承載力和延性得到較大的提高。對(duì)純彎段采用CFRP布分包修復(fù)時(shí)，加載點(diǎn)處混凝土破壞，且往剪跨區(qū)開(kāi)裂； 對(duì)剪跨區(qū)采用CFRP布分包修復(fù)時(shí)，CFRP布與混凝土發(fā)生剝離破壞。

2.2.2 參數(shù)分析

2.2.2.1 CFRP布修復(fù)方式對(duì)不同凍融損傷試件承載力的影響

根據(jù)凍融損傷試驗(yàn)可知,礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)150次后結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，主要分析CFRP布修復(fù)凍融100次試件的承載力，凍融100次后試件承載力值為0.6 kN，CFRP布全、分包修復(fù)凍融損傷100次試件的承載力與應(yīng)變關(guān)系如圖7所示,CFRP布全包修復(fù)不同凍融損傷試件的抗彎承載力與跨中底部應(yīng)變關(guān)系如圖8所示。

通過(guò)圖7可得出，CFRP布全包方式可大幅度提高損傷混凝土構(gòu)件的承載力，與未修復(fù)試件相比，承載力提高12.63倍； 與CFRP布純彎段修復(fù)(中間分包)試件相比，承載力提高了48%； 與剪跨段修復(fù)(兩端分包)試件相比，承載力提高了81.8%。

通過(guò)圖8可得出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,CFRP布全包修復(fù)試件的承載力逐漸下降,但試件損傷到一定程度(凍融150次和200次)后,試件的承載力僅下降7.5%。

圖7 CFRP布修復(fù)凍融損傷100次試件的承載力-應(yīng)變圖

Fig. 7 Bending capacity-strain of samples strengthened by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles

圖8 CFRP布全包修復(fù)不同凍融試件承載力-底部應(yīng)變圖

Fig. 8 Bending capacity-bottom strain of samples strengthened entirely by CFRP sheets

2.2.2.2 CFRP布修復(fù)損傷試件平截面分析

對(duì)于CFRP布修復(fù)試件的承載力而言，全包修復(fù)方式的效果最好，但凍融損傷試件經(jīng)過(guò)CFRP布修復(fù)后試件的延性需進(jìn)一步研究。

圖9為CFRP布全、分包修復(fù)凍融100次試件平截面處極限應(yīng)變圖，通過(guò)分析可得，CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土試件能有效提高試件的延性，與未修復(fù)試件相比(極限應(yīng)變50.724),全包修復(fù)試件延性提高了18.48倍,中間分包修復(fù)試件提高了13.66倍,兩端分包試件提高了12.47倍，其中CFRP布全包修復(fù)試件延性提高最大。

圖9 CFRP布全、分包修復(fù)凍融100次試件平截面極限應(yīng)變

Fig. 9 Ultimate strain of plain sections of samples strengthened entirely or partly by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles

圖10是CFRP布全包修復(fù)不同凍融損傷試件平截面處極限應(yīng)變圖，通過(guò)分析可知：凍融循環(huán)對(duì)CFRP布修復(fù)抗彎試件的平截面有影響，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，逐漸將不滿足平截面假定；加載時(shí)，CFRP布修復(fù)試件的中性軸上移越來(lái)越快，試件的延性也越來(lái)越大，凍融200次試件極限應(yīng)變達(dá)到2 500。

圖10 CFRP布全包修復(fù)不同凍融試件平截面極限應(yīng)變

Fig. 10 Ultimate strain of plain sections of samples strengthened entirely by CFRP sheets under different freezing-thawing cycles

2.2.2.3 CFRP布修復(fù)凍融損傷試件的荷載與應(yīng)變分析

為了進(jìn)一步研究CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土構(gòu)件剪跨區(qū)受力情況，在剪跨區(qū)支座處布置了2條橫、豎向應(yīng)變片，當(dāng)荷載發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變也會(huì)發(fā)生變化，荷載-應(yīng)變關(guān)系如圖11和圖12所示。

圖11 CFRP布全包修復(fù)試件荷載與支座處豎向應(yīng)變的關(guān)系

Fig. 11 Relationships between load and vertical strain of support of samples strengthened entirely by CFRP sheets

圖12 CFRP布全包修復(fù)試件荷載與支座處橫向應(yīng)變的關(guān)系

Fig. 12 Relationships between load and lateral strain of support for samples strengthened entirely by CFRP sheets

通過(guò)對(duì)圖11和12進(jìn)行分析可得，隨著凍融次數(shù)的增加，承載力逐漸降低，剪跨區(qū)豎向、橫向延性變形也逐漸加大，說(shuō)明凍融循環(huán)使剪跨區(qū)混凝土受到一定程度的損傷，試件延性增大；凍融50次后，全包試件的承載力下降，橫向、豎向應(yīng)變?cè)黾虞^小； 但試件凍融100次后，CFRP布全包修復(fù)效果較好，變形增大，說(shuō)明混凝土受損后很容易變形，主要由CFRP布和混凝土共同受力，協(xié)同性較好。

3 全包抗彎構(gòu)件承載力計(jì)算

3.1 混凝土模型簡(jiǎn)化

3.1.1 梯形抗壓強(qiáng)度模型

基于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]推薦模型和趙彤模型[9-10]，本文對(duì)混凝土梯形應(yīng)力簡(jiǎn)化后模型如圖13所示，簡(jiǎn)化后

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：fc為混凝土的應(yīng)力簡(jiǎn)化強(qiáng)度； x為上、下某一點(diǎn)到中性軸的距離； α為混凝土的折減系數(shù)； xc為合力到中性軸的距離； b為梁截面有效寬度； ζ為受壓區(qū)高度修正系數(shù)。

圖13 抗彎計(jì)算圖

Fig. 13 Bending calculation

3.1.2 凍融損傷混凝土強(qiáng)度模型

利用凍融模型[11-13]對(duì)損傷混凝土分析，模型轉(zhuǎn)換后，

(4)

式中：σ和σc分別為任意時(shí)刻的應(yīng)力和峰值應(yīng)力；ε和εc分別為任意時(shí)刻的應(yīng)變和峰值應(yīng)變；A是初始混凝土的彈性模量和割線模量的比值，本文采用C30混凝土，取值1.78；l1、l2和l3均表示凍融修正系數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 本構(gòu)關(guān)系參數(shù)表

Table 2 Constitutive parameters

凍融次數(shù)上升段參數(shù)l1l2l300002000.003840.005550.00413

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到凍融損傷后混凝土的本構(gòu)關(guān)系，普通混凝土試件本構(gòu)關(guān)系

(5)

凍融200次后，混凝土本構(gòu)關(guān)系

(6)

混凝土試件凍融50、100和150次后，本構(gòu)關(guān)系同理可計(jì)算得出。

3.2 極限彎矩

根據(jù)彈性理論，截面的極限彎矩

Mu=σuA1a1+σu′A2a2=σu(S1+10S2)[14]。

(7)

令Ws=S1+10S2，得

Mu=σuWs。

(8)

(9)

式(7)—(9)中：Ws為塑性截面系數(shù)； h0為梁的有效截面高度。

彈性截面系數(shù)

(10)

彈性理論計(jì)算的彎矩和塑性理論計(jì)算的彎矩比值

(11)

極限彎矩Mu分別經(jīng)過(guò)彈性和塑性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相差較大，本次試驗(yàn)彈性和塑性荷載相差值見(jiàn)表3，差值在20%～30%，為使試件能進(jìn)入彈塑性階段，又要偏于安全，梁仍然按彈性方法計(jì)算，增大系數(shù)取下限為1.20[15-16]。

表3 彈、塑性荷載數(shù)值表

Table 3 Elastic-plastic load values

項(xiàng)目未凍融凍融次數(shù)50100150200極限荷載/kN21.2158.5025.4754.8736.073彈性彎矩/(kN·m)14.564.153.694.3比值/%68.374.576.874.570

3.3 全包修復(fù)凍融損傷構(gòu)件抗彎承載力計(jì)算

加固梁的受力模型如圖14所示，根據(jù)截面受力平衡條件

(12)

(13)

(14)

式(12)—(14)中fcfs為CFRP布全包修復(fù)極限抗拉強(qiáng)度，由CFRP布卷材廠家提供。

利用抗彎承載力公式，計(jì)算CFRP布全包修復(fù)未凍融、凍融50、100、150、200次試件的抗彎承載力分別為23.66、11.5、7.8、6.9、6.2 kN。與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，全包修復(fù)凍融損傷試件抗彎承載力誤差控制在8%以內(nèi)。

圖14 加固梁的受力圖

Fig. 14 Force diagram of strengthened beams

4 CFRP布修復(fù)凍融損傷抗彎構(gòu)件非線性分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)CFRP布修復(fù)凍融損傷抗彎試件進(jìn)行模擬，在前處理模塊中建模，CFRP布采用殼單元S4R，混凝土模型采用實(shí)體單元C3D8R，如圖15所示，粘結(jié)劑采用內(nèi)聚力單元C0H3D8，其上、下接觸表面采用tie連接，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。加載時(shí)，建立參考點(diǎn)，并建立耦合關(guān)系，使分析達(dá)到更好的收斂效果[16]。

(a) 混凝土

(b) CFRP布

Fig. 15 Modeling and mesh generation of concrete and CFRP sheet

CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土構(gòu)件有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)中荷載、撓度、應(yīng)變相比較，見(jiàn)圖16和圖17，分析得出：凍融50次后，橫向應(yīng)變、撓度變化基本相同；隨著凍融次數(shù)的增加，應(yīng)變?cè)絹?lái)越大，極限撓度值越來(lái)越小。通過(guò)ABAQUS對(duì)CFRP布修復(fù)凍融損傷抗彎試件進(jìn)行非線性分析，較好地反映出CFRP布修復(fù)損傷試件的受力性能。

圖16 試件的荷載-撓度圖

Fig. 16 Load-deflection of samples

圖17 試件剪跨區(qū)荷載-橫向應(yīng)變圖

Fig. 17 Load-lateral strain of cut-span section of samples

5 結(jié)論與建議

本文以西安地鐵三號(hào)線基坑與區(qū)間隧道連接處混凝土襯砌凍融損傷為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與工程試驗(yàn)研究CFRP布修復(fù)隧道中混凝土抗彎結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，得出以下結(jié)論。

1)礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土經(jīng)過(guò)凍融175次后，質(zhì)量損失率超過(guò)5%，凍融125次后，動(dòng)彈性模量損失率超過(guò)10%，質(zhì)量和動(dòng)彈性模量作為混凝土試件的基本參數(shù)，判斷試件破壞存在一定誤差。

2)通過(guò)對(duì)CFRP布全、分包試件的承載力、平截面及剪跨區(qū)變形相比較，得出CFRP布全包為最優(yōu)修復(fù)方式；隨著凍融次數(shù)的增加，試件的延性增加，中性軸上移速度也越來(lái)越快，逐漸不滿足平截面假定。

3)通過(guò)計(jì)算和ABAQUS模擬，得到了不同凍融次數(shù)后全包試件的承載力公式，經(jīng)過(guò)計(jì)算與模擬，得到的理論值、模擬值與試驗(yàn)值存在一定誤差，經(jīng)過(guò)誤差處理后，較好地反應(yīng)出試驗(yàn)結(jié)果。

本文利用CFRP布加固技術(shù)對(duì)隧道中混凝土抗彎構(gòu)件進(jìn)行了修復(fù)，并進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元模擬，但只針對(duì)西安地鐵三號(hào)線使用的礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土進(jìn)行了探索，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果。混凝土結(jié)構(gòu)凍融損傷嚴(yán)重，試件達(dá)到破壞后，CFRP布全包試驗(yàn)效果較好，建議盡量加固有凍融損傷但還沒(méi)有達(dá)到破壞的試件。

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Study of Mechanical Properties of Freezing-thawing Damaged Concrete Bending Components of Tunnel Strengthened by CFRP Sheets

JIA Liang, NIE Hongbin

(DepartmentofRailEngineering,ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China)

The mechanical properties of the freezing-thawing damaged concrete bending components of tunnel strengthened by carbon fiber reinforced polymer (CFRP) are studied. The bending tests are carried out and the repairing effects of tunnel by using CFRP sheet are analyzed. The testing results show that: 1) The bending capacity and ductility performance of damaged components can be improved by using CFRP, especially by using full-covered mode. 2) The bending capacity of damaged components decreases and the lifting speed of neutral axis increases with the freezing-thawing cycle increases. 3) The formula for bending capacity of damaged components is obtained by theoretical calculation; and simulation is carried out by ABAQUS finite element software. The calculated results and simulated results coincide with testing results well.

tunnel; CFRP sheets; freezing-thawing cycle; bending capacity; ABAQUS FE

2015-11-18；

2016-02-25

陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(編號(hào)2014-44)

賈良(1982—)，男，山西朔州人，2011年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，講師，主要從事巖土與隧道工程方向的教育與研究工作。E-mail：styjialiang@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.008

U 454

A

1672-741X(2016)07-0819-07