孫仲橫，許 斌，賀 佳

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3. 華僑大學(xué) 福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型、簡(jiǎn)便、高效的加固、修復(fù)和改造技術(shù)。與傳統(tǒng)材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量小，剛度好，比強(qiáng)度高，比模量高，耐高溫及抗疲勞性能好等優(yōu)越性能。CFRP加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)以其高強(qiáng)高效、防腐耐久、施工便捷、適用面廣及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，在工程界得到廣泛應(yīng)用。對(duì)混凝土梁進(jìn)行抗彎、抗剪加固，是將CFRP片材粘貼于構(gòu)件的外表面，以提升構(gòu)件的對(duì)應(yīng)性能。由于多種材料的復(fù)合效果比單純混凝土梁復(fù)雜，且CFRP片材端部由于形狀變化易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的錨固剪應(yīng)力和正應(yīng)力，因而經(jīng)常發(fā)生早期的片材端部剝離破壞，試件破壞時(shí)碳纖維及混凝土遠(yuǎn)未達(dá)到其極限強(qiáng)度，材料的利用率較低，達(dá)不到預(yù)期的加固效果，且破壞發(fā)生時(shí)較突然，屬脆性破壞。利用傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量方法難以在構(gòu)件仍處于較好的線性行為的狀態(tài)下對(duì)破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，尋找一種能對(duì)CFRP加固混凝土梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的方法具有極其重要的意義[1-3]。

近年來(lái)，壓電陶瓷在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-5]，在復(fù)雜鋼管混凝土界面剝離、核心混凝土損傷等方面得到成功應(yīng)用[6-11]。本文利用壓電陶瓷對(duì)CFRP加固混凝土梁在豎向加載下的損傷發(fā)展過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于壓電應(yīng)力波法對(duì)混凝土梁的狀態(tài)進(jìn)行分析，以確定剝離損傷的程度。結(jié)果表明，該方法可以有效地監(jiān)測(cè)CFRP加固鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)[12]。

1 基本原理

國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用壓電陶瓷進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法主要有波動(dòng)法和阻抗法。本文采用波動(dòng)法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。將壓電陶瓷片分別粘貼在CFRP與混凝土梁外側(cè)對(duì)應(yīng)位置處，分別作為驅(qū)動(dòng)器和傳感器，根據(jù)逆壓電原理對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加電信號(hào)激勵(lì)，產(chǎn)生應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播。由于正壓電效應(yīng)，傳感器將接收的應(yīng)力波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。應(yīng)力波在傳播過(guò)程中遇到CFRP布與混凝土梁的界面剝離缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生衍射、反射和透射等現(xiàn)象，波的能量衰減將會(huì)加劇，引起信號(hào)幅值的衰減、模態(tài)變化及傳播時(shí)間的延遲等現(xiàn)象。通過(guò)分析傳感器在加載全過(guò)程中接收信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)CFRP加固鋼筋混凝土梁構(gòu)件剝離損傷發(fā)展的過(guò)程監(jiān)測(cè)。原理如圖1所示。

圖1 基于波動(dòng)法的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)原理

2 構(gòu)件界面剝離損傷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)及加載方案

鋼筋混凝土梁的截面尺寸為100 mm×200 mm，長(zhǎng)為1 500 mm。下部主筋采用2根直徑為?14 mm的Ⅲ級(jí)螺紋鋼，箍筋采用間距100 mm，直徑為?6 mm的Ⅲ級(jí)螺紋鋼雙肢箍，上部構(gòu)造鋼筋采用直徑為?8 mm的Ⅲ級(jí)螺紋鋼。混凝土采用C30預(yù)拌商品混凝土，試件澆筑完畢后，在室內(nèi)作養(yǎng)護(hù)處理。CFRP布采用東麗UT70-30型，理論厚度為1.4 mm，粘貼長(zhǎng)度為850 mm，寬為100 mm。

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)梁理論極限彎矩M=18.1 kN·m，相應(yīng)極限承載力F=80.4 kN。利用兩點(diǎn)加載方式進(jìn)行加載，如圖 2所示。

圖2 加載示意圖

集中荷載F通過(guò)分配梁轉(zhuǎn)化為2個(gè)大小相等的力，分別作用在試驗(yàn)梁1/3與2/3跨處。試驗(yàn)加載方式采用在梁頂面放置兩根對(duì)稱合金棒，合金棒上放置分配梁，于梁中央用SDS500型電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，采用力控制加載，豎向荷載分別為20 kN，40 kN，60 kN，80 kN，100 kN，直至構(gòu)件破壞。在加載過(guò)程中，每加載到一個(gè)荷載等級(jí)，則采集一次數(shù)據(jù)，同一位置進(jìn)行多次測(cè)量。每級(jí)荷載后穩(wěn)壓，以使試件有充分的變形時(shí)間，待變形穩(wěn)定后測(cè)讀數(shù)據(jù)。

2.2 壓電陶瓷片的布設(shè)

本試驗(yàn)中采用尺寸為0.3 mm×15 mm×10 mm伸縮型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷貼片。壓電陶瓷片的布置如圖3所示。壓電陶瓷片粘貼于CFRP外表面與混凝土梁外側(cè)對(duì)應(yīng)處，編號(hào)為S1～S5；背面相對(duì)應(yīng)貼片編號(hào)為A1～A5。每加載一級(jí)，構(gòu)件穩(wěn)定后，依次采用某單一壓電陶瓷片作為信號(hào)驅(qū)動(dòng)端，與其位置對(duì)應(yīng)的壓電陶瓷片作為信號(hào)傳感端，如A1(S1)作為驅(qū)動(dòng)端，S1(A1)作為傳感端，以此類推。

圖3 壓電陶瓷片監(jiān)測(cè)布置圖

此外，在梁跨中處CFRP布外側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)電阻式應(yīng)變片(5 mm×3 mm)，測(cè)量CFRP布在加載過(guò)程中的應(yīng)變。

2.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法

試驗(yàn)采用任意波形/函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并用高頻動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集壓電陶瓷傳感器響應(yīng)信號(hào)。根據(jù)波動(dòng)法的基本原理，任意波形/函數(shù)發(fā)生器通道口連接驅(qū)動(dòng)器，傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一個(gè)通道口相連，采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

驅(qū)動(dòng)器采用正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)。正弦激勵(lì)信號(hào)頻率為10 kHz，激勵(lì)信號(hào)幅值均為8 V，采樣頻率為102 400 Hz。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試件在加載過(guò)程中，在20 kN豎向荷載下梁外側(cè)未能觀察到有明顯裂縫產(chǎn)生；隨著豎向荷載的增加，可以觀察到在CFRP布端部S1、S5處率先出現(xiàn)裂縫，純彎段垂直縫及右側(cè)剪跨段斜裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，并分別向梁頂部和加載中心點(diǎn)擴(kuò)展；在縱向鋼筋屈服后，各裂縫開始變寬，向上擴(kuò)展的趨勢(shì)減慢，最先出現(xiàn)的裂縫發(fā)展較快，當(dāng)豎向荷載超過(guò)102 kN后，CFRP布兩端與混凝土梁發(fā)生剝離，受壓區(qū)混凝土被壓壞。圖4為S5處CFRP布端部剝離破壞情況。

圖4 S5處豎向荷載下CFRP布端部剝離破壞圖

圖5為40 kN荷載下鋼筋混凝土梁剝離損傷圖。由圖可見，CFRP布兩端混凝土梁剝離破壞比加載中心點(diǎn)處嚴(yán)重。

圖5 40 kN豎向荷載下鋼筋混凝土梁剝離損傷圖

3.1 基于信號(hào)幅值的分析結(jié)果

以S5、S4和S3作為傳感器的檢測(cè)結(jié)果為例，各工況下的時(shí)域圖如圖6所示。由圖可見，隨著豎向荷載的增加，傳感器接收信號(hào)的幅值出現(xiàn)較明顯的減小，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，幅值幾乎不再改變。這表明簡(jiǎn)諧信號(hào)幅值對(duì)CFRP與混凝土梁之間剝離較敏感。限于篇幅，各檢測(cè)位置傳感器接收信號(hào)的幅值的比較不再一一列出。

圖6 傳感器接收時(shí)域信號(hào)圖為定量說(shuō)明界面剝

為定量說(shuō)明界面剝離缺陷的敏感性，定義基于信號(hào)幅值差值的損傷指標(biāo)：

(5)

式中：DI為界面剝離缺陷下信號(hào)幅值相對(duì)于健康狀態(tài)下信號(hào)幅值的衰減程度；Hn為健康狀態(tài)下傳感器接收信號(hào)的幅值；Dn為各級(jí)加載下壓電陶瓷傳感器接收信號(hào)的時(shí)域幅值。當(dāng)DI=0，表示結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)。

圖7為基于信號(hào)幅值的DI隨荷載級(jí)別的變化情況(僅列出A3、A4、A5)。由圖可知，DI隨著加載的增大而增大，說(shuō)明信號(hào)幅值的衰減程度隨著豎向荷載的增大呈增大的趨勢(shì)。在40 kN豎向荷載下，橫向?qū)Ρ认嗤奢d級(jí)別下的A3、A4、A5。A5處DI值達(dá)到40%，大于A3、A4兩處。A5位于片材端部應(yīng)力較大的位置，是可能最先發(fā)生剝離損傷的區(qū)域，信號(hào)幅值變化較其他測(cè)量點(diǎn)更明顯。當(dāng)豎向荷載繼續(xù)增加，A5處DI值增長(zhǎng)緩慢，A3、A4處增長(zhǎng)快速，且在100 kN豎向荷載下達(dá)到40%，繼續(xù)加載下結(jié)構(gòu)被壓壞。當(dāng)DI=40%時(shí)，CFRP布與鋼筋混凝土梁之間已發(fā)生界面剝離損傷；當(dāng)DI=50%時(shí)，認(rèn)為片材端部已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的剝離現(xiàn)象，不適合繼續(xù)承載。這說(shuō)明定義的DI可以正確識(shí)別出結(jié)構(gòu)在CFRP布兩端發(fā)生的早期片材端部剝離破壞，且在鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)整體處于線性階段時(shí)，該指標(biāo)也可以有效監(jiān)測(cè)界面的剝離發(fā)展?fàn)顩r。

圖7 基于信號(hào)幅值的絕對(duì)差值DI隨荷載級(jí)別的變化

3.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在不同加載級(jí)別下，CFRP布應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖可見，在0～100 kN，應(yīng)變與荷載之間呈線性關(guān)系，平截面假定仍適用。CRFP布的應(yīng)變測(cè)量難以反映片材端部的剝離破壞情況。當(dāng)施加荷載為102 kN時(shí)，應(yīng)變值突然降低，試驗(yàn)梁發(fā)生脆性破壞。

圖8 0～102 kN工況下應(yīng)變片數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

本文提出了基于壓電驅(qū)動(dòng)與應(yīng)力波測(cè)量的CFRP布加固鋼筋混凝土梁剝離損傷的監(jiān)測(cè)方法，基于所定義的信號(hào)時(shí)域幅值的剝離損傷指標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了其可行性，得到如下結(jié)論：

1) 以A3—S3、A4—S4、A5—S5檢測(cè)區(qū)間內(nèi)裂縫損傷的檢測(cè)結(jié)果表明，所定義的裂縫損傷指標(biāo)的增長(zhǎng)情況與實(shí)際裂縫發(fā)展情況吻合良好，基于此指標(biāo)能監(jiān)測(cè)到初始裂縫的產(chǎn)生及裂縫的發(fā)展。隨著加載級(jí)別的增大，結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)一步開展，所定義的檢測(cè)區(qū)段內(nèi)的裂縫指標(biāo)相應(yīng)增加。利用所定義的裂縫指標(biāo)可以準(zhǔn)確識(shí)別鋼筋混凝土段的裂縫的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。

2) 通過(guò)對(duì)比壓電片監(jiān)測(cè)結(jié)果及應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，即使在鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)整體仍處于線性階段時(shí)，基于壓電應(yīng)力波測(cè)量的方法也可有效監(jiān)測(cè)界面剝離狀況。