張佩雲(yún)，崔賢 （延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002）

0 前言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的更新與發(fā)展，纖維材料的成本不斷下降、質(zhì)量逐步提高以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱 FRP)耐腐蝕、疲勞性能好、比強(qiáng)度高和易施工等特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域受到了研究者們的青睞。但近年來(lái)研究者們對(duì)CFRP板加固鋼筋混凝土梁的研究主要集中靜力與疲勞荷載作用下的受力性能、結(jié)構(gòu)承受累積損傷的能力及加固方式對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響[1-3]等方面，對(duì)于疲勞破壞后試件的受力性能研究甚少。經(jīng)加固后服役年限過(guò)長(zhǎng)的大跨橋梁，在頻繁過(guò)車的疲勞荷載下作用下結(jié)構(gòu)損傷的不斷累積會(huì)降低結(jié)構(gòu)的極限承載能力，久而久之結(jié)構(gòu)的安全將會(huì)受到影響，而疲勞破壞后的結(jié)構(gòu)極限承載能力往往是頻繁過(guò)車橋梁安全的最后一道防線。

針對(duì)目前學(xué)界的研究現(xiàn)狀，本文對(duì)出現(xiàn)疲勞破壞特征的不同厚度CFRP板加固梁進(jìn)行了靜力荷載破壞試驗(yàn)，分析了局部疲勞破壞后外粘CFRP板加固試件梁靜力破壞模式和極限承載力的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為便宜對(duì)比，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根用材、配筋及尺寸完全相同鋼筋混凝土試驗(yàn)梁，試驗(yàn)梁尺寸為2000mm×200mm×300mm；縱筋均采用 Φ14的HRB400級(jí)鋼筋，箍筋為Φ8的HPB235級(jí)光圓鋼筋，試件尺寸及配筋詳見圖1；所有試件C40混凝土一次澆筑，定期灑水養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)所用CFRP板由海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司提供，產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度260MPa，彈性模量165GPa，極限延伸率大于1.7%；黏結(jié)劑為該公司生產(chǎn)的A型改性環(huán)氧樹脂，抗拉強(qiáng)度大于30MPa。三根試驗(yàn)梁分別采用厚度為1.4mm、2.0mm、3.0mmCFRP板材在圖2所示區(qū)域嚴(yán)格按照加固技術(shù)規(guī)范要求的工藝進(jìn)行粘貼加固，其余一根梁不做加固處理。

圖1 試件尺寸及配筋詳圖

圖2 加固區(qū)域示意圖

1.2 加載制度

試驗(yàn)梁兩端均為固定鉸支座，采用PWS-500電液伺服疲勞試驗(yàn)儀沿跨中寬度方向均勻加載。加載前進(jìn)行一次荷載幅為10kN的預(yù)加載，以確保各部件處于正常工作狀態(tài)，后疲勞加載制度參照文獻(xiàn)4，本次試驗(yàn)疲勞加載頻率為3Hz，加載峰值取未加固試驗(yàn)梁靜力破壞荷載的70%。待疲勞加載試件出現(xiàn)疲勞破壞特征后進(jìn)行靜力加載破壞試驗(yàn)，靜力加載制度為:位移控制至荷載達(dá)到1kN轉(zhuǎn)為試驗(yàn)力控制，持荷60s后進(jìn)行速率為0.15kN/s的靜力加載，至試驗(yàn)梁破壞為止。

1.3 測(cè)量?jī)x器布置

為了研究試驗(yàn)梁受力過(guò)程中的承載情況，在試驗(yàn)板跨中混凝土側(cè)面每隔75mm布置一個(gè)BX120-60AA應(yīng)變片；碳纖維板跨中及端部布置BX120-5AA應(yīng)變片，應(yīng)變采用DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；試驗(yàn)梁的跨中荷載撓度由作動(dòng)器頭內(nèi)置傳感器自動(dòng)采集。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

US系列為普通鋼筋混凝土梁，F(xiàn)SC系列為底部采用CFRP板加固梁。梁US0的靜力極限荷載為146.276kN，由此確定本次疲勞試驗(yàn)的加載幅值為100kN。由于本次試驗(yàn)的主要目的是研究不同厚度CFRP板加固梁局部疲勞損傷后的靜力性能，故對(duì)疲勞試驗(yàn)階段的數(shù)據(jù)未進(jìn)行詳細(xì)的記錄，試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果詳見下表。

主要試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，膠層加固處首先發(fā)生疲勞損傷，靜載破壞也在損傷破壞處發(fā)生。在相同加載工況下梁FSC2.0在循環(huán)63150次才出現(xiàn)CFRP板端部剝離的疲勞破壞特征，而粘貼相對(duì)該試驗(yàn)梁剛度過(guò)大3mm厚的碳纖維板材的加固梁FSC3.0卻因剛度不適導(dǎo)致粘貼截面過(guò)早分離的疲勞破壞。從裂紋發(fā)展高度，受拉鋼筋的應(yīng)變等方面也可以看出，加固梁的疲勞性能與CFRP板加固厚度不是呈線性關(guān)系，存在加固板材與原梁剛度匹配的問(wèn)題，并非粘貼CFRP板越厚越好。

局部疲勞破壞發(fā)生后，試件往往還可以繼續(xù)服役，但由于疲勞破壞特征隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致其發(fā)展成為整體的永久性損傷，結(jié)構(gòu)局部疲勞損傷后的極限承載能力成為了建筑安全服役的最后防線。試件靜力加載的主要破壞形態(tài)如圖3所示。梁US0為多點(diǎn)同時(shí)開裂后受壓區(qū)混凝土壓碎破壞，外粘CFRP板和膠層的填充減少了加固梁疲勞敏感源，抑制了裂紋萌生，從而呈現(xiàn)加固件的裂紋數(shù)量少于原梁的現(xiàn)象。梁底混凝土撕裂是較為理想的破壞模式，這時(shí)混凝土強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮，但由于梁端的剪力區(qū)未進(jìn)行更為有效的補(bǔ)強(qiáng)方式，CFRP板的強(qiáng)度未能充分利用，使得在CFRP板端部彎剪作用區(qū)附近出現(xiàn)了45。沿主拉應(yīng)力方向上的撕裂破壞[5]。值得注意的是梁FSC2.0由混凝土撕裂的疲勞破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)镃FRP板中部斷裂的靜載破壞模式，顯然混凝土撕裂減小了有效粘接長(zhǎng)度，不足以承受CFRP板斷裂所需的荷載，分析這是由于混凝土撕裂后結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，受壓區(qū)混凝土壓碎致使加載點(diǎn)偏移，CFRP板被剪斷所致。

圖3 梁細(xì)部破壞形態(tài)

圖4 靜力荷載撓度曲線

圖4為4根試驗(yàn)梁跨中的靜力荷載撓度曲線，由圖可知加固梁的極限破壞荷載普遍大于鋼筋混凝土原梁。梁FSC1.4與原梁相比，在彈性階段其剛度略大，屈服段較短，撓度降低，試件最終呈現(xiàn)脆性破壞。梁FSC2.0由于CFRP板與原梁剛度匹配性高，極限荷載顯著大于原梁，A點(diǎn)后CFRP板剝落導(dǎo)致試件承載力突然下降，部分CFRP板仍然參與工作使得其屈服段承載能力大于原鋼筋混凝土梁，最終因CFRP板完全退出工作使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布導(dǎo)致本已損傷的結(jié)構(gòu)荷載超限而提早破壞。FSC3.0由于外粘CFRP板剛度過(guò)大，膠層承載力不足而使CFRP板剝離過(guò)大而大大降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，B點(diǎn)后CFRP板完全剝離致使其與原梁承載力相當(dāng)，但由于疲勞損傷使得受拉鋼筋承載力不及原結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)最后的突然破壞。鋼筋混凝土原梁從C點(diǎn)開始進(jìn)入屈服階段，其耗能能力顯著大于局部疲勞破壞后的加固梁。

3 結(jié)論

①既有鋼筋混凝土梁底粘貼CFRP板可以抑制板底開裂，改變?cè)嚰旱钠茐男螒B(tài)。CFRP板粘貼厚度適當(dāng)時(shí)，試件的破壞可以由少筋轉(zhuǎn)變?yōu)檫m筋破壞。

②加固梁CFRP板端部為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，疲勞損傷及結(jié)構(gòu)靜力破壞常發(fā)生在該區(qū)域，且多在45°主拉應(yīng)力方向上，梁端的補(bǔ)強(qiáng)錨固方式值得深入研究。

③CFRP板加固可有效提高原鋼筋混凝土梁的抗彎剛度，疲勞破壞后的殘余剛度和承載力較原試件也略有增加。

④本試驗(yàn)工況下，混凝土梁底正截面粘貼2mm厚CFRP板加固梁損傷后靜力性能較好，安全性能更有保障。