何 俊，劉澤普，吳 濤

(長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

海洋環(huán)境中海水腐蝕鋼筋混凝土梁，其外側(cè)的鋼箍筋更早地銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的退化，嚴(yán)重威脅著結(jié)構(gòu)的服役安全和壽命[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料網(wǎng)格(以下簡(jiǎn)稱CFRP網(wǎng)格)是將碳纖維浸漬于耐腐蝕性良好的樹脂中形成的整體網(wǎng)格，它具有耐腐蝕性好、自重輕且整體性能較好的特點(diǎn)[2-6]。采用CFRP網(wǎng)格替代鋼箍筋，能有效地增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，提高服役壽命。因此，CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中將具有良好的應(yīng)用前景[7-8]。

目前，對(duì)CFRP網(wǎng)格材料性能及CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步。李彪等[2]對(duì)海水浸泡與應(yīng)力耦合作用下CFRP網(wǎng)格單肢拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明CFRP網(wǎng)格在海水浸泡與應(yīng)力耦合作用后，表面粗糙，顏色變深，破壞模式由拉斷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎哑茐摹：Ｋ?60 d后，應(yīng)力水平為0，0.3fu和0.6fu(fu為抗拉極限強(qiáng)度)的CFRP網(wǎng)格抗拉強(qiáng)度保留率分別為89.8%，87.7%和79.8%，彈性模量保留率分別為96.4%，95.0%和92.9%。張儒成等[9]通過12根梁式試件對(duì)CFRP網(wǎng)格與混凝土之間黏結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明增加埋置長(zhǎng)度會(huì)提高黏結(jié)剛度，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了CFRP網(wǎng)格混凝土錨固長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)建議：當(dāng)橫向網(wǎng)格間距不超過50 mm時(shí)，錨固長(zhǎng)度至少應(yīng)為3倍橫向網(wǎng)格間距或150 mm;橫向網(wǎng)格間距超過100 mm時(shí)，建議采用至少2倍橫向網(wǎng)格間距的錨固長(zhǎng)度。李賀[10]對(duì)8根CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響其受剪承載力的因素與普通鋼箍筋試件相同。試件受剪承載力隨剪跨比的增大而減小，隨配箍率的增加而增大。試件的破壞形態(tài)與普通鋼箍筋混凝土試件相同。當(dāng)剪跨比為1時(shí)試件發(fā)生斜壓破壞，當(dāng)剪跨比為2時(shí)試件發(fā)生剪壓破壞，當(dāng)剪跨比為3時(shí)試件發(fā)生斜拉破壞。CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁內(nèi)部發(fā)生破壞時(shí)，破壞位置一般發(fā)生在角部，其次在裂縫兩側(cè)混凝土發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)箍筋被剪斷。邱紅利等[11]對(duì)10根配置碳纖維復(fù)材網(wǎng)格箍筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)混凝土梁發(fā)生斜壓破壞時(shí)，箍筋發(fā)揮的貢獻(xiàn)有限，抗剪承載力與其關(guān)系較小;發(fā)生剪壓破壞時(shí)，配箍率越大，箍筋的網(wǎng)格尺寸越小，越能發(fā)揮出更高的強(qiáng)度，梁的抗剪承載力越高。

上述研究從CFRP網(wǎng)格材料性能到CFRP網(wǎng)格-混凝土的黏結(jié)性能，再到CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土梁的試件性能，均進(jìn)行了較為系統(tǒng)與全面的研究。但是在實(shí)際中，海工結(jié)構(gòu)一方面要受海水浸泡作用，另一方面還受持續(xù)荷載作用(自重等)。因此，研究持荷-海水浸泡耦合作用下配置CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土梁的耐久性能，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。目前尚未有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)持荷-海洋環(huán)境耦合作用下CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土的耐久性進(jìn)行研究。

本文首先研究持荷與90 d的海水浸泡耦合過程中配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的徐變性能，然后研究耦合之后混凝土梁的剪切性能。本文耐久性試驗(yàn)研究為CFRP網(wǎng)格箍筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在海洋工程中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，具有重要的科學(xué)與工程意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

表1 試件變量及編號(hào)Tab.1 Number and Variate of Specimens

1.2 材料性能

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。在澆筑試件的同時(shí)，制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體混凝土試塊，用于測(cè)試試件混凝土的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]，測(cè)得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為35.56 MPa。該試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成。

混凝土梁的縱向鋼筋均為直徑16 mm的HRB500級(jí)帶肋不銹鋼筋?？v向鋼筋采用不銹鋼筋的原因是防止其被海水腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土梁發(fā)生彎曲破壞。

CFRP網(wǎng)格由中冶建筑研究總院有限公司和南京諾爾泰復(fù)合材料設(shè)備制造有限公司共同研發(fā)和生產(chǎn)，網(wǎng)格的幾何尺寸由網(wǎng)格間距(包括橫向網(wǎng)格間距和縱向網(wǎng)格間距)、網(wǎng)格寬度、網(wǎng)格長(zhǎng)度和網(wǎng)格截面面積組成，如圖2(a)所示。CFRP網(wǎng)格實(shí)物圖見圖2(b)。本試驗(yàn)將網(wǎng)格裁剪為100 mm×200 mm的箍筋，如圖1中1-1截面所示。CFRP網(wǎng)格箍筋橫縱向網(wǎng)格間距為50 mm。網(wǎng)格寬度為2個(gè)橫向間距，即100 mm。網(wǎng)格高度為4個(gè)縱向間距，即200 mm。本試驗(yàn)采用的CFRP網(wǎng)格箍筋為“3+2”型，“3”代表主受力方向的縱向網(wǎng)格纖維板層數(shù)，“2”代表次受力方向的橫向網(wǎng)格纖維板層數(shù)，如圖2(b)所示。CFRP網(wǎng)格箍筋力學(xué)性能見表2。由于CFRP屬于線彈性材料，在設(shè)計(jì)中提供一定的安全儲(chǔ)備，保證結(jié)構(gòu)的安全，提出了有效強(qiáng)度的概念，它等于拉伸強(qiáng)度除以材料的分項(xiàng)系數(shù)。CFRP網(wǎng)格箍筋的有效強(qiáng)度為840 MPa。

表2 CFRP網(wǎng)格箍筋力學(xué)性能Tab.2 Mechanical Properties of CFRP Grid Stirrups

1.3 持荷-海水浸泡耦合裝置

持荷-海水浸泡耦合裝置由筆者團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)，通過方鋼管組裝而成，如圖3所示。裝置的設(shè)計(jì)包括3點(diǎn)：①裝置橫向?qū)挾萣由不銹鋼水槽寬度確定，不銹鋼水槽又由混凝土梁的寬度c確定，b≥c+50 mm；②裝置縱向長(zhǎng)度，它是由混凝土梁加載時(shí)的跨度決定，裝置縱向中心線長(zhǎng)度等于混凝土梁加載時(shí)的跨度，即1 500 mm，這使得加載時(shí)梁的反力直接傳遞到裝置上，避免不銹鋼水槽受彎；③裝置截面面積。裝置縱向跨度較大，受彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，將會(huì)影響裝置的正常使用。因此，本裝置截面設(shè)計(jì)的控制因素是裝置上端的橫梁。根據(jù)本試驗(yàn)所需的最大荷載，即48%Pu，采用3根方鋼管疊放，可滿足正常使用要求。

不銹鋼水槽放置在反力架下部，將混凝土梁放置在水槽里，并注入人工模擬的海水，實(shí)現(xiàn)海水浸泡環(huán)境。在浸泡的同時(shí)，通過千斤頂實(shí)現(xiàn)持荷。千斤頂一端支撐在力傳感器上，再通過力傳感器將荷載傳遞給反力架上部。力的傳感器能通過力顯示器實(shí)時(shí)顯示出力值。由于混凝土梁的徐變，會(huì)有一定程度的卸載，力值會(huì)有一定程度的降低。為了保證試驗(yàn)的精度，每天會(huì)調(diào)整千斤頂，確保荷載為預(yù)定的數(shù)值。千斤頂另一端支撐在分配梁上，再通過分配梁傳遞給混凝土梁。同時(shí)，在混凝土梁跨中安裝千分表，測(cè)量混凝土梁的徐變。

1.4 梁受剪性能試驗(yàn)加載裝置

在持荷-海水浸泡耦合環(huán)境作用下浸泡90 d后，對(duì)混凝土梁進(jìn)行剪切試驗(yàn)，確定混凝土梁性能的變化，進(jìn)而確定混凝土梁的短期耐久性能。

試驗(yàn)采用四點(diǎn)加載方式，剪跨400 mm，剪跨比2.05。應(yīng)變片布置在沿著加載點(diǎn)和支座連線與箍筋相交的位置，采用對(duì)稱貼片，測(cè)點(diǎn)布置如圖4(a)所示。安裝5個(gè)位移計(jì)，支座兩端各1個(gè)，加載點(diǎn)兩端各1個(gè)，混凝土梁跨中1個(gè)，見圖4(b)。

試驗(yàn)采用的加載設(shè)備為3 000 t伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，見圖4(c)。試驗(yàn)梁極限承載力為試驗(yàn)機(jī)量程的1%～2%，為提高測(cè)量精度，同時(shí)配備了100 t壓力傳感器。試驗(yàn)中荷載的取值均來自于壓力傳感器。

在正式加載前首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，檢查試驗(yàn)儀器是否正常，檢查試件安裝是否正常。正式加載階段采用分級(jí)加載制度，開始采用力控制的加載方式，以10 kN為一級(jí)進(jìn)行加載，每級(jí)加載至指定荷載后持荷3 min，以便試驗(yàn)梁能夠充分受力，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 徐變性能

B-3，B-4梁的不同在于B-3持荷為24%Pu，而B-4持荷為48%Pu。在荷載-海水浸泡作用下90 d，梁將會(huì)產(chǎn)生徐變。通過千分表讀數(shù)獲得B-3，B-4梁的徐變曲線，見圖5。由于B-3，B-4梁的荷載不同，初始撓度不同。百分表的讀數(shù)是從初始撓度完成后開始計(jì)數(shù)，即2根梁跨中撓度都是從0開始。

從圖5可以看到，B-3梁從開始加載到7 d左右跨中撓度隨著時(shí)間迅速增長(zhǎng)。7 d之后，撓度隨時(shí)間繼續(xù)增大，但是增長(zhǎng)率逐漸變緩。加載至21 d左右時(shí)，增長(zhǎng)率趨于0，撓度不再隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，恒定在0.25 mm；B-4梁從加載開始到7 d左右跨中撓度隨著時(shí)間迅速增長(zhǎng)。7 d之后到45 d左右撓度隨時(shí)間逐漸增大。加載至45 d之后，撓度不再隨時(shí)間增長(zhǎng)，恒定在0.266 mm。這表明荷載-海水浸泡耦合作用下配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁剛度隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低，引起梁撓度增大?；炷亮簞偠冉档偷闹饕蚴鞘軌簠^(qū)混凝土的收縮徐變、受拉區(qū)混凝土與CFRP網(wǎng)格箍筋之間的黏結(jié)-滑移及CFRP網(wǎng)格箍筋徐變等[13-16]。

比較B-3，B-4梁發(fā)現(xiàn)，在不同持荷水平下，荷載-撓度曲線的走勢(shì)幾乎完全一致。這表明持荷水平不影響徐變函數(shù)形狀。區(qū)別在于，持荷24%Pu的B-3梁撓度在21 d達(dá)到穩(wěn)定，且撓度值為0.25 mm；持荷48%Pu的B-4梁撓度在45 d達(dá)到穩(wěn)定，且撓度值為0.266 mm。這表明持荷水平越高，撓度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越晚，撓度值越大。

2.2 剪切試驗(yàn)破壞過程

B-1梁為對(duì)比梁，內(nèi)部配置CFRP網(wǎng)格箍筋，未被海水浸泡也未持荷。當(dāng)荷載加載至105 kN時(shí)，純彎段開始開裂，產(chǎn)生2，3條的細(xì)微裂縫，裂縫與試件底面垂直。繼續(xù)加載，純彎段處裂縫數(shù)量逐漸增多，并垂直試件底面不斷向上發(fā)展，裂縫寬度逐漸增大；加載至140 kN時(shí)，剪彎段開始出現(xiàn)垂直裂縫；加載至175 kN時(shí)，剪彎段開始出現(xiàn)腹剪斜裂縫，裂縫位于加載點(diǎn)至支座連線方向的中部；繼續(xù)加載，裂縫向加載點(diǎn)與支座兩邊逐漸延伸。斜裂縫寬度逐漸增大，形成主裂縫，主裂縫周圍形成較多細(xì)小裂縫；當(dāng)荷載接近極限承載力時(shí)，試件中產(chǎn)生微弱的CFRP網(wǎng)格脆裂的聲音；荷載增加至262 kN時(shí)，試件砰的一聲發(fā)生脆性破壞。試件斜裂縫突然增大，混凝土整體開裂并部分脫落，形成寬大裂縫區(qū)，見圖6(a)。經(jīng)上述分析可知，配置CFRP網(wǎng)格箍筋的混凝土梁呈現(xiàn)的是剪壓破壞。撥開混凝土，發(fā)現(xiàn)破壞時(shí)CFRP網(wǎng)格并未斷裂，而是在縱橫交叉的節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了較大的滑移，見圖6(b)。

B-2梁內(nèi)部配置CFRP網(wǎng)格箍筋，海水腐蝕浸泡90 d，未持荷。加載至85 kN時(shí)，純彎段開裂，加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試件底部產(chǎn)生2，3條裂縫，裂縫與試件底面垂直；繼續(xù)加載至105 kN時(shí)，純彎段裂縫數(shù)量逐漸增多，并垂直試件底面不斷向上延伸，裂縫寬度逐漸增大，同時(shí)剪彎段出現(xiàn)3，4條細(xì)小裂縫，在試件底部幾乎與試件軸向垂直；加載至165 kN時(shí)，剪彎段出現(xiàn)腹剪斜裂縫，裂縫位于加載點(diǎn)至支座連線方向的中部，且裂縫隨著加載從連線中部向連線兩邊逐漸延伸；荷載增加至287 kN時(shí)，試件砰的一聲破壞，試件斜裂縫突然增大，混凝土整體開裂并未脫落，形成寬大裂縫區(qū)。試件呈剪壓破壞，見圖7。

B-3梁為海水腐蝕浸泡90 d且持荷24%Pu。加載至95 kN時(shí)，純彎段開裂，加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試件底部產(chǎn)生2，3條細(xì)小的裂縫，裂縫與試件底面垂直；加載至150 kN時(shí)，純彎段裂縫數(shù)量逐漸增多，垂直試件底面不斷向上延伸，裂縫寬度逐漸增大，同時(shí)剪彎段出現(xiàn)3，4條細(xì)小裂縫，在試件底部幾乎與試件軸向垂直；加載至235 kN時(shí)，剪彎段出現(xiàn)腹剪斜裂縫，裂縫位于加載點(diǎn)至支座連線方向的中部，且裂縫隨著加載從連線中部向連線兩邊逐漸延伸；繼續(xù)加載，剪彎段裂縫不斷變寬，主裂縫角度約為45°，并且主裂縫周圍細(xì)小裂縫增多，裂縫寬度變寬。荷載增加至324 kN時(shí)，試件砰的一聲破壞，試件斜裂縫突然增大，混凝土整體開裂并未脫落，形成寬大裂縫區(qū)。試件破壞呈剪壓破壞，見圖8。

B-4梁為海水腐蝕浸泡90 d并持荷48%Pu。加載至135 kN時(shí)，純彎段開裂，加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試件底部產(chǎn)生2，3條細(xì)小的裂縫，裂縫與試件底面垂直；繼續(xù)加載至150 kN時(shí)，純彎段裂縫數(shù)量逐漸增多，垂直試件底面不斷向上延伸，裂縫寬度逐漸增大，同時(shí)剪彎段出現(xiàn)3，4條細(xì)小裂縫，在試件底部幾乎與試件軸向垂直；加載至165 kN時(shí)，剪彎段出現(xiàn)腹剪斜裂縫，裂縫位于加載點(diǎn)至支座連線方向的中部，且裂縫隨著加載從連線中部向連線兩邊逐漸延伸。荷載增加至325 kN時(shí)，試件砰的一聲破壞，試件斜裂縫突然增大，混凝土整體開裂并未脫落，形成寬大裂縫區(qū)。試件破壞模式為剪壓破壞，如圖9所示。

通過上述分析可得到3個(gè)規(guī)律：

(1)4根梁破壞過程基本一致，首先是在純彎段出現(xiàn)由彎曲產(chǎn)生垂直裂縫，其次在彎剪段產(chǎn)生垂直裂縫，然后在加載點(diǎn)與支座連線的中心產(chǎn)生斜裂縫，斜裂縫分別向加載點(diǎn)與支座延伸，最后形成貫穿斜裂縫試件破壞。

(2)4根梁破壞模式均為剪壓破壞。這是由于4根梁的剪跨比均為2.05。

(3)4根梁破壞時(shí)均為脆性破壞，達(dá)到極限荷載前并未有任何預(yù)兆。

因此，海水浸泡與荷載的作用不影響配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁斜截面的破壞過程與破壞模式。

2.3 極限承載力分析

通過100 t壓力傳感器的讀數(shù)可以得到B-1～B-4梁的極限承載力，見表3。

表3 試件極限承載力Tab.3 Ultimate Bearing Capacity of Specimen

B-1與B-2混凝土梁均未持荷，區(qū)別在于B-1未經(jīng)過海水浸泡，而B-2經(jīng)過海水浸泡90 d。比較兩者極限承載力發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過90 d海水浸泡后，極限承載力提高了10%。這是由于混凝土短期浸泡在海水中，水化作用得到了進(jìn)一步發(fā)展，提高了混凝土抗壓強(qiáng)度[17-20]。

B-2，B-3與B-4混凝土梁均經(jīng)過90 d海水浸泡，區(qū)別在于持荷水平不一致，B-2持荷0，B-3持荷24%Pu，B-4持荷48%Pu。比較B-2與B-3發(fā)現(xiàn)，持荷的混凝土梁(B-3)比未持荷(B-2)的極限承載力高12.6%。這是由于持荷能提高CFRP網(wǎng)格箍筋的彈性模量，進(jìn)而提高CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的抗剪承載力。比較B-3與B-4發(fā)現(xiàn)，持荷水平高(B-4)的混凝土梁極限承載力與持荷水平低(B-3)的混凝土梁極限承載力基本一致。

2.4 荷載-跨中撓度關(guān)系

根據(jù)壓力傳感器與位移計(jì)的讀數(shù)，可獲得4根配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的荷載-跨中撓度曲線，如圖10所示?？梢钥吹?，CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線大致可以分為3個(gè)階段：①高剛度線性階段，從加載開始到垂直裂縫開展之前，跨中撓度隨著荷載的增大呈線性增大，CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁在開裂之前基本上處于彈性工作狀態(tài)，因此其荷載-跨中撓度關(guān)系在此階段呈線性發(fā)展趨勢(shì)；②低剛度線性階段，在開裂荷載附近，有明顯的斜率變化，因此將開裂荷載作為第二階段的開始，可以看到在該階段，其斜率小于第一階段斜率(初始剛度)，跨中撓度仍隨荷載呈線性增長(zhǎng)，故稱為低剛度線性階段，這是由于混凝土梁開裂后，部分混凝土退出工作，混凝土梁的剛度降低；③下降階段，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，CFRP網(wǎng)格箍筋未拉斷，受壓區(qū)混凝土逐漸被壓碎，直至CFRP網(wǎng)格箍筋節(jié)點(diǎn)處發(fā)生較大滑移破壞，混凝土梁不再承受荷載，CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁具有較大的下降段。

比較B-1與B-2可以發(fā)現(xiàn)，B-1與B-2的初始剛度基本一致。這表明海水浸泡90 d不影響配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的初始剛度。

比較B-2，B-3與B-4可以發(fā)現(xiàn)，B-4的初始剛度最大，B-3次之，B-2初始剛度最小。這表明持荷等級(jí)對(duì)配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土的初始剛度有較大影響。隨著持荷等級(jí)的增大，混凝土梁的初始剛度變大。這是由于持荷作用時(shí)，混凝土發(fā)生收縮徐變，使得混凝土內(nèi)部更加緊密，單位荷載作用時(shí)混凝土梁的變形減小，即初始剛度變大。

3 結(jié) 語

(1)在不同持載水平下，荷載-跨中撓度曲線的走勢(shì)幾乎完全一致。持荷24%Pu的B-3梁撓度在21 d達(dá)到穩(wěn)定，且撓度值為0.25 mm；持荷48%Pu的B-4梁撓度在45 d達(dá)到穩(wěn)定，且撓度值為0.266 mm。這表明持荷水平越高，撓度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越晚，撓度值越大。

(2)剪跨比λ=2.05時(shí)，配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁的破壞模式均為剪壓破壞。海水浸泡與持荷不改變其破壞模式。

(3)經(jīng)過90 d海水浸泡后，配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁極限承載力提高了10%。持荷的混凝土梁比未持荷的極限承載力高12.6%。持荷水平的高低不影響混凝土梁的極限承載力。

(4)海水浸泡不影響配置CFRP網(wǎng)格箍筋混凝土梁初始剛度，但是隨著持荷等級(jí)的增大，混凝土梁的初始剛度增大。