吳雨佼， 朱萬旭 ， 黃宗寧， 李明霞

(1. 桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室， 廣西 桂林 541004)

碳纖維增強復合材料作為新型材料，具有材質(zhì)輕薄、耐腐蝕、抗疲勞和施工方便等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應(yīng)用[1-3].預應(yīng)力碳纖維板加固法利用碳纖維板材良好的抗拉能力提高鋼筋混凝土(RC)梁的開裂荷載，以及顯著提高梁的極限荷載[4-7].尚守平等[8]利用預應(yīng)力碳纖維板對H型RC梁加固，通過觀測錨具滑移量和應(yīng)變值評估加固效果.張建仁等[9]考慮材料性能、幾何參數(shù)和計算模式的不確定性，建立碳纖維板加固前、后RC橋梁抗力的時變模型，發(fā)現(xiàn)汽車活載對可靠度指標的影響最大.Reed等[10]采用碳纖維板加固RC橋梁，通過彎曲與剪切試驗評估碳纖維板對梁的加固效果.目前，對碳纖維板加固RC梁的評估方法較為傳統(tǒng).第一種方法是對混凝土梁進行抗彎試驗，通過應(yīng)變值及撓度曲線評定加固效果.第二種方法是通過人工巡檢宏觀判定混凝土梁工作狀態(tài).兩種方法對人力、物力的消耗較大，因此，需構(gòu)建新型系統(tǒng)對損傷結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測.在進行結(jié)構(gòu)損傷識別時，由于固有頻率具有獲取容易、識別精度高的特點被廣泛采用[11-13].張東利等[14]采用固有頻率診斷懸臂梁損傷，發(fā)現(xiàn)RC構(gòu)件損傷與共振頻率相關(guān).

因此，本文基于預應(yīng)力碳纖維板加固梁，利用光纖光柵靈敏度高的特點[15-16]，在碳纖維板與鋼筋內(nèi)部布置光纖光柵傳感器，通過對損傷結(jié)構(gòu)振動頻率的動態(tài)監(jiān)測構(gòu)建新型監(jiān)測系統(tǒng).

1 試驗方案

1.1 試驗梁設(shè)計

試驗所用的4根鋼筋混凝土梁(對比梁L-1為未經(jīng)加固的鋼筋混凝土梁，試驗梁L-2，L-3，L-4為經(jīng)加固的鋼筋混凝土梁)采用統(tǒng)一尺寸和配筋，鋼筋混凝土梁尺寸為250 mm×400 mm×4 200 mm；凈跨L=4 000 mm；混凝土標號為C40；試件配筋的底部設(shè)置2根HRB335型受拉縱筋，受拉縱筋為Φ20；上部受壓區(qū)設(shè)置2根HPB300型架立筋，架立筋為Φ10；配置箍筋分布整根梁，整根梁為Φ10@120 mm；混凝土保護層厚度為25 mm.光纖光柵測點布置示意圖，如圖1所示.

圖1 光纖光柵測點布置示意圖(單位：mm)Fig.1 Layout schematic of measuring points for fiber bragg grating (unit: mm)

1.2 抗彎與人工激勵試驗

抗彎試驗加載有如下3個過程：1) 初始無荷載狀態(tài)下人工激勵；2) 預加載至 20 kN，檢查各儀器是否正常；3) 正式加載至10 kN，卸載至0，并進行人工激勵試驗，再加載至20 kN，卸載至0，并進行人工激勵試驗.試驗時，將對比梁L-1壓至破壞，其開裂荷載為46 kN[17].試驗梁L-2，L-3，L-4加載至60 kN，上部混凝土未被破壞，在RC梁跨中純彎段下部出現(xiàn)裂縫，通過裂縫測量儀讀取的下部裂縫寬度為 0.02 mm，此時，RC梁達到受損狀態(tài).對RC梁進行預應(yīng)力碳纖維板加固，并進行抗彎實驗，直到將RC梁壓至破壞.RC梁激勵區(qū)示意圖，如圖2所示.

圖2 RC梁激勵區(qū)示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of RC beam excitation area (unit: mm)

圖2中:RC梁均分為10個激勵區(qū)，V1～V10分別代表1～10號激勵區(qū).在激勵區(qū)內(nèi)用擊錘對RC梁頂部進行10次人工激勵，光纖光柵解調(diào)儀記錄各光柵中心的波長值，并計算應(yīng)變，繪制振動波形圖.實驗數(shù)據(jù)運用Matlab軟件進行傅里葉變換，繪制幅頻圖，計算共振頻率.

1.3 RC梁加固方案

碳纖維板的凹槽長為1 200 mm，寬為0.4 mm，深為0.4 mm，如圖3所示.為保護柵區(qū)間的傳導光纖，傳導光纖外套毛細塑料管，并將其用膠水粘在凹槽內(nèi)，以保證碳纖維板安裝過程中光纖光柵的存活.碳纖維板應(yīng)變片與光纖光柵測點布置圖，如圖4所示.

圖3 碳纖維板的凹槽Fig.3 Groove of carbon fiber board

圖4 碳纖維板應(yīng)變片與光纖光柵測點布置圖(單位：mm)Fig.4 Layout diagram of carbon fiber board strain gauge and fiber grating bragg measuring points (unit: mm)

內(nèi)嵌光纖光柵的碳纖維板加固受損梁有如下5個步驟：1) 清理梁底部，并用酒精擦拭，除去浮塵，在受損的梁底部放線，標記固定支承座的化學螺桿的孔位和固定壓條的膨脹螺絲的孔位，如果孔位與裂縫位置沖突，需要適當調(diào)整，打孔并植入化學螺桿和膨脹螺絲；2) 依據(jù)放線的結(jié)果，切割并錨固碳纖維板，待化學螺桿的粘結(jié)劑凝固以后，放置支承座并固定，并將錨固后的碳纖維板卡在支承座上；3) 在碳纖維板和梁底之間填充碳板膠，確保沒有空洞之后，在碳板上固定壓條，將碳纖維板壓向梁底部，清理多余的碳板膠；4) 為碳纖維板施加預應(yīng)力，采用分級加載至146 kN，加載完成后持荷5 min，擰緊螺栓保預應(yīng)力，撤去傳感器和千斤頂?shù)仍O(shè)備；5) 待碳板膠凝固以后，對RC梁再次進行激勵試驗，記錄加固后受損梁的共振頻率.碳纖維板加固的RC梁，如圖5所示.

圖5 碳纖維板加固的RC梁Fig.5 RC beam of carbon fiber board

2 RC梁加固前狀態(tài)評估

為驗證內(nèi)嵌光纖光柵的RC梁共振頻率的準確性，對未承受荷載下的RC梁進行人工激勵試驗，并將結(jié)果導入Matlab軟件，可得RC梁初始共振頻率約為37.53 Hz.幅頻圖，如圖6所示.圖6中：f1為一階共振頻率；A為振幅.

圖6 幅頻圖Fig.6 Amplitude frequency diagram

各階共振頻率的計算式為

(1)

式(1)中：L為梁長度；n=1，2，3，…；EI為抗彎剛度；AS為鋼筋橫截面積；ρS為鋼筋的密度；ρC為混凝土的密度.

試驗梁橫向振動一階固有頻率理論計算值為36.167 Hz，與實際監(jiān)測結(jié)果基本一致，說明內(nèi)嵌光纖光柵能有效、準確測出RC梁的共振頻率值.

圖7 RC梁共振頻率隨荷載變化規(guī)律Fig.7 Variation law of RC beam′ resonance frequency with load

試驗梁共振頻率隨荷載變化規(guī)律，如圖7所示.圖7中：F為荷載.由圖7可知：當荷載為120 kN時，對比梁L-1破壞；當荷載為60 kN時，試驗梁L-2，L-3和L-4達到受損狀態(tài)；當荷載為0～30 kN時，RC梁共振頻率保持穩(wěn)定在38 Hz；當荷載為40 kN時，梁共振頻率開始下降到35 Hz；對比梁L-1隨著荷載持續(xù)加大裂縫不斷發(fā)展，梁共振頻率從受損狀態(tài)下30.5 Hz降到完全破壞27.4Hz；當荷載為60 kN時，RC梁共振頻率下降幅度大約為17%.內(nèi)嵌光纖光柵鋼筋可對RC梁共振頻率實時監(jiān)測，且無中斷、失效的情況發(fā)生.

3 RC梁加固后狀態(tài)評估

對比梁L-1及試驗梁L-2，L-3，L-4在加載過程中均達到了極限荷載，發(fā)生彎曲破壞.

對比梁L-1在加載至40 kN時，跨中純彎段有細微裂縫；加載至60 kN時，裂縫寬度為 0.02 mm；加載至100 kN時鋼筋屈服，主裂縫開始大幅擴展，受彎段的多條裂縫均向上延伸，在最終破壞前，構(gòu)件撓度大幅增長，不久受壓區(qū)混凝土被壓碎，極限荷載為136 kN，對比梁L-1的破壞形態(tài)，如圖8所示.

試驗梁L-2的破壞形態(tài)，如圖9所示.試驗梁L-2加載至60 kN時混凝土開裂，加載至220 kN時鋼筋達到屈服階段；繼續(xù)加載，受壓區(qū)混凝土被壓壞，導致梁破壞，極限荷載為258 kN，碳纖維板發(fā)生部分斷絲，且碳纖維板與混凝土之間出現(xiàn)部分剝離.試驗梁L-3和L-4的破壞形態(tài)與試驗梁L-2基本一致.

圖8 對比梁L-1的破壞形態(tài) 圖9 試驗梁L-2的破壞形態(tài)Fig.8 Destruction pattern of contrast beam L-1 Fig.9 Destruction pattern of test beam L-2

共振頻率監(jiān)測結(jié)果，如表1所示.表1中：η為共振頻率的提升率.

表1 共振頻率監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Summary of resonance frequency monitoring results

由表1可知：試驗梁L-2，L-3，L-4經(jīng)過預應(yīng)力碳纖維板加固后，共振頻率提升了約28%；內(nèi)嵌光纖光柵碳纖維板與內(nèi)嵌光纖光柵鋼筋在監(jiān)測梁共振頻率的結(jié)果上基本一致.

3.1 鋼筋應(yīng)變

RC梁鋼筋跨中荷載-應(yīng)變曲線，如圖10所示.由圖10可知：對比梁L-1的極限承載力為136 kN，鋼筋曲線應(yīng)變值增長較快；試驗梁L-2，L-3，L-4的極限承載力得到極大的提高，破壞荷載約為260 kN；試驗梁L-2，L-3，L-4的下部拉力由鋼筋和碳纖維板共同承擔，與對比梁L-1相比較，試驗梁L-2，L-3和L-4的應(yīng)變增大較緩慢.

圖10 RC梁鋼筋跨中荷載-應(yīng)變曲線Fig.10 Load-strain curves of steel bars in RC beams during mid-span

3.2 碳纖維板應(yīng)變

試驗梁鋼筋與碳纖維板跨中荷載-應(yīng)變(ε)曲線，如圖11所示.由圖11可知：隨著荷載的增加，鋼筋與碳纖維板監(jiān)測到的應(yīng)變也隨之均勻增加，說明光纖光柵傳感器可對鋼筋與碳纖維板應(yīng)變進行實時準確的監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果良好.

試驗梁碳纖維板跨中荷載-應(yīng)變曲線，如圖12所示.由圖12可知：光纖光柵和應(yīng)變片監(jiān)測結(jié)果基本一致，應(yīng)變片并沒有呈現(xiàn)出較好的線性，且隨著荷載的增大，所測應(yīng)變值波動大.

圖11 試驗梁鋼筋與碳纖維板跨中荷載-應(yīng)變曲線 圖12 試驗梁碳纖維板跨中荷載-應(yīng)變曲線Fig.11 Load-strain curves of steel bars and carbon Fig.12 Load-strain curves of CFRP plates fibre board in test beams during mid-span in test beams at mid-span

3.3 共振頻率

不同激振位置的共振頻率變化，如圖13所示.圖13中：V1，V4，V7，V10對應(yīng)圖2的布置點.由圖13可知：隨著荷載對不同位置人工激勵逐漸增大，所監(jiān)測梁共振頻率變化曲線基本一致.

當采用預應(yīng)力碳纖維板加固受損RC梁時，各梁共振頻率增加28%左右，預應(yīng)力碳纖維板不僅提升受損RC梁的強度，同時也提升受損梁的共振頻率.試驗梁的共振頻率變化趨勢，如圖14所示.由圖14可知：共振頻率有兩個下降段，第一段發(fā)生在荷載為20 kN時，由于RC梁在受損情況下加固，梁內(nèi)存在損傷，故在加載初期損傷增大，共振頻率出現(xiàn)較小幅度下降；第二段發(fā)生在荷載70 kN時，RC梁再次開裂，微小裂縫寬度增加，梁共振頻率下降約40%，此后，梁共振頻率值波動較?。唤?jīng)預應(yīng)力碳纖維板加固后，各受損RC梁的極限承載能力得到提升.

圖13 不同激振位置的共振頻率變化 圖14 試驗梁的共振頻率變化趨勢 Fig.13 Variation of resonance frequency at Fig.14 Trend of resonance frequency of different excitation locations test beam

未加固各梁隨著荷載增加出現(xiàn)共振頻率急劇下降點(圖7)，將其作為RC梁受損狀態(tài)點.在橋梁工程中，當發(fā)現(xiàn)混凝土梁處于受損狀態(tài)時，初期產(chǎn)生的微裂縫應(yīng)及早修補，若RC梁表面可觀察到寬度較大的裂縫，應(yīng)根據(jù)情況制定加固方案.預應(yīng)力碳纖維板加固受損RC梁，RC梁共振頻率上升了28%左右，說明共振頻率變化曲線能反應(yīng)加固效果.加固后的受損RC梁抗彎試驗說明，隨著荷載的加大，RC梁會再次出現(xiàn)共振頻率下降的情況，這時應(yīng)及時檢查梁受損情況，并進行進一步加固.

4 結(jié)論

1) 抗彎試驗中，隨著荷載的增加，RC梁共振頻率也隨之變化，其中，共振頻率突變點可作為RC梁受損狀態(tài)點.對于不同的激勵位置，其共振頻率曲線基本一致.

2) 經(jīng)過預應(yīng)力碳纖維板加固后，RC梁的承載能力得到提升，共振頻率提升28%左右，布置在碳纖維板與鋼筋內(nèi)部的光纖光柵傳感器的共振頻率監(jiān)測值基本一致.

3) 光纖光柵傳感器監(jiān)測結(jié)果中，碳纖維板及鋼筋應(yīng)變之間為線性相關(guān)，表明光纖光柵傳感器可對鋼筋與碳纖維板應(yīng)變進行實時準確的監(jiān)測，監(jiān)測效果良好.