張佩雲(yún) 崔賢

摘要：為研究鋼筋混凝土梁（簡(jiǎn)稱：RC梁）粘貼不同寬度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板材（CFRP）的疲勞性能，對(duì)3根粘貼CFRP板的RC梁進(jìn)行應(yīng)力比為0.7、頻率為3Hz的等幅疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：CFRP板加固寬度的增加能夠降低構(gòu)件的疲勞損傷累積，延長(zhǎng)加固件的疲勞壽命;加固梁出現(xiàn)疲勞破壞特征后仍具有較高的承載能力和較大的殘余剛度，表現(xiàn)出了良好的疲勞性能;隨著加固寬度的增加，CFRP板與混凝土的剝離位置從端部向跨中移動(dòng);外粘CFRP板加固混凝土梁的最優(yōu)寬度比為0.4。

Abstract： In order to study the fatigue behavior of reinforced concrete beams bonded with carbon fiber reinforced composite plates （CFRP） of different widths， the constant-amplitude fatigue experiments with stress ratio of 0.7 and frequency of 3Hz was carried out on three RC beams pasted with CFRP plates. The test results show that the increase of CFRP plate width can reduce the fatigue damage accumulation and prolong the fatigue life-span;the strengthening beams still have high bearing capacity and large residual stiffness after fatigue failure， and show good fatigue performance;with the increase of the reinforcement width， the stripping position of CFRP plate and concrete moves from the end to the midspan;the optimal width ratio of CFRP plate is 0.4.

關(guān)鍵詞：CFRP板;疲勞試驗(yàn);最優(yōu)寬度比

Key words： CFRP plate;fatigue testing;optimum width ratio

中圖分類號(hào)：TU375.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）18-0274-03

0? 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP）因其優(yōu)異的耐久性、施工性和抗疲勞性能在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用越來越普遍。CFRP板材的加固量是影響加固件力學(xué)性能的重要影響因素，而目前學(xué)界對(duì)這方面的研究甚少，在一定程度上限制了實(shí)際工程的應(yīng)用。

為了研究CFRP板加固寬度對(duì)加固后RC梁的疲勞性能的影響，本文從目前流行的外粘碳板加固法入手，通過與普通鋼筋混凝土梁的對(duì)比試驗(yàn)，從加固后梁的剛度變化、疲勞壽命和材料應(yīng)變等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)略分析，得出CFRP板材加固件的最佳寬度比。該研究成果可為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1? 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4根幾何參數(shù)完全相同的鋼筋混凝土梁。試驗(yàn)梁的橫截面尺寸為200mm×300mm，總長(zhǎng)2000mm，凈跨1600mm，受拉和受壓區(qū)鋼筋均采用Φ14的HRB400級(jí)鋼筋，箍筋為Φ8的HPB235級(jí)光圓鋼筋，試件尺寸及配筋詳圖如圖1所示。BW-0為未加固的鋼筋混凝土梁，其余三根試驗(yàn)梁加固區(qū)域分布見圖2。

澆筑采用C40混凝土，質(zhì)量配合比為0.43：1：1.97：2.13，同時(shí)預(yù)留的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊經(jīng)養(yǎng)護(hù)28d后實(shí)測(cè)強(qiáng)度為53MPa。試驗(yàn)所用粘接劑為安捷復(fù)材公司的A型改性環(huán)氧樹脂，其抗拉強(qiáng)度大于30MPa。

1.2 加固工藝

1）鑿除梁底的蜂窩、剝落等缺陷，角磨機(jī)去除砼表面污物，用酒精清洗干凈，風(fēng)干后膠帶密封施工區(qū)域;2）細(xì)砂紙輕微打磨CFRP板的粘貼面以刮去表層樹脂，后用丙酮清洗碳板表面;3）在板材上涂1-2mm厚的粘貼劑（板材中心區(qū)為3mm），呈凸起狀;4）將板材放置在砼面上，用滾筒均勻施加足夠的壓力，使粘結(jié)劑從兩邊溢，保證密實(shí)無空洞，施工時(shí)必須保證板材和砼面有2mm的粘貼厚度;5）重物壓在碳板表面，待膠層基本固化后，移除覆蓋物并清理多余結(jié)構(gòu)膠。

1.3 加載與量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)在量程為500kN的PWS-500液壓伺服疲勞試驗(yàn)儀上進(jìn)行，采用兩端固定、跨中集中加載方式。試驗(yàn)靜力加載先用位移控制找到試驗(yàn)零點(diǎn)，后力控制進(jìn)行速率為0.15kN/s的靜力加載破壞試驗(yàn);由文獻(xiàn)[1]得知疲勞加載頻率與試件自振頻率相近時(shí)將會(huì)發(fā)生發(fā)生共振現(xiàn)象，自振頻率在10Hz以上的梁BW-40、BW-60、BW-100進(jìn)行圖3所示3Hz的等幅疲勞加載試驗(yàn)，疲勞荷載模式采用正弦波、上限取梁BW-0靜力破壞荷載的70%、下限取上限荷載的10%，當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)分別達(dá)到100、500、1000、5000、10000、50000次時(shí)進(jìn)行一個(gè)循環(huán)剛度測(cè)試的靜載試驗(yàn)?？缰袚隙取⒑奢d由作動(dòng)器上的傳感器自動(dòng)收集，鋼筋、CFRP板及混凝土變形率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集，并在試驗(yàn)過程中對(duì)裂紋情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)主要測(cè)試結(jié)果詳見表1。梁BW-0開裂荷載34kN、屈服荷載為110kN，試件從主裂紋處斷裂，以146.28kN作為疲勞試驗(yàn)加載幅值取值依據(jù)，確定本次疲勞加載幅為10～100kN。

試件經(jīng)疲勞荷載作用后，典型的疲勞破壞模式如圖4所示。梁BW-40、BW-60、BW-100在第一次加載到疲勞上限荷載時(shí)裂紋尖端分別發(fā)展至距梁底280mm、194mm、176mm處，可見加固寬度增加能夠一定程度地限制了裂紋的延伸，并發(fā)現(xiàn)CFRP板的粘貼和膠層減少了梁下表面的疲勞敏感源，從源頭處減少了裂紋數(shù)量。當(dāng)缺陷處的應(yīng)力到達(dá)一定水平，初始裂紋就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)張進(jìn)入裂穩(wěn)定擴(kuò)展階段，逐步產(chǎn)生永久性的局部累積損傷[2]，后呈左右對(duì)稱式擴(kuò)展，延伸到整個(gè)梁高，直至構(gòu)件疲勞破壞。試驗(yàn)梁疲勞損傷累積過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)移的過程，疲勞荷載作用試件下不斷從加載裝置吸收能量，當(dāng)構(gòu)件自身儲(chǔ)存的能量值超過其局部薄弱部位破壞時(shí)的臨界值，即發(fā)生局部的疲勞破壞。

試件梁出現(xiàn)局部疲勞破壞特征后進(jìn)行靜力加載破壞試驗(yàn)，通過靜載破壞試驗(yàn)了解加固梁疲勞損傷后的靜力性能。經(jīng)疲勞荷載作用后，試件靜載受彎破壞形式均為CFRP板與混凝土梁體剝離后鋼筋拉斷。這是在疲勞荷載作用下，膠層產(chǎn)生的損傷逐步累積的結(jié)果，雖然在低應(yīng)力狀態(tài)下可以正常工作，但隨荷載的增大，鋼筋屈服、、裂縫延伸和試件變形增加，損傷后膠層粘結(jié)力不足，致使CFRP板剝離后梁體拉剪破壞。

圖5為3根加固梁CFRP板端部應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖可知各曲線有明顯的3個(gè)發(fā)展階段，分別對(duì)應(yīng)于試件梁的彈性階段、開裂和屈服階段。疲勞加載初期加固梁的拉力主要由粘貼于試件底部的CFRP板承擔(dān)，CFRP板端部應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快;循環(huán)加載至1000～20000次左右受拉鋼筋逐步參與工作，CFRP板端部應(yīng)變處于平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài);待鋼筋屈服后，CFRP板因單獨(dú)抗拉，應(yīng)變出現(xiàn)大幅地增加。同時(shí)由表1中應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在梁底受拉區(qū)粘貼CFRP片材可以有效降低主筋上的應(yīng)力水平，進(jìn)而延緩試件局部疲勞破壞發(fā)生。

試件出現(xiàn)局部疲勞破壞不是其喪失使用價(jià)值的標(biāo)志，疲勞破壞后的殘余強(qiáng)度往往是安全的保證。對(duì)比各試件靜力破壞的荷載-撓度曲線圖6可以看出，低應(yīng)力狀態(tài)下試件梁的剛度隨CFRP板粘貼寬度的增大而增加，并且均高于未加固試件梁BW-0，可見CFRP加固的試驗(yàn)梁的剛度有所提高[3]。這是梁底粘貼CFRP后，裂縫開裂緩慢，受壓區(qū)高度相對(duì)增大所致。但隨著荷載的增加，試件BW-100因疲勞損傷累積導(dǎo)致剛度退化嚴(yán)重，CFRP板的應(yīng)變預(yù)先達(dá)到極限值退出工作，破壞形態(tài)愈來愈接近未加固梁BW-0。值得注意的是加固梁破壞極限因外粘碳板而有所提高，但由于碳板撕裂退出工作致使原構(gòu)件承載力突然下降，試件應(yīng)力瞬時(shí)變大，從而呈現(xiàn)加固梁的撓度較未加固梁BW-0均有所減小的現(xiàn)象。

外粘CFRP板加固混凝土梁的疲勞性能受裂紋發(fā)展、各組成部分變形率及剛度匹配等諸多因素的影響。外粘CFRP板加固寬度的增加延長(zhǎng)試件疲勞壽命的同時(shí)，增大了膠層粘接面的應(yīng)力，大大提高了試件的剛度，導(dǎo)致延性不足，降低了實(shí)用性能。由圖7綜合分析試件疲勞壽命、靜力破壞強(qiáng)度、循環(huán)荷載作用下的變形率可知最優(yōu)的加固寬度比0.4在疲勞壽命與靜力強(qiáng)度兩曲線的交點(diǎn)處取得。

3? 結(jié)語

①FRP-混凝土界面疲勞剝離破壞、粘接面膠層疲勞損傷是CFRP板加固混凝土梁構(gòu)件失效的重要形式，端部錨固以增長(zhǎng)加固構(gòu)件服役壽命的措施值得考慮[4]。

②相較未加固試件，外粘CFRP板可以延緩混凝土裂縫的發(fā)展，提高構(gòu)件的剛度，隨著加固寬度的增加，梁的抗疲勞壽命急劇增長(zhǎng)。

③加固后試件的剛度明顯增加，試件撓度降低，剛度適應(yīng)的CFRP板與原試件疲勞壽命最大，外粘碳板最優(yōu)寬度比為0.4。

④外粘CFRP板鋼筋混凝土組合構(gòu)件比鋼筋混凝土構(gòu)件的極限撓度、延性、變形率均有所降低，但靜力極限荷載有大幅的提高。

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