碳纖維布加固的鋼筋砼吊車(chē)梁的抗彎疲勞性能
摘 要：為研究碳纖維布(CFRP)對(duì)加固后鋼筋混凝土梁的抗彎疲勞性能的影響，進(jìn)行了三根CFRP加固梁及一根對(duì)比梁的抗彎疲勞試驗(yàn)。研究了碳纖維布加固方式、構(gòu)件使用荷載等參數(shù)對(duì)碳纖維布加固鋼筋混凝土吊車(chē)梁抗彎疲勞性能的影響。試驗(yàn)研究表明：采用碳纖維布加固后，構(gòu)件裂縫的寬度減小了5O.2 ～66 ，發(fā)展速度也得到控制，鋼筋應(yīng)力減小24.1 ～28.2 ，構(gòu)件的剛度提高14.9 ～16.1 。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，從現(xiàn)有規(guī)范中關(guān)于構(gòu)件剛度計(jì)算以及壽命分析的方法出發(fā)，進(jìn)行了CFRP加固鋼筋混凝土吊車(chē)梁的疲勞剛度、壽命的計(jì)算分析，理論分析結(jié)果表明，用這種方法計(jì)算得到的結(jié)果可以滿(mǎn)足工程上對(duì)精度的要求。最后以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)CFRP加固梁的疲勞設(shè)計(jì)提出了合理化建議。
關(guān)鍵詞：土木建筑結(jié)構(gòu);鋼筋混凝土吊車(chē)梁;結(jié)構(gòu)加固;疲勞試驗(yàn);碳纖維布
碳纖維復(fù)合材料(CFRP)作為一種新型的結(jié)構(gòu)加固材料，因具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)L1 而被廣泛應(yīng)用于工程加固領(lǐng)域。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也已制定出相應(yīng)的碳纖維加固規(guī)程口](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)程”)。但規(guī)程僅給出了加固構(gòu)件的短期承載受力性能，對(duì)于CFRP加固構(gòu)件的長(zhǎng)期受力性能，即加固構(gòu)件的抗疲勞性能沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，使CFRP在橋梁等承受疲勞荷載的構(gòu)件加固設(shè)計(jì)時(shí)缺乏理論基礎(chǔ)，所以對(duì)CFRP加固構(gòu)件的長(zhǎng)期受力性能的研究迫在眉睫。對(duì)這一課題研究最早的是瑞士，于上世紀(jì)9O年代初就進(jìn)行了初步研究，美國(guó)等國(guó)家也于上世紀(jì)9O年代末進(jìn)行了研究口 ]，國(guó)內(nèi)目前也有學(xué)者進(jìn)行了部分試驗(yàn)研究口 ]。Barnes[3 通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為構(gòu)件的破壞主要是由于梁內(nèi)鋼筋的疲勞斷裂所致，而B(niǎo)aluchL4 在隨后的論文中發(fā)表觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為Barnes試驗(yàn)中構(gòu)件的破壞始于CFRP 的剝離。
Papakonstantinoul5]通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在相同荷載下，加固構(gòu)件的撓度及裂縫的寬度較未加固梁沒(méi)有明顯改善，這與其他試驗(yàn)結(jié)論也有出入。基于以上矛盾，作者進(jìn)行了CFRP加固梁的抗彎疲勞試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)的方法探討加固構(gòu)件的疲勞破壞機(jī)理。
1、試件設(shè)計(jì)
1.1 試件設(shè)計(jì)原理試驗(yàn)中采用的梁以工程中常見(jiàn)的中級(jí)工作制的吊車(chē)梁為研究背景，采用T型截面，跨度3 m，為某工業(yè)廠(chǎng)房吊車(chē)梁的1/2比例縮尺模型。由于本試驗(yàn)將研究重點(diǎn)放在CFRP對(duì)梁抗彎加固性能的影響，所以試驗(yàn)中通過(guò)分配梁將荷載對(duì)稱(chēng)分配于梁三分點(diǎn)處，在跨中形成純彎段;構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)時(shí)也作相應(yīng)處理，確保構(gòu)件不發(fā)生彎曲破壞以外的其他破壞模式。
梁的幾何參數(shù)及配筋參數(shù)如圖1所示。實(shí)測(cè)受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度為409.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為578.6 MPa;受壓區(qū)鋼筋、架立筋、箍筋屈服強(qiáng)度為338.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為509 MPa;實(shí)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度為2O.64 MPa;采用L200-C碳纖維布，厚度0.111 mm，抗拉強(qiáng)度3500 MPa，彈性模量235 GPa;膠粘材料采用YZJ—C碳纖維粘結(jié)專(zhuān)用結(jié)構(gòu)膠。
1.2 試驗(yàn)方案為模擬工程實(shí)際情況，本試驗(yàn)在方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先采用靜壓的方式使構(gòu)件受彎區(qū)主裂縫達(dá)到工程容許的最大裂縫寬度(O.2 mm)，再采用CFRP對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固，為對(duì)比加固效果，試驗(yàn)中分別采用不同的加固方式及不同的荷載水平，構(gòu)件的具體編號(hào)及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。
在純彎段上下兩層鋼筋中每間隔225 mm布置應(yīng)變片以測(cè)量鋼筋的應(yīng)力;在跨中沿截面高度方向布置應(yīng)變片，測(cè)量混凝土應(yīng)變及截面沿高度方向的應(yīng)變分布情況;在支座處布置位移傳感器測(cè)量支座變形，在跨中布置靜態(tài)位移傳感器及拉弦式位移傳感器，測(cè)量跨中的靜態(tài)撓度變化，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)梁在疲勞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)撓度變化情況。
試驗(yàn)中采用靜態(tài)應(yīng)變采集儀(DH3818)采集靜態(tài)數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀(DHDAS)采集動(dòng)態(tài)應(yīng)變及動(dòng)撓度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)在MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程參照相關(guān)規(guī)范m ，試驗(yàn)加載頻率廠(chǎng)一4～6 Hz。
2、試驗(yàn)研究
2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象B0梁在疲勞試驗(yàn)前首先進(jìn)行一次靜載試驗(yàn)，分五個(gè)等級(jí)，每級(jí)5 kN;當(dāng)荷載加至10 kN時(shí)，在梁純彎段及剪跨段產(chǎn)生裂縫，隨著荷載的增加，裂縫向上發(fā)展，寬度增加;靜載試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行兩次，待裂縫發(fā)展穩(wěn)定后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞循環(huán)為1萬(wàn)、2萬(wàn)、10萬(wàn)次時(shí)的靜載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂縫高度及寬度增加較快，伴有新裂縫產(chǎn)生，裂縫間距趨于均勻，平均間距為8.6 cm，部分剪跨段主裂縫交?[;在10萬(wàn)至210萬(wàn)次循環(huán)之間，沒(méi)有新裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度增加緩慢;至210萬(wàn)次時(shí)停止循環(huán)，對(duì)梁進(jìn)行靜壓破壞。當(dāng)荷載增加到6O kN 時(shí)，構(gòu)件的撓度發(fā)展較快，隨后采用撓度控制加載，當(dāng)構(gòu)件撓度達(dá)到60 mm時(shí)，撓度呈現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，最終撓度發(fā)展到65 mm 時(shí)，受壓區(qū)混凝土壓碎，受拉區(qū)裂縫間混凝土沿保護(hù)層開(kāi)始剝落，標(biāo)志構(gòu)件達(dá)到破壞，停止試驗(yàn)。
Bla梁首先采用靜壓方式，使受彎段主裂縫寬度達(dá)到0.2 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載為50 kN，跨中撓度為5.45 mm。之后對(duì)該梁進(jìn)行CFRP加固，并按照規(guī)定養(yǎng)護(hù)一周后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。在加固后的靜壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，主裂縫寬度減小至0.1～ 0.12 mm，其他裂縫的寬度也有所減小。循環(huán)1萬(wàn)次后，停止加載，進(jìn)行靜載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂縫擴(kuò)展很慢，已有裂縫向上擴(kuò)展，伴有少許新裂縫。循環(huán)至3萬(wàn)次時(shí)，裂縫擴(kuò)展較快，在原有裂縫之間產(chǎn)生新裂縫，并向梁截面核心方向發(fā)展，但此時(shí)裂縫的寬度增加較小，均在0.15 mm 以?xún)?nèi)。加載至5.7375萬(wàn)次時(shí)，梁端部CFRP連同混凝土保護(hù)層一起發(fā)生剝離，如圖3所示，同時(shí)跨中CFRP發(fā)生斷裂。將疲勞上限調(diào)整為6O kN，使鋼筋應(yīng)力與CFRP未脫落前應(yīng)力相同，繼續(xù)循環(huán)5573次時(shí)，梁底鋼筋斷裂，停止試驗(yàn)，構(gòu)件極限撓度為38.2mm，此時(shí)受壓區(qū)混凝土沒(méi)有壓碎的跡象。
BIB梁的試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)參數(shù)同Bla梁，只是在Bla加固的基礎(chǔ)上采用碳纖維U 型箍錨加固(見(jiàn)圖4)，以研究U 型箍對(duì)構(gòu)件抗疲勞性能的作用。研究表明：由于U 型箍的使用，梁底粘結(jié)樹(shù)脂的剪切變形減小，從而使縱向受拉的CFRP更有效地參與受力，提高加固構(gòu)件的抗疲勞性能。
構(gòu)件的撓度及混凝土、鋼筋、CFRP的應(yīng)變?cè)诔跏?萬(wàn)次循環(huán)后趨于穩(wěn)定;在隨后的2～7萬(wàn)次疲勞循環(huán)中，構(gòu)件撓度以及材料(鋼筋、混凝土及cFRP)的應(yīng)變發(fā)展比較緩慢;當(dāng)構(gòu)件循環(huán)至7.53萬(wàn)次時(shí)，構(gòu)件撓度增長(zhǎng)迅速，繼續(xù)循環(huán)4800次，構(gòu)件底部CFRP發(fā)生斷裂(見(jiàn)圖5)，停止試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)梁底兩根鋼筋均發(fā)生斷裂。構(gòu)件極限撓度為41.3 mm，受壓區(qū)混凝土未發(fā)生壓碎現(xiàn)象。
Blc梁的試驗(yàn)同B1b梁，在循環(huán)到12.88萬(wàn)次時(shí)，構(gòu)件撓度出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，表明構(gòu)件被破壞，破壞時(shí)的極限撓度為28.5 mm，試件破壞時(shí)，其受壓區(qū)混凝土未發(fā)生壓碎現(xiàn)象。
2.2 混凝土的應(yīng)變及控制截面應(yīng)變圖6為各個(gè)試驗(yàn)梁的控制截面應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖。由圖6知，構(gòu)件截面平均應(yīng)變基本符合平截面假定;加固后構(gòu)件混凝土應(yīng)變減小，說(shuō)明由于CFRP參與受力，材料的受力更趨于合理。
圖中鋼筋應(yīng)變值偏大的原因主要是由于鋼筋應(yīng)變片較少，且靠近裂縫，沒(méi)有考慮到鋼筋應(yīng)變分布的不均勻性。
2.3 鋼筋及CFRP的應(yīng)變圖8為各試驗(yàn)梁在疲勞卜限荷載下鋼筋及CFRP應(yīng)變?cè)谡麄�(gè)壽命周期中的變化f}}I線(xiàn)。由圖8可知：鋼筋應(yīng)變發(fā)展明顯分為3個(gè)階段，與混凝土應(yīng)變發(fā)展規(guī)律類(lèi)似。對(duì)比B1b、Blc壽命發(fā)現(xiàn)，由于碳纖維U型箍的存在，保證了CFRP不發(fā)生剝離，從而提高了受拉區(qū)CFRP的工作效率，使其在整個(gè)壽命中都能有效地參與受力。同時(shí)，從CFRP應(yīng)變數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，隨著損傷的發(fā)展，其應(yīng)變?cè)黾�，說(shuō)明CFRP在構(gòu)件壽命后期更能有效地參與受力。
圖9為Bla試驗(yàn)梁鋼筋及CFRP在不同損傷情況下的荷載一應(yīng)變曲線(xiàn)。
圖10給出了由動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀采集到的各個(gè)梁在整個(gè)壽命周期內(nèi)鋼筋的應(yīng)變值。
2.4 梁的變形圖11給出了由動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀采集到的各試件梁跨中在整個(gè)壽命周期內(nèi)撓度的動(dòng)態(tài)變化值。由圖可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件的撓度變化同材料的變形規(guī)律一樣，也有明顯的二階段變形規(guī)律。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，B0梁未出現(xiàn)第三階段的撓度突變，說(shuō)明其在經(jīng)過(guò)210萬(wàn)次循環(huán)后，構(gòu)件未被破壞。
對(duì)比Bla與B1b，可以發(fā)現(xiàn)：CFRP的剝離是構(gòu)件破壞的主要模式之一，屬于脆性破壞。由于碳纖維U型箍的存在，限制了受拉區(qū)CFRP的滑移，防止了CFRP的剝離，有效地延長(zhǎng)了其工作壽命及提高了工作效率，控制了構(gòu)件撓度的發(fā)展。
3、CFRP加固吊車(chē)梁疲勞剛度分析構(gòu)件剛度是工程上判斷梁損傷情況的主要參數(shù)。為更好地推廣該技術(shù)，嘗試以現(xiàn)有的混凝土疲勞研究結(jié)論及規(guī)范中采用的剛度計(jì)算方法為基礎(chǔ)，采用換算截面法進(jìn)行CFRP加固構(gòu)件的疲勞剛度研究，基本假定如下：
(1)梁截面滿(mǎn)足平截面假定。
(2)CFRP材料與混凝土之間粘結(jié)良好，無(wú)滑移。
(3)不考慮受拉區(qū)混凝土的作用，拉力由受拉區(qū)鋼筋及CFRP承擔(dān);受壓區(qū)混凝土的法向應(yīng)力圖形為三角形。
(4)鋼筋及CFRP是線(xiàn)彈性材料。
(5)混凝土的疲勞變形模量為E — E e /(e +e ) (1)式中： 為混凝土彈性應(yīng)變，取荷載上限時(shí)混凝土的應(yīng)變;e 為混凝土殘余應(yīng)變，其具體表達(dá)式參見(jiàn)文獻(xiàn)[1O]。
對(duì)中和軸求慣性矩得blh r(z。一h r/2)+ b(027。一h r)。/2一afA (厶。一z0)+a『『A r( 一z0)。 (2)式中： 一E /E{和 I『/一E ，/K(分別為鋼筋、CI~'Rp的彈性模量與混凝土疲勞變形模量的比值。
梁的疲勞剛度為1B 一Eli =÷E [6卜rj一(6 r一6)(z。一h r)。]+0A ( 。一z。) + E A (h— z( )。 (3)4 加固梁疲勞壽命分析鋼筋混凝土構(gòu)件的疲勞壽命主要取決于鋼筋的疲勞壽命。國(guó)內(nèi)外疲勞試驗(yàn)的資料表明：影響鋼筋疲勞強(qiáng)度的主要因素為鋼筋疲勞應(yīng)力幅。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼筋疲勞壽命常采用 N 法，其疲勞壽命曲線(xiàn)方程式如下logN — A + mlog(Aa)式中：N 為疲勞失效時(shí)的總循環(huán)次數(shù);△ 為鋼筋應(yīng)力幅;A 為鋼筋s—N 曲線(xiàn)截距;Ⅲ 為鋼筋s—N曲線(xiàn)斜率。
對(duì)本試驗(yàn)中鋼筋的'應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。將本實(shí)驗(yàn)中得到的鋼筋 N 曲線(xiàn)與相關(guān)研究得到的 N 曲線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：本實(shí)驗(yàn)得到的鋼筋的壽命較長(zhǎng)，其原因主要有以下幾點(diǎn)：①試驗(yàn)中測(cè)量的鋼筋應(yīng)變?yōu)樘囟c(diǎn)的應(yīng)變值，沒(méi)有考慮鋼筋在長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力變化，且實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)變點(diǎn)距離構(gòu)件裂縫較近，所以本分析中鋼筋的應(yīng)力值偏大;②CFRP在構(gòu)件壽命后期限制了構(gòu)件變形的發(fā)展，使鋼筋的應(yīng)力在整個(gè)壽命周期內(nèi)變化不大，達(dá)到了提高鋼筋使用壽命的目的;③ 本試驗(yàn)中鋼筋的受力不是軸心抗拉，而是有一個(gè)應(yīng)力梯度，從而提高了鋼筋的使用壽命。
以上得到的 N 曲線(xiàn)可供工程加固設(shè)計(jì)及使用時(shí)參考。
5、結(jié) 論
(1)CFRP加固構(gòu)件的抗彎疲勞試驗(yàn)一般有兩種破壞模式：① 破壞始于端部CFRP的剝離，導(dǎo)致構(gòu)件的破壞，這種破壞模式一般發(fā)生在CFRP沒(méi)有進(jìn)行足夠錨固處理的情況下;② 破壞一般始于梁內(nèi)鋼筋的疲勞斷裂，導(dǎo)致CFRP應(yīng)力急劇增加而斷裂，繼而破壞構(gòu)件，這種破壞模式發(fā)生在對(duì)受拉CFRP進(jìn)行足夠U型箍錨固處理的情況下。
(2)在有足夠錨固的前提下，加固構(gòu)件的使用荷載不宜高于桿件極限承載力的6O.1 。
(3)通過(guò)粘貼CFRP，使CFRP參與構(gòu)件受力可以有效地減小鋼筋的應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力減小為24.1 ～28.2 ;加固后構(gòu)件裂縫的寬度減小幅度為5O.2 ～66 ，結(jié)構(gòu)的使用性能得到提高。
(4)粘貼CFRP后，構(gòu)件的疲勞剛度得到提高，提高幅度為14.9 ～16.1 。
(5)進(jìn)行了CFRP加固梁的疲勞剛度分析，得到一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的分析方法，可以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的可靠性要求。
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