碳纖維布加固超役混凝土電桿的破壞機理及力學性能

摘要：以某電網某路段超過服役期的鋼筋混凝土電桿為研究對象，選取電桿桿身與跨中帶鋼圈接頭的桿身試件各6根，其中各取3根試件采用碳纖維布（CFRP）沿桿件縱向進行加固，并對其進行抗彎承載力試驗，對比研究在不同的碳纖維布黏貼層數下加固電桿的受力性能和破壞機理。基于試驗實測數據，對強度及剛度計算方法進行了研究，并提出了剛度退化的數學表達式。研究結果表明：采用碳纖維布加固電桿后，其破壞表現為混凝土與碳纖維布的表面粘脫失效所致，縱向碳纖維布被拉斷作為最終破壞形態，破壞過程迅速，脆性明顯；試件的截面應變分布符合平截面假定。加固前桿身試件的承載力退化嚴重，加固后混凝土電桿的承載能力和剛度均有顯著提高，但加固電桿的損傷發展較加固前提早，且快而集中，綜合多方面考慮，建議在混凝土電桿接頭附近的一定距離內采取雙層、桿身其余部位采用單層的碳纖維布加固方法。

關鍵詞：混凝土電桿；碳纖維布；加固；承載力；剛度；損傷

中圖分類號：TU528

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0038-09

隨著電網建設的日趨緊密，各類在役輸電線路工作性能的好壞將直接關系到國民經濟的發展，混凝土電桿普遍應用于廣大城鎮與農村的輸電線路中，其安全性是保證送電線路正常運營的關鍵。為此，學者們對混凝土電桿的力學性能進行了大量研究，并取得了重要成果，如夏開全等^[1-3]開展了對預應力混凝土電桿和普通混凝土電桿的承載性能試驗；方永浩等^[4]進行了錐形電桿的受力分析及有限元模擬；高潤東等^[5-7]對離心成型預應力/鋼筋鋼纖維混凝土電桿做了相關試驗和理論分析。對于服役一定年限后，電桿受環境侵蝕、人為破壞等因素的影響，其力學性能和耐久性能必定有所降低，特別是超過服役期限的混凝土電桿，桿件的受損程度更加嚴重，因此，很有必要對超役電桿進行相關加固研究。實際工程中的混凝土電桿往往通過鋼圈連接接頭將各單桿相互連接，以致滿足架設所需的高度，針對桿身與連接接頭不同的力學性態，研究采取不同的加固方式從而提高電桿的相關承載指標，對延長電桿的服役壽命具有現實意義。

受冰凍、雨雪、泥石流等惡劣的自然災害影響，中國南方電網各路線運行情況有待進一步評估，而位于其中西南線路的鋼筋混凝土電桿因服役年代久遠，各項性能指標都有較大程度的退化。因碳纖維布加固結構具有較好的力學性能以及能減少后期維護費用^[8-18]，本文選取其中某路段1959年開始服役的混凝土電桿12根，包括桿身試件和跨中帶鋼圈連接接頭的桿身試件各6根，并對其采用碳纖維布（CFRP）進行相關加固，旨在考證該類構件經此方式加固后的受力性能及破壞機理，并為工程加固提供設計參考。

1試驗概況

1.1試驗材料

結合該線路的安全評定與加固工作，所有試件均為現場選取具有一定代表性的桿件，截取后運回試驗室，通過回彈法實測數據推定該批試件的混凝土軸心抗壓強度換算值為22.8 MPa；試驗結束后，量測截取的鋼筋，測試結果為：該批試件的縱向鋼筋直徑為8 mm、屈服強度為401 MPa，極限強度為475 MPa，伸長率為27.5%；連接接頭的鋼圈厚度為8 mm，長度為200 mm。本文采用武漢長江加固技術有限公司生產的CJ300型碳纖維布和配套的YZJ-CQ纖維復合材料浸漬粘結用膠作為加固材料。

1.2試件制作

12個試件分2批進行，第1批為6根桿身試件，第2批為6根跨中帶鋼圈連接接頭的試件，各取一半進行碳纖維布加固。所有試件桿長為4.2 m，其混凝土環形截面外徑為400 mm、內徑為300 mm、壁厚為50 mm；鋼筋形心所在圓半徑為169 mm，共16根。

首先通過砂輪機打磨等手段，將試件混凝土、鋼圈外表浮層及銹蝕層清理干凈，然后用工業丙酮清洗。CFRP的粘貼：第1批試件有2根為雙層粘貼、1根為單層粘貼，并且在縱向CFRP的外表面粘貼環向CFRP環箍，環箍的寬度為10 cm，2環箍之間的凈距為20 cm；第2批試件中，1根為雙層粘貼，2根為單層粘貼，并在縱向CFRP的外表面粘貼環向CFRP環箍，環箍的寬度為50 cm，兩環箍之間的凈距為20 cm，環箍的粘貼順序是從中間鋼圈環箍兩側往兩端頭按凈距20 cm逐一粘貼，各試件概況見表1。

試驗采用荷載控制的加載制度，先預載，后以預估極限荷載的5%作為步長分級加載，為方便采集和觀察，每級荷載維持恒定時間為5～10 min。

2試驗結果及分析

2.1試驗過程及破壞形態

在加載初期，所有試件荷載的增加與位移變化均呈線性關系，對比試件（未作CFRP加固電桿）表面混凝土無環向裂縫出現，加固試件表面的碳纖維布無拉斷現象。當荷載增加至一定水平，第1批未加固試件在接近跨中處開始從截面底部出現環向微裂縫，第2批對比試件則在分配梁至鋼圈之間的混凝土出現環向裂縫，并不斷向頂部發展，而其余試件均無開裂現象。隨著荷載的加大，第1批的對比試件截面底部和上部鋼筋先后達到屈服，且裂縫增寬增深，加固的桿身試件截面上下邊緣鋼筋分別達到屈服；第2批試件中除黏貼雙層碳纖維布的電桿外，其余加固試件均表現為鋼圈底部和頂部鋼材先后進入屈服狀態，但未加固試件的鋼圈應變值較小。繼續加大荷載，所有加固試件在跨中位置附近聽到一些碳纖維布與表面混凝土粘結脫離的撕裂聲，但并沒有發現任何開裂或CFRP材料斷裂現象。荷載持續增加，此后每增加1級，都會聽到類似的響聲，當加載至接近破壞荷載時，在分配梁支座位置下端聽到一聲“轟”的巨響，發現在2條環向CFRP環箍之間的縱向碳纖維布被拉斷，露出拉斷的碳纖維絲，且CFRP被拉斷處冒出混凝土粉末，試件的撓度急劇增大，荷載無法再增加，試驗結束。試驗結束后，撕掉拉斷的CFRP發現，冒出的混凝土粉末是由于粘貼CFRP用的結構膠把表面混凝土拉脫引起。未加固試件則在靠近分配梁支座處斷裂破壞。

綜合破壞現象來看，2批電桿中的對比試件均為混凝土受拉開裂，第1批試件為上下部鋼筋先后達到屈服，而第2批的接頭鋼圈未能進入屈服，受壓區混凝土并不壓潰，破壞過程迅速，屬“少筋梁”破壞；受CFRP加固試件的破壞為CFRP材料與表面混凝土產生局部粘結脫離，最后是CFRP環箍之間的縱向CFRP被拉斷，其過程較為迅速，脆性性質明顯，剝離CFRP布后，混凝土無壓潰。部分試件的破壞形態見圖2。

2.2截面應變特征

圖3和圖4為2類試件純彎段內位于表面混凝土和表面碳纖維布的截面平均應變變化規律，圖中曲線表示應變在各級荷載水平下沿截面高度的分布特性，其中橫坐標對應圖1中相應剖面的環向角度（°），縱坐標表示均值應變。從圖3、圖4可見，2類試件的截面應變大致符合平截面假定。對于第1批桿身試件，未加固電桿由于混凝土開裂后退出工作，主要為試驗彈性階段的應變分布，加固試件在加載后期，特別是當試件接近破壞時，受拉區（T）的截面應變呈現出一定的曲線形態，如試件RCP-（2）CFRP-2底部拉區測點的應變突降，這可能是由于受拉區邊緣范圍混凝土裂縫受碳纖維布約束而發展緩慢，從而相互制約，導致CFRP的應變在此處有所降低；對于第2批帶接頭試件，加固試件的截面中性軸較之對比試件離受壓區（C）邊緣更為接近，拉區應變相對加大。

2.3荷載跨中撓度曲線

圖5為所有試件的荷載跨中撓度曲線。從圖5可見，2批試件曲線的發展趨勢大體相似：加固前的試件都經歷了線彈性階段、彈塑性階段以及荷載水平段；加固后的試件則表現為彈性增長段、彈塑性發展段。在曲線的開始階段，不同模式下的試件荷載跨中撓度曲線保持一直線且相互重合，當經過一小段的重合期后，受加固的試件與對比試件曲線逐漸分離，但后者發展較為緩慢。隨著荷載的增長，加固與未加固試件曲線各自保持較好的重合，此時非線性性質開始有所發展。從圖5（a）、（b）中2種加固方式的曲線可見，位于初期的曲線基本重合，與CFRP黏貼層數的關系不大，但隨著加載進入末期或塑性發展段后，采取雙層CFRP黏貼的試件曲線變得更陡。圖5（a）中可以顯著看出，加固試件的強度和剛度有了明顯提高，但變形能力更差，主要是由于采用CFRP加固后試件的破壞形態發生了改變，其表現為CFRP與混凝土之間的粘脫失效和CFRP被拉斷，而CFRP就是一種脆性材料，破壞時無明顯的預兆。因此，加固后電桿的脆性加大、延性變差，但其強度和剛度卻得到了顯著提高，一方面外加的CFRP材料本身就有很強的抗拉能力，其次，外包的CFRP對其內部的混凝土起到很好的約束作用，使得內部混凝土強度得到提高，從而導致其強度和剛度的提高。

由表2可見，加固前的所有桿身極限承載力均低于計算值，說明老舊電桿的承載能力退化嚴重；而經CFRP的加固，桿身所具有的承載能力得到相應提高，且不同的碳纖維布黏貼層數具有較大影響。

綜合多方面考慮，由于接頭處為整根電桿的薄弱部位，本文建議在接頭部位的一定距離內采取縱向黏貼雙層碳纖維布進行加固，而其余桿身處則以縱向單層碳纖維布給予補強。

4剛度及損傷分析

4.1剛度及退化規律

表3所示為所有試件加載初期的彈性剛度及加固桿件相對于未加固電桿的變化幅度，各值取彈性狀態時的平均值，其中以對比試件的剛度值作為基準。由表3可見，對比2類加固前的桿件，帶鋼圈接頭試件的彈性剛度略小于桿身試件的剛度，這可能是由于鋼圈接頭與混凝土連接處產生一定的銹蝕和碳化，導致接頭連接性能退化；對于第1批試件，CFRP加固后的桿身剛度較之對比試件有了較大的提高，但與縱向黏貼碳纖維布層數的關系不明顯，單層者與雙層黏貼試件值較為接近；對于跨中帶鋼圈接頭試件，經碳纖維布加固后，彈性剛度有了很大程度的提高，黏貼雙層試件的值約是單層碳纖維布的2倍，不同數量的縱向碳纖維布對彈性剛度的貢獻較為明顯。

圖7為試件剛度在加載全過程中的分布情況。由圖可知，隨著荷載水平的提高，絕大部分試件的剛度變化表現為：位于加載初期的值較為穩定，隨后當荷載有了較大提高后，其值迅速減小，之后剛度衰減幅度有變小的趨勢，最終趨于穩定地降低。除個別試件外，加固者與對比試件的剛度退化過程較為相似，但位于彈性末期時，加固試件值較之初期有個上升的過程，這可能是碳纖維布開始參與較多抗彎貢獻所起的作用。對比可見，無論是桿身試件還是帶接頭試件，經碳纖維布加固后，電桿受力各階段的剛度均較之未加固試件的大；圖7（a）所示，雖然加固試件的前期剛度較為接近，但當試件處于彈塑性發展階段時，黏貼的CFRP層數對剛度的影響還是具有顯著的區別，單層試件值比雙層試件的小。

4.4損傷分析

在全過程加載中，試件抗彎曲變形能力隨荷載的增長而逐漸減弱，由此而導致桿件的撓度逐步加大，環向裂縫不斷向截面頂部發展，裂縫增長增寬增深，該類破壞形態的發展源于其截面微損傷累積的結果。為了定量地描述損傷發展過程，依據經典損傷力學原理，提出彎曲損傷度Ds的概念。文獻[20]表明：采用材料的彈性模量變化定義其損傷度是最實用、有效的方法。基于此，本文提出的彎曲損傷度Ds是建立在整體剛度之上而得到，其表達式為：

Ds=1-KK（6）

式中：K為損傷后的剛度，其值可通過求解荷載跨中撓度的切線模量而得到。

考慮到加載初期電桿處于彈性狀態，認為此時無損傷，因而定義損傷度為零；當荷載提高后，桿件進入彈塑性發展階段，開始出現微損傷，此時未達破壞狀態，因而可定義該狀態的損傷度介于0～1之間；當試件破壞時，此時損傷度達“1”。圖10所示為各試件的損傷發展歷程。由圖可見，經碳纖維布加固后的試件，其損傷發展有所提前，究其原因在于電桿采用CFRP包裹后，內部混凝土受約束而強度有所提高，導致脆性性質部分加強；又碳纖維布與混凝土兩類材料具有不同的損傷累積效果，比較而言，混凝土的脆性性質更明顯，兩者之間的不均勻性導致損傷累積在混凝土更加集中。

5結論

1）采用CFRP加固電桿桿身及跨中帶連接接頭的電桿，其最終破壞均表現為混凝土與CFRP的表面粘脫失效，破壞時以縱向碳纖維布被拉斷作為標志，脆性性質明顯，混凝土無壓潰。

2）經測試后，試驗中未加固電桿和加固電桿的截面平均應變大致符合平截面假定。

3）采用CFRP加固后的試件承載能力得到不同程度的增強；CFRP加固的層數對帶接頭試件承載力影響頗大，不同加固方式的加固效果明顯，但桿身試件采用的雙層加固與單層加固區別不大，這可能與試驗樣本較少有關。

4）根據相應的規范公式，驗算了桿身試件的極限承載力，得到加固前的電桿桿身承載能力退化較大，加固后桿身的極限承載力顯著高于計算值。

5）對比分析了各試件受力各階段的剛度變化規律，得到加固后的剛度較之加固前有所提高，且與縱向黏貼CFRP層數有較大關系，并提出剛度退化規律公式；描述了對比的桿身試件剛度與裂縫寬度的變化關系。

6）加固試件因材料間存在損傷累積的不均勻性，加固電桿的損傷累積較之加固前試件快而集中。

7）綜合考慮經濟效益，建議在接頭部位的一定距離內采取縱向黏貼雙層碳纖維布進行加固，而其余桿身處則以縱向單層碳纖維布給予補強。

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（編輯王秀玲）