預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板加固拱形RC梁界面受力特性研究

眭 超,楊 磊,張 凱

（江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 前言

碳纖維材料具有自重輕、抗拉強(qiáng)度高 ( 約為鋼材強(qiáng)度的 10～20倍 )、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、柔性好,易于裁剪等優(yōu)異的性能[1]。近年來，發(fā)展的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，對(duì)加固構(gòu)件正常使用階段的裂縫和變形有顯著改善，是目前土木工程修復(fù)加固領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將建設(shè)重點(diǎn)放在建筑物的檢測加固與維修改造上,新建工程項(xiàng)目逐漸退居次要位置[2]。國外已開始大規(guī)模使用FRP加固橋梁結(jié)構(gòu)[3-4]，而我國于20世紀(jì)60年代至70年代建起的具有代表性的拱橋和連續(xù)梁橋目前大多已達(dá)到使用年限,繼續(xù)服役須對(duì)這些橋梁進(jìn)行加固,以滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求,因此，未來一段時(shí)間國內(nèi)將出現(xiàn)橋梁加固的熱潮,而拱橋等一批橋梁將是重點(diǎn)對(duì)象。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試構(gòu)件制作

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范[6]，結(jié)合工程實(shí)際，我們一共澆筑了12根鋼筋混凝土拱梁用以研究。

（1）試件尺寸：拱形RC梁設(shè)計(jì)長度1850mm，端部高200mm，寬100mm，跨中高350mm。

（2）鋼筋籠制作：鋼筋籠底部使用12號(hào)三級(jí)鋼，頂部使用10號(hào)三級(jí)鋼，箍筋使用6號(hào)一級(jí)鋼筋。

（3）混凝土的澆筑：采用C30混凝土。

根據(jù)是否粘貼CFL以及是否對(duì)CFL施加預(yù)應(yīng)力制作了三組試件。第一組試件不粘貼CFL；第二組試件粘貼CFL，但不施加預(yù)應(yīng)力；第三組試件粘貼CFL，并施加10kN預(yù)應(yīng)力。

2.2 加固材料

2.2.1 碳纖維薄板性能

（1）碳纖維薄板優(yōu)點(diǎn)

1）強(qiáng)度高、重量輕；2）施工工藝簡單；3）彈性模量高；4）不破壞砼結(jié)構(gòu)；5）厚度薄，不影響剪力力矩；6）耐腐蝕、耐磨擦。

（2）碳纖薄板缺點(diǎn)。是各向異性材料，僅適用于單向受拉。

（3）碳纖維薄板性能檢測[5]。實(shí)驗(yàn)所用的碳纖維布幾何和材料參數(shù)為：厚度:0.167mm 寬度:100mm

2.2.2 粘貼碳纖維布膠水

實(shí)驗(yàn)購置配套環(huán)氧樹脂膠水，用環(huán)氧樹脂A、B膠1：2混合粘貼碳纖維布。

2.3 碳纖維薄板制作與粘貼[7]

對(duì)于無預(yù)應(yīng)力碳纖維布，先將拱梁底部清理平整，將膠水充分涂抹于拱梁底部，然后粘貼碳纖維布，再用膠水充分浸漬。48小時(shí)后，膠水完全凝固，碳纖維布被制成薄板并牢固粘貼于拱梁底部，制作流程如圖2。借鑒先期國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些CFL布加固結(jié)構(gòu)的研究和實(shí)驗(yàn)[8]，在采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布對(duì)結(jié)構(gòu)加固結(jié)構(gòu)的技術(shù)中,夾具是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件加固效應(yīng)的重要保障。我們使用團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的夾具，通過壓梁法對(duì)拱梁施加10kN壓力（如圖3），再將膠水涂抹于拱梁底部，然后粘貼碳纖維布，再用膠水充分浸漬碳纖維布。48小時(shí)后，膠水完全凝固，碳纖維布成為碳纖維薄板，卸載夾具，拱梁變形恢復(fù)，將預(yù)應(yīng)力施加到碳纖維薄板中。

表1 碳纖維布性能測試數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)加載裝置如圖4所示。拱形RC跨中布置壓力傳感器測量荷載P，在梁表面布置應(yīng)變片監(jiān)測梁的應(yīng)力應(yīng)變（如圖4），粘貼碳纖維布后在碳纖維布表面布置應(yīng)變片監(jiān)測應(yīng)變?chǔ)诺姆植肌Ｔ诹嚎缰幸约皟蓚?cè)端部布置百分表測量撓度δ。應(yīng)變片所有數(shù)據(jù)通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，裂縫變化用裂縫觀測儀和DIC同時(shí)進(jìn)行觀測。

圖1 碳纖維薄板制作過程

圖2 實(shí)驗(yàn)過程流程圖

試驗(yàn)采用200kN油壓千斤頂加載。試驗(yàn)開始階段，拱梁處于彈性受力狀態(tài)，我們采用每三分鐘5kN的逐級(jí)加載方法。間隔15分鐘，梁受力穩(wěn)定后，開始記錄靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和百分表的示數(shù)，同時(shí)，用裂縫觀測儀觀測裂縫是否出現(xiàn)和發(fā)展?fàn)顩r，DIC儀器觀測跨中應(yīng)變分布和趨勢。實(shí)驗(yàn)過程如圖2。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

鋼筋混凝土拱形梁在恒載作用下的受力特性是該實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)[9]。實(shí)驗(yàn)中的撓度變化對(duì)比如表2所示，其中6號(hào)拱梁為預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板加固梁。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，未粘貼CFL的拱梁在10～15kN集中荷載下會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，而粘貼CFL的拱梁一般在15～25kN集中荷載下才出現(xiàn)裂縫。對(duì)于裂縫的擴(kuò)展，粘貼CFL的拱梁裂縫擴(kuò)展速度明顯比未粘貼CFL的拱梁慢。在同等大小的集中荷載作用下，粘貼CFL的拱梁撓度變化比未粘貼CFL的拱梁小，但是隨著集中荷載增大，CFL出現(xiàn)剝離，粘貼CFL拱梁撓度變化速度加快，裂縫擴(kuò)展速度也會(huì)加快，當(dāng)CFL剝離的長度超過CFL總長度1/3時(shí)，拱梁破壞速度明顯加快，CFL加固的拱梁相對(duì)于未進(jìn)行CFL加固的拱梁，極限承載力提高15%～20%。拱梁6號(hào)為預(yù)應(yīng)力CFL加固，相對(duì)無預(yù)應(yīng)力CFL加固的拱梁，使拱梁6號(hào)的CFL剝離的集中荷載明顯增大，因此拱梁6號(hào)在加載前期裂縫擴(kuò)展很慢，但是當(dāng)CFL出現(xiàn)剝離后，拱梁6號(hào)裂縫擴(kuò)展很快，混凝土迅速破壞，相對(duì)于無預(yù)應(yīng)力CFL加固的拱梁，拱梁6號(hào)極限承載力提升并不明顯。因此小組對(duì)拱梁5號(hào)的CFL進(jìn)行了U型加固，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，U型加固的CFL不易剝離，對(duì)于拱形梁極限承載力提升較好。

根據(jù)試驗(yàn)情況，每根梁表面3號(hào)應(yīng)變片處裂縫最先出現(xiàn)且比較密集，應(yīng)變片位置布置如圖4，所以我們對(duì)3號(hào)應(yīng)變片處，各梁的應(yīng)變進(jìn)行了對(duì)比（如圖6）。

在本次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們還采用了二維數(shù)字散斑技術(shù)，簡稱2D-DIC（如圖7）。

測量的基本問題是相關(guān)兩個(gè)散斑場，即變形前的參考場和變形后的變形場。數(shù)字相關(guān)方法DIC從隨機(jī)的散斑信號(hào)中提取位移和應(yīng)變信號(hào)，所使用的光源可以是激光也可是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然紋理等。

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們首先對(duì)梁的表面做出了人工散斑的處理。然后給計(jì)算機(jī)一個(gè)初始狀態(tài)，也就是0加載狀態(tài)，然后在每一級(jí)加載穩(wěn)定之后，通過照相機(jī)拍攝梁的狀態(tài)圖。最終，把這些圖片整合起來，通過軟件處理能得到每一級(jí)加載狀態(tài)的場圖，例如50kN加載狀態(tài)下場圖（如圖8），也能得出位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，與我們的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀得出的數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖3 壓梁法施加預(yù)應(yīng)力圖

圖4 試驗(yàn)加載及應(yīng)變片編號(hào)示意圖

圖5 6號(hào)粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維RC梁試驗(yàn)撓度-荷載圖

圖6 3號(hào)應(yīng)變片處各梁應(yīng)變-荷載圖

圖7 DIC觀測儀觀測圖

圖8 50kN加載場圖

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

表2 試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)

本文提出使用預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板對(duì)拱形RC梁進(jìn)行加固，提高其承載力，減緩RC梁裂紋擴(kuò)展。通過性能測試與分組加載試驗(yàn)，得出預(yù)應(yīng)力碳纖維薄板加固拱形RC梁具有以下特性：

（1）外貼CFL的拱形RC梁極限承載力與CFL/混凝土之間的粘結(jié)特性有關(guān)；（2）粘貼CFL的拱形RC梁早期應(yīng)變發(fā)展不明顯，裂縫出現(xiàn)較晚，在CFL剝離前受力穩(wěn)定，在CFL剝離后應(yīng)變裂縫迅速發(fā)展，破壞較快，但最終承壓能力并沒有明顯提高；（3）粘貼預(yù)應(yīng)力CFL后，拱形RC梁的應(yīng)變裂縫發(fā)展更加緩慢，裂縫也出現(xiàn)得更晚，在CFL剝離前受力穩(wěn)定，在CFL剝離后應(yīng)變裂縫也迅速發(fā)展，破壞較快，而最終承壓能力稍有提高；（4）兩處薄弱點(diǎn)增加碳纖維維護(hù)之后，粘貼CFL的拱形梁受力應(yīng)變和裂縫發(fā)展與特性2相同，但對(duì)CFL的約束有比較明顯的作用，剝離延緩。

總的來說，CFL對(duì)拱形RC梁的應(yīng)變和裂縫有明顯的約束作用，但對(duì)于其承壓能力提高不明顯，需對(duì)CFL進(jìn)行U型加固。

[1]姚錦文,田安國,張三柱.預(yù)應(yīng)力碳纖維布夾具設(shè)計(jì)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2008,34(05):85-88.

[2]白飛云.碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.JG/T 167-2004結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材[S].2004(12).