CFRP板加固RC梁疲勞破壞后殘余剛度試驗研究

張佩雲，崔賢 （延邊大學工學院，吉林 延吉 133002）

0 前言

隨著生產技術的更新與發展，纖維材料的成本不斷下降、質量逐步提高以及碳纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱 FRP)耐腐蝕、疲勞性能好、比強度高和易施工等特點在結構加固領域受到了研究者們的青睞。但近年來研究者們對CFRP板加固鋼筋混凝土梁的研究主要集中靜力與疲勞荷載作用下的受力性能、結構承受累積損傷的能力及加固方式對結構疲勞性能的影響[1-3]等方面，對于疲勞破壞后試件的受力性能研究甚少。經加固后服役年限過長的大跨橋梁，在頻繁過車的疲勞荷載下作用下結構損傷的不斷累積會降低結構的極限承載能力，久而久之結構的安全將會受到影響，而疲勞破壞后的結構極限承載能力往往是頻繁過車橋梁安全的最后一道防線。

針對目前學界的研究現狀，本文對出現疲勞破壞特征的不同厚度CFRP板加固梁進行了靜力荷載破壞試驗，分析了局部疲勞破壞后外粘CFRP板加固試件梁靜力破壞模式和極限承載力的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為便宜對比，本次試驗設計了4根用材、配筋及尺寸完全相同鋼筋混凝土試驗梁，試驗梁尺寸為2000mm×200mm×300mm；縱筋均采用 Φ14的HRB400級鋼筋，箍筋為Φ8的HPB235級光圓鋼筋，試件尺寸及配筋詳見圖1；所有試件C40混凝土一次澆筑，定期灑水養護。

試驗所用CFRP板由海寧安捷復合材料有限責任公司提供，產品設計標準強度260MPa，彈性模量165GPa，極限延伸率大于1.7%；黏結劑為該公司生產的A型改性環氧樹脂，抗拉強度大于30MPa。三根試驗梁分別采用厚度為1.4mm、2.0mm、3.0mmCFRP板材在圖2所示區域嚴格按照加固技術規范要求的工藝進行粘貼加固，其余一根梁不做加固處理。

圖1 試件尺寸及配筋詳圖

圖2 加固區域示意圖

1.2 加載制度

試驗梁兩端均為固定鉸支座，采用PWS-500電液伺服疲勞試驗儀沿跨中寬度方向均勻加載。加載前進行一次荷載幅為10kN的預加載，以確保各部件處于正常工作狀態，后疲勞加載制度參照文獻4，本次試驗疲勞加載頻率為3Hz，加載峰值取未加固試驗梁靜力破壞荷載的70%。待疲勞加載試件出現疲勞破壞特征后進行靜力加載破壞試驗，靜力加載制度為:位移控制至荷載達到1kN轉為試驗力控制，持荷60s后進行速率為0.15kN/s的靜力加載，至試驗梁破壞為止。

1.3 測量儀器布置

為了研究試驗梁受力過程中的承載情況，在試驗板跨中混凝土側面每隔75mm布置一個BX120-60AA應變片；碳纖維板跨中及端部布置BX120-5AA應變片，應變采用DH3817動靜態應變測試系統進行數據采集；試驗梁的跨中荷載撓度由作動器頭內置傳感器自動采集。

2 試驗現象及結果分析

US系列為普通鋼筋混凝土梁，FSC系列為底部采用CFRP板加固梁。梁US0的靜力極限荷載為146.276kN，由此確定本次疲勞試驗的加載幅值為100kN。由于本次試驗的主要目的是研究不同厚度CFRP板加固梁局部疲勞損傷后的靜力性能，故對疲勞試驗階段的數據未進行詳細的記錄，試驗主要測試結果詳見下表。

主要試驗結果表

試驗結果表明，膠層加固處首先發生疲勞損傷，靜載破壞也在損傷破壞處發生。在相同加載工況下梁FSC2.0在循環63150次才出現CFRP板端部剝離的疲勞破壞特征，而粘貼相對該試驗梁剛度過大3mm厚的碳纖維板材的加固梁FSC3.0卻因剛度不適導致粘貼截面過早分離的疲勞破壞。從裂紋發展高度，受拉鋼筋的應變等方面也可以看出，加固梁的疲勞性能與CFRP板加固厚度不是呈線性關系，存在加固板材與原梁剛度匹配的問題，并非粘貼CFRP板越厚越好。

局部疲勞破壞發生后，試件往往還可以繼續服役，但由于疲勞破壞特征隱蔽，不易被發現會導致其發展成為整體的永久性損傷，結構局部疲勞損傷后的極限承載能力成為了建筑安全服役的最后防線。試件靜力加載的主要破壞形態如圖3所示。梁US0為多點同時開裂后受壓區混凝土壓碎破壞，外粘CFRP板和膠層的填充減少了加固梁疲勞敏感源，抑制了裂紋萌生，從而呈現加固件的裂紋數量少于原梁的現象。梁底混凝土撕裂是較為理想的破壞模式，這時混凝土強度得到了充分發揮，但由于梁端的剪力區未進行更為有效的補強方式，CFRP板的強度未能充分利用，使得在CFRP板端部彎剪作用區附近出現了45。沿主拉應力方向上的撕裂破壞[5]。值得注意的是梁FSC2.0由混凝土撕裂的疲勞破壞模式轉變為CFRP板中部斷裂的靜載破壞模式，顯然混凝土撕裂減小了有效粘接長度，不足以承受CFRP板斷裂所需的荷載，分析這是由于混凝土撕裂后結構內力重分布，受壓區混凝土壓碎致使加載點偏移，CFRP板被剪斷所致。

圖3 梁細部破壞形態

圖4 靜力荷載撓度曲線

圖4為4根試驗梁跨中的靜力荷載撓度曲線，由圖可知加固梁的極限破壞荷載普遍大于鋼筋混凝土原梁。梁FSC1.4與原梁相比，在彈性階段其剛度略大，屈服段較短，撓度降低，試件最終呈現脆性破壞。梁FSC2.0由于CFRP板與原梁剛度匹配性高，極限荷載顯著大于原梁，A點后CFRP板剝落導致試件承載力突然下降，部分CFRP板仍然參與工作使得其屈服段承載能力大于原鋼筋混凝土梁，最終因CFRP板完全退出工作使得結構內力重分布導致本已損傷的結構荷載超限而提早破壞。FSC3.0由于外粘CFRP板剛度過大，膠層承載力不足而使CFRP板剝離過大而大大降低了結構的承載能力，B點后CFRP板完全剝離致使其與原梁承載力相當，但由于疲勞損傷使得受拉鋼筋承載力不及原結構而出現最后的突然破壞。鋼筋混凝土原梁從C點開始進入屈服階段，其耗能能力顯著大于局部疲勞破壞后的加固梁。

3 結論

①既有鋼筋混凝土梁底粘貼CFRP板可以抑制板底開裂，改變試件梁的破壞形態。CFRP板粘貼厚度適當時，試件的破壞可以由少筋轉變為適筋破壞。

②加固梁CFRP板端部為結構薄弱點，疲勞損傷及結構靜力破壞常發生在該區域，且多在45°主拉應力方向上，梁端的補強錨固方式值得深入研究。

③CFRP板加固可有效提高原鋼筋混凝土梁的抗彎剛度，疲勞破壞后的殘余剛度和承載力較原試件也略有增加。

④本試驗工況下，混凝土梁底正截面粘貼2mm厚CFRP板加固梁損傷后靜力性能較好，安全性能更有保障。