外貼CFRP板寬度對RC梁疲勞性能影響的試驗研究

張佩雲 崔賢

摘要：為研究鋼筋混凝土梁（簡稱：RC梁）粘貼不同寬度碳纖維增強復合板材（CFRP）的疲勞性能，對3根粘貼CFRP板的RC梁進行應力比為0.7、頻率為3Hz的等幅疲勞試驗，結果表明：CFRP板加固寬度的增加能夠降低構件的疲勞損傷累積，延長加固件的疲勞壽命;加固梁出現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;外粘CFRP板加固混凝土梁的最優寬度比為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.

關鍵詞：CFRP板;疲勞試驗;最優寬度比

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

中圖分類號：TU375.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0274-03

0? 引言

碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）因其優異的耐久性、施工性和抗疲勞性能在結構加固中的應用越來越普遍。CFRP板材的加固量是影響加固件力學性能的重要影響因素，而目前學界對這方面的研究甚少，在一定程度上限制了實際工程的應用。

為了研究CFRP板加固寬度對加固后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比試驗，從加固后梁的剛度變化、疲勞壽命和材料應變等方面進行了簡略分析，得出CFRP板材加固件的最佳寬度比。該研究成果可為實際應用提供依據。

1? 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗共設計4根幾何參數完全相同的鋼筋混凝土梁。試驗梁的橫截面尺寸為200mm×300mm，總長2000mm，凈跨1600mm，受拉和受壓區鋼筋均采用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，其余三根試驗梁加固區域分布見圖2。

澆筑采用C40混凝土，質量配合比為0.43：1：1.97：2.13，同時預留的混凝土標準立方體試塊經養護28d后實測強度為53MPa。試驗所用粘接劑為安捷復材公司的A型改性環氧樹脂，其抗拉強度大于30MPa。

1.2 加固工藝

1）鑿除梁底的蜂窩、剝落等缺陷，角磨機去除砼表面污物，用酒精清洗干凈，風干后膠帶密封施工區域;2）細砂紙輕微打磨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，使粘結劑從兩邊溢，保證密實無空洞，施工時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構膠。

1.3 加載與量測內容

試驗在量程為500kN的PWS-500液壓伺服疲勞試驗儀上進行，采用兩端固定、跨中集中加載方式。試驗靜力加載先用位移控制找到試驗零點，后力控制進行速率為0.15kN/s的靜力加載破壞試驗;由文獻[1]得知疲勞加載頻率與試件自振頻率相近時將會發生發生共振現象，自振頻率在10Hz以上的梁BW-40、BW-60、BW-100進行圖3所示3Hz的等幅疲勞加載試驗，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%，當荷載循環次數分別達到100、500、1000、5000、10000、50000次時進行一個循環剛度測試的靜載試驗。跨中撓度、荷載由作動器上的傳感器自動收集，鋼筋、CFRP板及混凝土變形率等試驗數據利用DH3817動靜態應變測試系統自動采集，并在試驗過程中對裂紋情況進行實時記錄。

2? 試驗結果及分析

試驗主要測試結果詳見表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作為疲勞試驗加載幅值取值依據，確定本次疲勞加載幅為10～100kN。

試件經疲勞荷載作用后，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裂紋尖端分別發展至距梁底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，并發現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量。當缺陷處的應力到達一定水平，初始裂紋就會繼續擴張進入裂穩定擴展階段，逐步產生永久性的局部累積損傷[2]，后呈左右對稱式擴展，延伸到整個梁高，直至構件疲勞破壞。試驗梁疲勞損傷累積過程是一個能量轉移的過程，疲勞荷載作用試件下不斷從加載裝置吸收能量，當構件自身儲存的能量值超過其局部薄弱部位破壞時的臨界值，即發生局部的疲勞破壞。

試件梁出現局部疲勞破壞特征后進行靜力加載破壞試驗，通過靜載破壞試驗了解加固梁疲勞損傷后的靜力性能。經疲勞荷載作用后，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，膠層產生的損傷逐步累積的結果，雖然在低應力狀態下可以正常工作，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板端部應變隨循環次數的變化曲線。由圖可知各曲線有明顯的3個發展階段，分別對應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，CFRP板端部應力集中嚴重，應變增長較快;循環加載至1000～20000次左右受拉鋼筋逐步參與工作，CFRP板端部應變處于平穩發展狀態;待鋼筋屈服后，CFRP板因單獨抗拉，應變出現大幅地增加。同時由表1中應力數據對比可知，在梁底受拉區粘貼CFRP片材可以有效降低主筋上的應力水平，進而延緩試件局部疲勞破壞發生。

試件出現局部疲勞破壞不是其喪失使用價值的標志，疲勞破壞后的殘余強度往往是安全的保證。對比各試件靜力破壞的荷載-撓度曲線圖6可以看出，低應力狀態下試件梁的剛度隨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，受壓區高度相對增大所致。但隨著荷載的增加，試件BW-100因疲勞損傷累積導致剛度退化嚴重，CFRP板的應變預先達到極限值退出工作，破壞形態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件承載力突然下降，試件應力瞬時變大，從而呈現加固梁的撓度較未加固梁BW-0均有所減小的現象。

外粘CFRP板加固混凝土梁的疲勞性能受裂紋發展、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試件疲勞壽命的同時，增大了膠層粘接面的應力，大大提高了試件的剛度，導致延性不足，降低了實用性能。由圖7綜合分析試件疲勞壽命、靜力破壞強度、循環荷載作用下的變形率可知最優的加固寬度比0.4在疲勞壽命與靜力強度兩曲線的交點處取得。

3? 結語

①FRP-混凝土界面疲勞剝離破壞、粘接面膠層疲勞損傷是CFRP板加固混凝土梁構件失效的重要形式，端部錨固以增長加固構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展，提高構件的剛度，隨著加固寬度的增加，梁的抗疲勞壽命急劇增長。

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

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

參考文獻：

[1]HiragiH， MatsuiS， FukumotoY. Static and Fatigue strength ofstuds[C]//IABSES ymposium. Belgiu， Brussels： International Association for Bridge and Structural Engineering， 1990：197-202.

[2]郭蓉，彭志會，郭嬌，等.有黏結預應力CFRP板加固RC梁抗彎疲勞試驗與理論分析[J].公路交通科技，2018，35（7）：50-57，85.

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[4]祝茜，吳昊，蘇杭.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁疲勞試驗研究[J].山西建筑，2013，39（20）：19-21.