CFRP加固鋼筋混凝土梁在持續荷載下的疲勞性能研究

中圖分類號：U444 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.054

文章編號：1673-4874（2025）03-0191-04

0 引言

近年來，碳纖維增強聚合物CFRP在橋梁修復中得到了普及，其比鋼板黏合有一些明顯的優勢，如耐腐蝕和高剛重比[1-3]。由CFRP經加工制成的CFRP層壓板可以很容易地黏接在鋼筋混凝土梁、板和柱上，具有輕便和易于安裝的優點，降低了勞動力成本[4-5]。近年來，對碳纖維增強聚合物CFRP增強鋼筋混凝土結構進行了大量的研究，但許多涉及用CFRP層壓板加固鋼筋混凝土結構構件的研究都集中在構件的靜態行為上。然而，疲勞顯著地影響了結構的完整性。疲勞是材料在重復應力下結構內部發生變化的過程，這些重復應力可能導致構件的內部開裂，從而改變其剛度和承載力。因此，這些重復應力在橋梁結構構件的安全方面尤為重要。此外，惡劣環境條件和CFRP與加固結構間的分層問題對結構變形和承載力的影響也很大，但是對這兩方面的影響研究很少。

本研究對CFRP加固梁在惡劣的環境條件和分層缺陷時在疲勞加載下的力學性能進行研究。使用CFRP層壓板加固的9根預裂縫鋼筋混凝土梁進行試驗，其中3個試件有表面分層缺陷，其余6個試件經歷了包括凍融循環、極端溫度變化、紫外線照射及相對濕度波動在內的惡劣環境循環。所有的試件都在循環加載條件下進行了測試。

1試驗研究

1.1材料力學性能

采用抗壓強度 f_c^′ 為 27.5MPa 的混凝土，混凝土的彈性模量 E_c 為 25.8GPa ，鋼筋的屈服強度 f_sy 為413MPa ，彈性模量 E_s 為200 GPa 。CFRP的厚度 t_s 為0.165mm ，寬度 w_s 為 203mm ，橫截面面積 A_s 為33.55 mm² 。CFRP的極限強度 f_fu，s 為3.8GPa，彈性模量

E_f，s 為227.5 GPa ，極限拉伸應變 ε_fu，s 為0.016 7。

CFRP是一種復合材料，當CFRP通過特定的方式（如熱壓成型）緊密結合在一起時，就形成了CFRP層壓板。CFRP層壓板在失效前被理想化為線性彈性材料，因此，應變 ε_f 與應力 f_f 之間的關系表示為 f_f=E_fε_f（0?ε_f ?K_mε_fu） ，其中 E_f 為彈性模量， ε_fu 為斷裂應變。層壓板的設計參數為：設計應力 f_fu 為3385 MPa ，應變 ε_fu 為14880με ，軸向剛度為7633N，最大拉力為113.6KN。計算結果表明，未加固梁的開裂載荷、屈服載荷和失效載荷分別為9.8kN、25.5KN和29.5KN。CFRP加固梁的屈服載荷和破壞載荷分別為35.5和 54.5kN CFRP加固梁和帶有錨釘的CFRP加固梁的理論失效載荷相同。

1.2 失效準則

模型假設鋼筋和混凝土中的應變與距離中性軸的距離成正比，從而計算了整個截面上的應變分布。假定當混凝土達到極限壓縮應變值 時，混凝土失效。鋼筋被理想化為線性到屈服，然后完全具有塑性，產生在屈服時的應變 ε_y=2070με 。受拉鋼筋用 f_ct= E_cε_ct（0?ε_ct?ε_ctu） 表示，其中 E 為彈性模量， ε 為應變。彎曲載荷下的最大拉應力 因此，開裂前的最大允許應變為 ε_ctu=（f_ctu/E）=127με 0

1.3試件制備

在試驗室中制作了9根鋼筋混凝土梁，橫截面寬度為 254mm ，高度為 165mm ，長度為 1981mm ，每根梁包括3根受拉鋼筋和2根受壓鋼筋，直徑均為 9.5mm 。所有梁均配備箍筋，直徑為 6.4mm 間距為 152mm ，試件的尺寸和截面細節如圖1所示。所有梁都將在循環加載下進行試驗，表1顯示了疲勞試驗加載制度。試件被分為2組，第一組試件保持在試驗室條件下，第二組試件處于環境條件和 40% 的持續荷載下。

9個鋼筋混凝土梁中有8個用CFRP加固，保留1個作為對照試件，將CFRP黏貼在試件的受拉側。為確保表面干凈和粗糙，梁的受拉側經過了鋼絲刷和加壓空氣的處理。在受拉側上先涂上一層薄底漆，然后涂上環氧樹脂作為黏合劑，CFRP黏貼在環氧樹脂之后，通過釘輥滾動施壓，以避免形成空隙。試件在試驗室環境中固化72 h₀

S5、S7和S9用來研究表面缺陷。層壓板上的3個點被固定住，少量的壓縮空氣被壓縮在CFRP下面，從而產生分層缺陷。為了得到最終的分層形狀，使用釘輥在分層周圍滾動，在加載頭之間的中央位置制造了1次分層缺陷，在加載頭和支座之間的區域外制作了第2次分層缺陷。具有分層缺陷的試驗梁如圖2所示。

為研究環境條件的影響，第二組中有6個試件（S4一 ，將存在分層缺陷和未分層的試件進行配對，并在不同的環境條件下存儲。其中一對試件在戶外露天環境中存放一年，另外兩對試件在暴露于惡劣環境條件下的室內環境中存放。

一個環境周期包括四種循環：50個凍融循環，溫度范圍為 -18^°C～4^°C ；60個極端溫度循環，溫度范圍為-27C～49C ：120個相對濕度循環，濕度范圍為60%～100% ；高低溫循環下的紫外線照射，環境暴露情況如圖3所示。所有三對加固試件都保持在21.0KN持續載荷下，相當于梁預測極限力矩容量的 40% 。

在一個CFRP加固梁上，使用四個錨釘，位于可能在抗彎試驗期間產生剝離和剪切應力的位置，這些錨釘的存在可以使加固梁的抗彎承載力提高 35%^[6] 。錨釘由干玻璃纖維制成，其中一半涂有環氧樹脂，直徑為9. 5± 1.5mm. ，在混凝土上鉆四個孔，孔的尺寸為25.4mm（長度）和12.7mm（直徑），如圖4所示。在梁的拉伸一側涂上底漆和浸漬劑。在使用CFRP后，將預先固化的錨釘插入孔中，并將干玻璃纖維展開覆蓋在CFRP上，涂上第二層浸漬劑，并使用滾釘在CFRP上滾動，以排除空氣

為了研究CFRP與混凝土基材間黏結性能，制備了6個剪切黏結試件。混凝土砌塊的橫截面尺寸為

152mm×152mm ，長度為 254mm 。CFRP條尺寸為813mm×76mm，2 條CFRP被黏結在混凝土砌塊的兩側，CFRP條的黏結部分在混凝土塊的兩側延伸 254mm 2個砌塊之間放置手動千斤頂，間距305mm，千斤頂的容量為111.0KN，使用最大荷載為222.4KN的裝置測量試件，如圖5所示。

2試驗結果

2.1疲勞試驗結果

未加固梁在第1個循環后和 200×10⁴ 個循環后的10周期疲勞試驗中的跨中位移如圖6所示。第1個循環和第 200×10⁴ 個循環的抗彎剛度分別計算為7.45kN/mm和6. 30kN/mm ，相當于下降了 16% 。在初始循環中，CFRP加固梁的剛度增加，約為未加固梁的2倍，即14.80kN/mm。S4初始循環和第 200×10⁴ 個循環的剛度分別為 和11.67kN/mm，如圖7所示， 200×10⁴ 個循環后的剛度下降了 25% 。所有梁的剛度計算結果如圖8所示。由圖8可知，大部分剛度損失發生在第1個循環和第 50×10⁴ 個循環之間。有缺陷的試件與沒有缺陷的試件相比，在整個循環過程中表現出較低的剛度。 S1～S9 試件在 200×10⁴ 個循環的剛度損失和相對剛度計算結果如表2所示。數據顯示，試驗室條件和環境條件的平均損失分別為 15% 和 25% 。經過200×10⁴ 個循環后，除了帶有錨釘的 ，梁的剛度都呈現出更低的趨勢，S7下降幅度最大，達到 34% 。在進行

2.2循環過程中的分層變化

S5分層界面上的應變計測量結果如圖9所示。由圖9可知，初始循環與 50×10⁴ 個循環之間應變值的增加可以間接解釋為某種程度的分層缺陷增大。整個循環過程中的剛度損失增加，分層的加劇似乎并沒有影響試件的性能。根據微波技術成像顯示，在 50×10⁴ 個循環和 200×10⁴ 個循環之間，分層尺寸沒有出現明顯的增長。通過微波檢查記錄的分層面積數據如表3所示。

由表3可知，CFRP總面積為361 290mm²"。將總分層面積除以總CFRP面積，得到總分層面積的百分比。對于85.57 和S9，分層面積百分比分別為 3.85% 、3. 00% 和4. 20% 。

2.3剪切黏結試驗結果

在試驗室條件下，試件的平均失效荷載為72.10KN，標準差為2.80KN。而在環境條件下，試件的平均失效荷載為37.30KN，標準偏差為 4.30kN 環境條件下試件的強度下降了 48% ，所有試件都經歷了CFRP與混凝土的脫黏失效。然而，在環境條件下CFRP上有更多的粗糙表面，這表明失效主要發生在混凝土基底上，而不是經過條件處理的試件中。

3結語

（1）采用CFRP加固顯著提高了鋼筋混凝土梁的抗疲勞性能。經過疲勞試驗，CFRP加固梁增加的剛度約為未加固梁的2倍。

（2）環境條件和持續載荷對梁的彎曲剛度產生顯著影響。在持續荷載和8個環境周期條件下，無缺陷的CFRP加固試件（S6）的剛度降低為試驗室條件下CFRP加固試件（S2）剛度的0.74倍。在持續荷載和4個環境周期條件下，無缺陷的CFRP加固試件（S4）的剛度降低為試驗室條件下CFRP加固試件""剛度的0.93倍。

（3）分層缺陷會導致整個循環過程中的剛度損失增加，但在 50×10⁴"個循環和 200×10⁴"個循環之間，分層尺寸沒有出現明顯的增長。

（4）剪切黏結試驗結果表明，本研究中應用的環境條件對直接剪切中的黏結強度有顯著影響。

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