碳纖維板材加固橋梁受拉區(qū)混凝土界面性能研究

吳紅權(quán)

(中鐵五局集團(tuán) 第六工程有限責(zé)任公司，重慶 401120)

0 引言

隨著土木工程技術(shù)的大力發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)日趨大型化、復(fù)雜化，使得以橋梁工程為主的交通線路上重要結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)難度在不斷提升，同時(shí)，由于環(huán)境、材料、超載運(yùn)營(yíng)等因素的作用導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地發(fā)生各種損傷。這些結(jié)構(gòu)性損傷隨著時(shí)間的累積而不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)致命性損壞，嚴(yán)重危及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。針對(duì)橋梁、建筑工程等大型混凝土構(gòu)件，一種基于碳纖維材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)的混凝土加固技術(shù)逐漸被國(guó)內(nèi)外工程師所重視并進(jìn)行了相關(guān)研究［1－3］。由于碳纖維材料的高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗腐蝕性好、施工操作方便等特點(diǎn)，成為了人們研究的熱點(diǎn)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，碳纖維材料加固混凝土構(gòu)件的成功與否主要取決于該材料與混凝土之間粘結(jié)性能的好壞［4～6］，在碳纖維材料與混凝土界面粘結(jié)效果保證良好的情況下，能充分發(fā)揮碳纖維抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，與被加固結(jié)構(gòu)形成受力統(tǒng)一的整體，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力的目的。反之，若碳纖維材料與混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度不高，則碳纖維材料的性能優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮，會(huì)大大降低加固效果。因此，針對(duì)碳纖維材料與混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能研究是十分關(guān)鍵問題，對(duì)于采用碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)而言，影響其界面粘結(jié)性能的因素有很多，本文著重從粘結(jié)劑的種類以及粘結(jié)膠層的厚度著手，通過理論分析和試驗(yàn)研究的方法探討不同粘結(jié)膠層剛度和不同膠層厚度對(duì)界面粘結(jié)性能的影響。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)我省國(guó)道上某T 梁橋碳纖維板加固工程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的加固效果。

1 碳纖維－混凝土粘結(jié)界面模型

碳纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的界面受力模型一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的調(diào)查研究表明，碳纖維－混凝土的截面模型根據(jù)其本構(gòu)關(guān)系可以分為粘結(jié)強(qiáng)度模型［7］和粘結(jié)滑移模型［8］兩大類。粘結(jié)強(qiáng)度模型主要針對(duì)碳纖維與混凝土界面發(fā)生剝離時(shí)的極限承載力進(jìn)行分析，無法給出其剝離過程和應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。而粘結(jié)滑移模型相關(guān)更為復(fù)雜，能夠解釋碳纖維－混凝土界面的剝離過程。國(guó)內(nèi)外大量的研究多是針對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度模型而開展的，由于粘結(jié)滑移模型復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系和非線性問題使得這方面的研究相對(duì)要少得多。陸新征等人［9］根據(jù)現(xiàn)有的12 個(gè)粘結(jié)強(qiáng)度模型和5 個(gè)界面粘結(jié)滑移模型為基礎(chǔ)，給出了一種碳纖維－混凝土界面的雙線性粘結(jié)滑移模型。

碳纖維－混凝土之間發(fā)生剝離的極限承載力按式(1)～式(7)計(jì)算:

式中:L 為碳纖維材料與混凝土的粘結(jié)長(zhǎng)度;Le為碳纖維材料的有效粘結(jié)長(zhǎng)度，根據(jù)公式(3)可以求得;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度;βf為碳纖維材料與混凝土界面的寬度影響系數(shù);Ef為碳纖維材料受拉彈性模量;tf為碳纖維材料厚度;S0為碳纖維材料與混凝土在極限剝離時(shí)的相對(duì)滑移量，由S0=0.019 5βfft+Se求得，Se為界面總滑移量中的彈性部分，由粘結(jié)膠層的剪切剛度和混凝土的剪切剛度所所決定;Gf為界面破壞能

通過碳纖維材料與混凝土間的界面滑移模型，可以計(jì)算得出碳纖維材料加固結(jié)構(gòu)的極限剝離承載力。這是研究界面粘結(jié)性能的基礎(chǔ)。

2 碳纖維材料加固混凝土雙剪模型試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)

為了研究碳纖維材料與混凝土界面間粘結(jié)性能與其參數(shù)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)了多種界面性能試驗(yàn)方法，包括直接拉拔試驗(yàn)、單邊剪切試驗(yàn)和雙邊剪切試驗(yàn)。本文在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之上［10］，設(shè)計(jì)了一種碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的雙面剪切試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型如圖1 所示，由兩個(gè)尺寸為300 mm×150 mm×150 mm 的C30 混凝土立方體試塊構(gòu)成，取其中兩面粘貼厚度為1 mm 的碳纖維板，碳纖維板抗拉強(qiáng)度為2 400 MPa，受拉彈性模量為1.65×105MPa。根據(jù)碳纖維有效粘結(jié)長(zhǎng)度的理論，為了使界面破壞發(fā)生在預(yù)計(jì)的一側(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種碳纖維粘貼長(zhǎng)度，分別為200 mm 和100 mm，以此保證在有效粘貼長(zhǎng)度范圍內(nèi)，界面最終的破壞會(huì)發(fā)生在粘貼長(zhǎng)度較短的一端。為了減少試驗(yàn)過程中兩混凝土試塊由于軸線不對(duì)稱而導(dǎo)致的偏心受力影響，在兩試塊連接處設(shè)置了由4 組鋼套筒組成的連接裝置。

圖1 雙剪模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)

根據(jù)本試驗(yàn)需要研究的影響參數(shù)，設(shè)計(jì)了3 種不同的模型，根據(jù)不同粘結(jié)膠和不同膠層厚度分類如表1。通過試驗(yàn)結(jié)果可以得到不同膠層厚度和不同粘結(jié)膠剛度對(duì)界面粘結(jié)性能的影響，其中，對(duì)于文中采用的兩種粘結(jié)膠的性能參數(shù)如表2 所示。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 兩類粘結(jié)劑性能表

2.2 測(cè)試方案

碳纖維板材加固混凝土結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能的研究主要通過靜載試驗(yàn)完成，試驗(yàn)過程中主要測(cè)量碳纖維板的應(yīng)變、界面極限承載能力和破壞特征。通過在預(yù)計(jì)破壞的一端布置間距為1 cm 的應(yīng)變片測(cè)量碳纖維材料在加載過程中的局部剪應(yīng)力，分析其受力傳遞規(guī)律與破壞模式。具體應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。本文的靜載試驗(yàn)加載裝置采用MTS 萬能材料試驗(yàn)機(jī)，從0 kN 開始加載，按2 kN 一級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載，記錄試驗(yàn)過程中碳纖維板材各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化和界面破壞特征，加載直至界面發(fā)生剝離破壞，應(yīng)變測(cè)量采用TDS－303 靜態(tài)應(yīng)變采集儀。

圖2 靜載試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量布置

3 靜載試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 雙線性粘結(jié)滑移模型有效性分析

通過對(duì)3 個(gè)雙剪模型試件的靜載試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)試件的界面破壞均發(fā)生在碳纖維板材粘結(jié)長(zhǎng)度較短的一端，很好的證明了有效粘結(jié)長(zhǎng)度理論［11］，最終的破壞形式均為碳纖維板材與混凝土之間的膠層界面發(fā)生剝離破壞(圖3)。靜載試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)混凝土的劈裂破壞，說明混凝土強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。表3 為3 個(gè)試件主要試驗(yàn)結(jié)果。其中界面剝離破壞的極限荷載為本文第1 節(jié)給出的雙線性粘結(jié)滑移模型所計(jì)算得到。

圖3 碳纖維板材界面剝離破壞

表3 主要試驗(yàn)結(jié)果

從上表中可以看到，碳纖維板材與混凝土間的界面極限剝離承載力理論計(jì)算值為37.1 kN，而實(shí)際試驗(yàn)值為33、42、40 kN，理論值與實(shí)測(cè)值間最大誤差為13%，考慮到試驗(yàn)誤差等因素，可以認(rèn)為碳纖維－混凝土界面的雙線性粘結(jié)滑移模型能較好地模擬界面的實(shí)際破壞。

3.2 粘結(jié)膠層剛度對(duì)界面極限承載力的影響

表3 中給出了不同種類的粘結(jié)膠(試件1 和試件2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)別。包括本文提到的碳纖維－混凝土界面的雙線性粘結(jié)滑移模型在內(nèi)，一般的粘結(jié)強(qiáng)度模型和粘結(jié)滑移模型都認(rèn)為膠層剛度對(duì)界面極限承載能力的影響并不顯著，把其看作一個(gè)不變的常量。而本試驗(yàn)所采用的兩種粘結(jié)膠，不同的粘結(jié)膠層剪切剛度有所差異，從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，由于破壞發(fā)生在碳纖維和混凝土界面間的膠層中，因此對(duì)于不同的膠層剪切剛度，我們認(rèn)為界面破壞時(shí)極限承載能力也有所不同。

3.3 粘結(jié)膠層厚度對(duì)界面極限承載力的影響

試件2 和試件3 為同一種粘結(jié)膠不同膠層厚度的兩個(gè)對(duì)比試件，從靜載試驗(yàn)結(jié)果可以看到，對(duì)于不同膠層厚度，其界面破壞的極限承載能力也有差異。對(duì)于膠層厚度較薄的試件，最終極限承載力要稍高于膠層厚度大的試件。圖4 ～圖6 為兩對(duì)比試件碳纖維板材在粘結(jié)區(qū)端部(0 cm)、中部(5 cm)和前端(10 cm)的應(yīng)變變化對(duì)比圖。

圖4 粘貼區(qū)端部(0 cm)應(yīng)變對(duì)比

圖5 粘貼區(qū)中部(5 cm)應(yīng)變對(duì)比

圖6 粘貼區(qū)前端(10 cm)應(yīng)變對(duì)比

從上圖可以看到，由于膠層厚度的影響導(dǎo)致兩試件碳纖維界面同一位置的應(yīng)變有所區(qū)別，膠層厚度大的試件在各級(jí)荷載作用下碳板的應(yīng)變要大于膠層厚度較小的試件，這說明隨著粘結(jié)膠層厚度的增大，其剪切剛度相應(yīng)減少，碳纖維－混凝土間的整體受力性能會(huì)隨之減弱，局部位置的變形會(huì)有所增大，最終導(dǎo)致界面發(fā)生剝離破壞時(shí)極限承載力下降。

4 基于研究結(jié)果的工程應(yīng)用

我省國(guó)道上某橋梁全長(zhǎng)40 m，寬9 m，為正交結(jié)構(gòu)，橋梁上部結(jié)構(gòu)為2×20 m 鋼筋混凝土空心板，下部結(jié)構(gòu)為重力式橋墩(臺(tái))，該橋迄今為止已服役運(yùn)營(yíng)近46 a，由于超載等因素導(dǎo)致橋梁承載能力不足，不能滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)荷載等級(jí)。針對(duì)該橋狀況，擬采用碳纖維板材加固技術(shù)對(duì)橋梁各跨的空心板底受拉區(qū)進(jìn)行加固，以提高主梁的抗彎剛度，減小撓曲變形及受力裂縫。

根據(jù)前述碳纖維－混凝土界面性能試驗(yàn)研究結(jié)果，我們知道，加固后結(jié)構(gòu)的極限承載能力會(huì)隨著加固粘結(jié)膠層剛度和粘結(jié)膠層厚度的變化而不同，為了達(dá)到最好的加固效果，充分發(fā)揮碳纖維板材受拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，本文對(duì)該橋加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，將原設(shè)計(jì)方案的粘結(jié)膠層厚度由2 mm 優(yōu)化為1.2 mm。由表3 以及圖4 ～圖6 的結(jié)果得到，隨著粘結(jié)膠層厚度從2 mm 減少至1.2 mm，碳纖維板材與混凝土界面的極限承載力增大了5%。對(duì)全橋空心板底加固粘結(jié)膠層厚度調(diào)整之后，能有效地提高加固后結(jié)構(gòu)的承載能力，避免碳纖維材料在發(fā)生破壞前主體結(jié)構(gòu)已失效的現(xiàn)象(圖7)。

圖7 某混凝土空心板橋加固效果

5 結(jié)論

1)雙線性粘結(jié)滑移模型能很好地模擬碳纖維－混凝土界面間的受力情況，能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出界面發(fā)生剝離破壞時(shí)的極限承載力。

2)不同粘結(jié)膠層對(duì)界面極限剝離承載力有一定影響，由于不同種類粘結(jié)膠剪切剛度的差異，導(dǎo)致界面發(fā)生破壞時(shí)極限承載力不同，因此本文認(rèn)為界面的極限承載能力與膠層剪切剛度之間存在一定關(guān)系，在今后的計(jì)算中可以考慮此因素的影響。

3)碳纖維材料粘結(jié)膠層的厚度對(duì)界面破壞時(shí)極限承載力也存在一定影響，隨著膠層厚度的增大，碳纖維與混凝土間整體受力性能隨之減弱，從而影響界面極限承載能力。

4)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，調(diào)整碳纖維板材加固橋梁受拉區(qū)膠層厚度和剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)能有效地提高加固后橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力，對(duì)保障橋梁安全、提高材料利用率有很大幫助。

［1］曹雙寅，潘建伍，陳建飛，等.外貼纖維與混凝土結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27(1):99－105.

［2］陸新征，譚 壯，葉列平，等.FRP－混凝土界面粘結(jié)性能的有限元分析［J］.工程力學(xué)，2004，21(6):45－50.

［3］黃 冰，藺新艷.FRP 與混凝土界面粘結(jié)性能研究綜述［J］.廣西水利水電，2006(2):14－16.

［4］李 果，王文煒，王國(guó)成.FRP 加固的鋼筋混凝土梁剝離破壞研究綜述［J］.混凝土，2003(8):37－42

［5］Yao J，Teng J G，Chen J F.Experimental study on FRP-to-concrete bonded joints［J］.Composites partB:Engineering，2005(36):99－113

［6］邢建英，楊勇新.FRP 加固構(gòu)件的粘結(jié)機(jī)理綜述［J］.福建建筑，2008(6):45－48.

［7］J.F.Chen，J.G.Teng.Anchorage Strength Models for FRP and Steel Plates Bonded to Concrete［J］.Journal of Structural Engineering，2001(7):784－891

［8］Monti M，Renzelli M，Luciani P.FRP adhesion in uncracked and cracked concrete zones［Z］.Proc.6th Int.Symp.on FRP Reinforcement for Concrete Structures.World Scientific Publications，Singapore，2003:183－192.

［9］陸新征，葉列平，滕錦光，等.FRP－混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)模型［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005，26(4):10－18.

［10］Yanchun Yun，Yu－Fei Wu，Wai Ching Tang.Performance of FRP bonding systems under fatigue loading［J］.Engineering Structures，2008，30(11):3129－3140.

［11］姚 諫，滕錦光.FRP 復(fù)合材料與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(5):10－23.