持載與濕熱環(huán)境下CFRP加固高強混凝土梁結構性能研究

王蘇巖，朱方芳，張紅濤，劉振杰

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

1 試驗設計

1.1 試件制作

試驗采用C60高強混凝土。標準養(yǎng)護28 d后立方體抗壓強度平均值為66.2 MPa。CFRP布使用日本進口東麗碳纖維布，抗拉強度為3 962.5 MPa，彈性模量為240 MPa，名義厚度為0.167 mm，伸長率為1.7%。FRP與混凝土的粘結采用大連凱華JGN型底膠及浸漬膠。

試驗采用截面尺寸為80 mm×120 mm×900 mm簡支梁，凈跨800 mm；梁底部縱向受力鋼筋為2C8，架立筋為2B6，箍筋為C6@60，跨中箍筋間距為80 mm。底部受拉鋼筋跨中位置各粘貼一個應變片以測量鋼筋跨中應變，澆筑混凝土后標準養(yǎng)護28 d。最后，在梁底粘貼兩層尺寸為70 mm×760 mm的碳纖維布，并在試驗梁兩端各粘貼兩層寬70 mm的碳纖維布U型箍加固，見圖1。

圖1鋼筋混凝土梁加固圖

1.2 試驗方法及裝置

試驗采用自行設計的持載裝置對CFRP加固鋼筋混凝土梁施加持續(xù)荷載。持載等級分別為未加固鋼筋混凝土梁極限荷載的0%、30%(10 kN)和60%(20 kN)，持載器和梁底對應位置放置夾式引伸儀以控制荷載施加。持載器及加載裝置見圖2。

圖2鋼筋混凝土梁持載器與加載裝置

由于自然暴露試驗需要很長時間且自然環(huán)境變化因素不可控，該試驗采用環(huán)境模擬加速試驗方法。另外，通常濕熱環(huán)境下的加速試驗方法有：恒溫—恒濕試驗、溫度—濕度循環(huán)試驗、水浸老化試驗等[14]。為了體現(xiàn)溫濕度對CFRP片材和加固構件性能的影響，加速試驗采用恒溫—恒濕條件。試驗濕熱環(huán)境為：溫度分別為20℃、35℃、50℃；濕度均為RH 95%。由于試驗時間有限，同時為了體現(xiàn)濕熱養(yǎng)護時間對試件性能的影響，濕熱養(yǎng)護時間分別設為500 h與1 000 h。對比組試件(溫度為20℃，濕度為RH95%)放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為1 000 h；其他試件組使用YH-40B型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，每組養(yǎng)護時間分別為500 h、1 000 h。

試驗采用1 000 kN電液伺服萬能試驗機對試件進行四點對稱彎曲加載，加載速率為0.2 mm/min。每根梁底粘貼13個應變片?？缰袚隙炔捎昧砍虨?0 mm的LVDT測量。16個試件根據(jù)不同加載等級和濕熱環(huán)境分為五組。依據(jù)不同的溫度，老化時長和持載等級對試件命名：T代表溫度，D代表老化時長，F(xiàn)表示持載等級，例如T35D2F30表示持載等級為30%的試驗梁在溫度為35℃(相對濕度95%)的濕熱環(huán)境中老化1 000 h；未加固梁用N0表示。

2 試驗結果及分析

2.1 極限承載力分析

各持載等級試驗梁在不同環(huán)境作用下的主要試驗結果見表1。

表1 試驗結果

圖3為根據(jù)表1中試驗結果繪出的經(jīng)過1 000 h濕熱環(huán)境作用各試驗梁的極限承載力曲線。由圖3(a)可知，經(jīng)過1 000 h濕熱環(huán)境作用后，各持載等級試驗梁的極限承載力均有明顯降低。顯然在溫度為20℃，濕度為95%環(huán)境下試驗梁極限承載力最高；35℃環(huán)境作用后各持載等級試驗梁極限承載力分別下降8.6%、5.5%、4.5%；50℃環(huán)境作用后各持載等級試驗梁的極限承載力分別下降13.1%、9.1%、5.9%?？梢姡瑵駸岘h(huán)境對試驗梁的極限荷載有明顯不利的影響，隨著溫度升高，不利影響加劇，主要是濕熱環(huán)境對CFRP與混凝土粘結性能產生了不利影響。

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由圖3(b)可知，經(jīng)過1 000 h溫度為20℃濕熱作用，持載等級30%和60%試驗梁的極限承載力較不持載試驗梁的極限承載力分別下降7.0%和11.8%，35℃時分別下降3.8%和7.8%，50℃時分別下降2.8%和4.6%。這說明持載等級對極限荷載產生了顯著不利影響。主要由于試驗梁施加持載后，混凝土及粘結層產生微裂縫，并且持載等級提高，產生的裂縫加劇，溫度提高加劇水分子擴散，水分子更容易滲入混凝土及樹脂膠層，從而造成樹脂的力學性能衰減，加劇膠層劣化。

通過對比圖3(a)、圖3(b)兩圖可知，相同條件下，溫度對加固梁極限承載力的影響比持載等級對加固梁承載力的影響要明顯。

圖3 1 000 h濕熱環(huán)境作用試驗梁的極限承載力曲線

圖4為加固梁在35℃環(huán)境和50℃環(huán)境中分別養(yǎng)護500 h和1 000 h的承載力變化。可知，相同溫濕度環(huán)境和持載等級，老化時間越長，承載力下降越明顯。溫度越高，老化時間的影響越明顯。主要由于隨著老化時間的延長，樹脂膠層裂化程度加劇，粘結強度降低，梁的劣化越嚴重。

圖4濕熱老化時間對加固梁承載力的影響

2.2 抗彎剛度

圖5(a)～圖5(c)為經(jīng)過不同濕熱環(huán)境(1 000 h)老化后各持載等級試驗梁的荷載-跨中撓度曲線。由圖5可以看出，各試驗梁在相同濕熱環(huán)境作用下，試驗梁的持載等級越高跨中撓度越大，即試驗梁的剛度越小。試驗梁的荷載-跨中撓度曲線大致分為上升段、下降段、波動段。上升段主要處于各試驗梁開裂發(fā)展前(大致為16 kN)，各等級試驗梁荷載-撓度曲線基本重合，在這一階段試驗梁的荷載主要由鋼筋混凝土梁承擔，CFRP承擔的荷載較小，試驗梁基本為線彈性； 持載等級的試驗梁的剛度變化趨勢發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為持載等級越高，試驗梁的剛度越小，原因是濕熱環(huán)境加速了CFRP-鋼筋混凝土梁粘結界面的劣化，使得在相同荷載作用下，持載等級越高的梁裂縫發(fā)展越迅速，試驗梁剛度降低越快。

四點彎曲加載試驗過程中，試驗梁加載到30 kN左右時會聽到“噼啪”的響聲，這種聲音主要來自CFRP-混凝土粘結界面與裂縫交接處，CFRP與混凝土膠層剛剛開始發(fā)生剝離，但在荷載-撓度曲線圖中沒有明顯下降段。圖5中荷載-撓度曲線的第一個下降點表示CFRP與混凝土第一次發(fā)生較大幅度剝離。通過對比圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著溫度從20℃、35℃提高到50℃，各試驗梁的荷載撓度曲線波動段逐漸不明顯，50℃情況下明顯趨于平緩，原因是隨著溫度提高，CFRP-混凝土粘結界面劣化程度明顯提高。在圖5(c)中，50℃情況下持載等級為60%的試驗梁已無明顯剝離階段。

圖5(d)為在持載等級為60%情況下不同濕熱環(huán)境下各試驗梁的荷載-跨中撓度曲線。隨溫度提高，樹脂膠層老化程度加劇，CFRP與混凝土的粘結強度逐漸下降。經(jīng)過線彈性階段后，試驗梁的剛度明顯隨著溫度升高而下降，波動段也逐漸不明顯。

圖5試驗梁的荷載-撓度曲線

2.3 破壞形態(tài)

本試驗中CFRP加固鋼筋混凝梁主要為剝離破壞，但其破壞過程及破壞形態(tài)根據(jù)不同的濕熱環(huán)境、濕熱時長和持載等級而有所變化。

根據(jù)圖6(a)可知，在溫度為20℃，濕熱時間為1 000 h時，不同持載等級的試驗梁剝離破壞形態(tài)有明顯區(qū)別。無持載情況下，彎剪段斜裂縫發(fā)展迅速，加載后期寬度明顯超過純彎段豎向裂縫，發(fā)展為主裂縫，在該部位CFRP布開始剝離。原因是無持載情況下，濕熱環(huán)境對界面粘結性能影響較小，混凝土強度低于界面粘結強度，使得CFRP布上粘結大量塊狀混凝土。另外持載作用使混凝土基層及粘結界面產生裂縫損傷，而環(huán)氧樹脂是一種對溫濕度有較高敏感性的材料，濕熱環(huán)境中，水分通過裂縫更容易滲入混凝土基層及環(huán)氧樹脂膠層，明顯降低CFRP與混凝土的粘結強度。從而導致隨著持載等級增加，CFRP布上粘結的混凝土逐漸減少。

由圖6(b)可以看出，在50℃，RH95%，濕熱1 000 h的情況下，不同持載等級的試驗梁均為明顯的剝離破壞，并且在60%持載的試驗梁破壞后CFRP布上幾乎沒有粘結混凝土。由此說明持載與濕熱環(huán)境耦合作用比單一濕熱或持載作用對CFRP加固鋼筋混凝土梁耐久性影響更嚴重。并且在二者的耦合作用下，剝離界面逐漸由混凝土向膠層轉移。

圖6試件的破壞形態(tài)

在50℃的濕熱環(huán)境中，試驗梁出現(xiàn)了受壓區(qū)混凝土壓碎的情況，主要由于溫度降低了界面粘結強度，CFRP不能較好地與梁共同承擔荷載，并且高溫高濕環(huán)境下，降低了梁的剛度，使其撓曲變形較大，以致上部混凝土被壓碎。

2.4 理論分析

根據(jù)Chen J F等[16]試驗與理論研究發(fā)現(xiàn)，應用模型對于本試驗中破壞類型的梁計算承載力的結果偏于安全。本文應用文獻[15]模型對各試驗梁進行承載力的理論計算與分析。加固梁加載破壞時的跨中界面受力情況如圖7所示。

圖7受力計算簡圖

圖7中：h為梁截面高度；h0為受拉鋼筋中心到梁截面頂端距離；xc為受壓區(qū)高度；εcf為CFRP應變；εs為鋼筋應變；εc1為頂端混凝土壓應變；M為截面彎矩；C為混凝土受壓區(qū)合力；Fcf為黏結界面拉力值；fy為鋼筋屈服強度；As為受拉鋼筋面積；xc1為未達到屈服應力的受壓區(qū)混凝土高度；yc為合力作用點C到受壓區(qū)下邊緣的距離。

受壓區(qū)混凝土合力值C和合力作用點到中和軸距離yc采用如下公式進行計算：

(1)

(2)

計算彎矩

(3)

聯(lián)立以上各式，代入相應數(shù)值，應用MATLAB計算出理論結果并與試驗實際數(shù)值進行比較，結果見表2。

表2 計算結果與實驗結果對比

注：Fu為極限荷載，εcf為梁破壞時純彎段CFRP應變的平均值，M為計算彎矩，Mu為實際彎矩。

通過分析表2中的數(shù)據(jù)與計算結果可以發(fā)現(xiàn)，應用Chen and Teng模型進行計算，計算得出的彎矩數(shù)值較實驗實際彎矩值低，數(shù)值偏于安全，離散型較小。并且對比實驗結果與計算結果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過復雜環(huán)境后加固梁安全儲備有所降低，這說明濕熱環(huán)境及持載作用削弱了CFRP與混凝土界面粘結強度，使得剝離發(fā)生迅速，混凝土受壓區(qū)高度變小，從而縮小試驗值與計算值的差距。

3 結 論

(1) 經(jīng)過1 000 h的濕熱環(huán)境作用后，各持載等級試驗梁的極限承載力均有明顯降低。相比于20℃環(huán)境作用，35℃環(huán)境作用后各持載等級試驗梁的極限承載力分別下降了8.6%、5.5%、4.5%；50℃環(huán)境作用后各持載等級試驗梁的極限承載力分別下降了3.1%、9.1%、5.9%。主要是濕熱環(huán)境對CFRP與混凝土粘結性能產生了不利影響；并且當持載等級為30%時，濕熱環(huán)境作用對試驗梁的極限承載力影響較為明顯。

(2) 持載等級越高、濕熱環(huán)境溫度越高、濕熱時間越長試驗梁的跨中撓度越大，即試驗梁的剛度越小。濕熱環(huán)境與持載等級的耦合作用加速了CFRP-鋼筋混凝土梁粘結界面的劣化，50℃情況下持載等級為60%的試驗梁已無明顯剝離階段。

(3) 本試驗中CFRP加固鋼筋混凝梁主要為剝離破壞，但其破壞過程及破壞形態(tài)隨不同的濕熱環(huán)境、濕熱時長和持載等級而有所變化。

(4) 采用Chen and Teng模型計算得出的彎矩數(shù)值較實驗實際彎矩值偏低，計算結果偏于安全，離散型較小且經(jīng)過復雜環(huán)境后加固梁安全儲備有所降低。但由于Chen and Teng模型沒有考慮到濕熱環(huán)境及持載作用對試驗梁極限承載力的影響，建議考慮根據(jù)濕熱環(huán)境等因素的變化對α值或CFRP強度進行折減，對加固梁材料強度下降規(guī)律進一步研究，從而得出更合理計算加固梁承載能力的模型。

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