C/AFRP布加固PPC梁試驗(yàn)研究及理論分析

竇遠(yuǎn)明　鞠培東　史一星　鄧留藏　張晶晶

摘要 為研究C/AFRP布加固PPC梁的力學(xué)性能，進(jìn)行了8根PPC梁的靜載試驗(yàn)和等幅疲勞試驗(yàn)，并與CFRP布和AFRP布加固PPC梁進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：與未加固PPC梁相比，C/AFRP布加固PPC梁的承載力提高了36%，疲勞壽命超過200萬次;與其他加固梁相比，C/AFRP布加固PPC梁的延性和抗疲勞性能更優(yōu)?；趧偠韧嘶p規(guī)律對試驗(yàn)梁進(jìn)行研究，得出抗彎剛度的破壞準(zhǔn)則。

關(guān) 鍵 詞 C/AFRP布;PPC梁;延性;疲勞性能;剛度退化

中圖分類號 U443.35? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Experimental study and theoretical analysis of PPC beams strengthened with C/AFRP sheets

DOU Yuanming1，2， JU Peidong1， SHI Yixing1， DENG Liucang1， ZHANG Jingjing1

（1. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin300401，China; 2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province， Tianjin 300401， China）

Abstract Through static load test and constant amplitude fatigue test of 8 PPC beams， bending mechanical property of PPC beams strengthened with C / AFRP sheets were studied and compared with CFRP and AFRP sheets. The experimental results show that the bearing capacity of the PPC beam strengthened with C/AFRP increases 36%， bending stiffness is enhanced and the fatigue life is more than 2 million. Compared with other reinforced beams， the ductility and fatigue resistance of PPC beams strengthened by C/AFRP are better. Based on the analysis method of Miner linear cumulative damage， the fatigue evolution rule of the test beam has been described， which can be used for the reference of the actual bridge reinforcement design.

Key words C/AFRP sheets; PPC beams; ductility; fatigue behavior; stiffness degradation

0 引言

橋梁作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是交通建設(shè)中重要的組成部分。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，交通流量劇增、車輛速度提高、重載車輛與日俱增，導(dǎo)致部分橋梁隨著使用年限的增長呈現(xiàn)“老齡化”狀態(tài)，甚至有些橋梁已經(jīng)不能滿足正常使用要求[1]。纖維布加固鋼筋混凝土梁能增強(qiáng)原梁的承載能力，提高橋梁的耐久性，延長橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命，是解決橋梁“老齡化”問題的一種有效方法。

自纖維布作為一種加固材料運(yùn)用于加固鋼筋混凝土梁以來，國內(nèi)外學(xué)者對纖維布這種加固方式進(jìn)行了大量研究，具有代表性的有：Mohsen Shahawy等[2]完成的CFRP布加固T形截面梁的疲勞試驗(yàn)，經(jīng)過加固的鋼筋混凝土梁的疲勞壽命顯著提高。鄭文忠等[3]對粘貼無機(jī)膠的CFRP布加固混凝土梁的受彎試驗(yàn)進(jìn)行研究，并提出其承載力的計(jì)算方法。張慎偉等[4]通過AFRP布加固鋼筋混凝土梁的靜載試驗(yàn)得出界面粘結(jié)剪應(yīng)力大小的影響因素，提出能有效避免剝離破壞的具體措施，王興國等[5]對外貼AFRP布加固RC梁沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了分析，得出試驗(yàn)梁受沖擊加載后的破壞形式。

從以往的研究中可以得出，纖維布加固鋼筋混凝土梁的研究重點(diǎn)在單一纖維布的研究上，且很少考慮其彎曲疲勞的變化規(guī)律。C/AFRP布作為一種新型的復(fù)合材料既有較高的強(qiáng)度，又有良好的耐久性，能夠較好的結(jié)合兩種纖維各自的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短[6]。為探究C/AFRP布加固PPC梁的力學(xué)性能，本文采用C/AFRP纖維布加固梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)及等幅疲勞試驗(yàn)，并通過CFRP布和AFRP布加固PPC梁進(jìn)行對比分析?；趧偠韧嘶p規(guī)律對試驗(yàn)梁進(jìn)行研究，得出抗彎剛度的破壞準(zhǔn)則。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件為簡支梁構(gòu)件。計(jì)算跨度3 700 mm，截面尺寸180 mm×200 mm，受力主筋及箍筋為HPB300鋼筋，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，試驗(yàn)梁剖面圖及正截面鋼筋布置圖如圖1所示。試驗(yàn)纖維布及環(huán)氧樹脂浸漬膠均為天津卡本復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)，并通過相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)。C/AFRP布采用混雜比為C∶A=1∶1的層內(nèi)混雜纖維，所有加固梁加固層數(shù)為兩層，為增強(qiáng)每根試驗(yàn)梁的錨固性能，在加固梁端部用浸漬膠粘貼一層U型纖維布條作為附加的錨固措施。

1.2 試驗(yàn)方案

為模擬實(shí)際工程中橋梁使用狀況，對加固梁進(jìn)行預(yù)裂處理，預(yù)裂過程中控制主裂紋裂縫高度，將最大裂縫高度控制在150 mm左右。之后對梁進(jìn)行加固處理。靜載試驗(yàn)采用三環(huán)三通道電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，靜載試驗(yàn)的加載裝置如圖2所示。

本次疲勞試驗(yàn)使用的是JAW-1000/4結(jié)構(gòu)抗震擬動力試驗(yàn)系統(tǒng)。考慮到結(jié)構(gòu)自重，且要滿足實(shí)際交通狀況及試驗(yàn)儀器等條件的影響，本試驗(yàn)將疲勞荷載上限取為0.70倍的極限承載力，即0.7Mu;疲勞荷載下限取為0.20倍的極限承載力，即0.20Mu。疲勞試驗(yàn)的加載裝置如圖4所示。

2 靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.1 靜載試驗(yàn)梁承載力及破壞形態(tài)分析

靜載試驗(yàn)共4根試驗(yàn)梁，本次靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由表中的數(shù)據(jù)可知，相比于未加固梁L1，C/AFRP加固梁L4的實(shí)際極限承載力提高了36.01%，達(dá)到纖維布加固的效果，且與計(jì)算值誤差很小。

2.2 靜載試驗(yàn)梁延性分析

相關(guān)學(xué)者在以往的研究中曾經(jīng)得出過此結(jié)論：纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力顯著提高，但延性會降低[7]。美國加固設(shè)計(jì)指南中建議在抗彎加固設(shè)計(jì)中引入延性系數(shù)來保證截面有足夠的延性[8]，我國《混凝土結(jié)構(gòu)加固規(guī)范》[9]中也有對加固梁的延性提出相關(guān)規(guī)定，因此，分析試驗(yàn)梁的延性是十分必要的。這里采用位移延性系數(shù)[10]：μ=?μ/?y，系數(shù)越大表明其變形能力越強(qiáng)，延性越好。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，與普通PPC梁L1相比，纖維布加固PPC梁的延性降低;相比于L2和L3，L4的延性較大，表明相對于單一纖維布加固梁，C/AFRP布加固梁的延性下降最小。由此得出的結(jié)論：對于混雜纖維布而言，盡管兩種布的彈性模量不同，但其協(xié)同作用完全體現(xiàn)出來，使得加固PPC梁的延性較好的體現(xiàn)出來。延性的好壞將決定構(gòu)件最后的破壞形態(tài)，C/AFRP布加固梁L4有著較好的延性，它們的破壞現(xiàn)象為受壓區(qū)混凝土壓碎，纖維布完好;CFRP布加固梁L2發(fā)生了纖維布剝離破壞，構(gòu)件的延性相比其他加固梁而言偏小。

3 疲勞試驗(yàn)分析

3.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)一共有4根試驗(yàn)梁，L5為未加固梁，L6為CFRP布加固梁，L7為AFRP布加固梁，L8為C/AFRP布加固梁。從表3可以看出，未加固梁L5的疲勞壽命僅為157萬次，而加固梁的疲勞壽命均能達(dá)到200萬次，加固效果顯著。

3.2 疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)梁裂縫發(fā)展

試驗(yàn)梁裂縫分布如圖4。初次加載至疲勞上限附近，L5、L6、L7、L8各梁最大裂縫均在跨中附近，寬度分別為0.11 mm，0.07 mm，0.06 mm，0.05 mm;加載至1萬次停機(jī)，進(jìn)行靜載試驗(yàn)，觀測到C/AFRP加固梁L8的裂縫寬度仍最小，所有梁的裂縫數(shù)量均有所增加;加載至10萬次停機(jī)，進(jìn)行靜載試驗(yàn)，觀測到L5的裂縫寬度有明顯地增加，L6、L7增長較為明顯，C/AFRP加固梁L8裂縫寬度增長較為緩慢;加載至30萬次加固梁L6、L7、L8的裂縫數(shù)量不再增多，尤其是C/AFRP加固梁L8裂縫寬度變化最小，未加固梁L5的裂縫數(shù)量直到50萬次才趨于穩(wěn)定;加載至120萬次停機(jī)時(shí)，未加固梁L5的最大裂縫寬度1.16 mm，此時(shí)梁裂縫發(fā)展迅速，疲勞損傷明顯。加固梁L6、L7、L8的最大裂縫寬度分別為0.23 mm、0.21 mm、0.18 mm，加固梁疲勞性能相對穩(wěn)定;加載至150萬次停機(jī)時(shí)L5的最大裂縫寬度已達(dá)到1.40 mm，且有2條裂縫寬度大于0.5 mm，此時(shí)未加固梁L5損傷嚴(yán)重，即將發(fā)生破壞。加固梁L6、L7裂縫寬度平穩(wěn)增長，最大裂縫寬度分別達(dá)到0.26 mm、0.24 mm，C/AFRP加固梁裂縫寬度僅0.20 mm;加載至200萬次時(shí)，測得L6、L7、L8裂縫寬度分別為0.30 mm、0.29 mm、0.24 mm比150萬次時(shí)裂縫寬度增大到0.04 mm、0.05 mm、0.04 mm，說明加固梁在150萬次后梁體損傷速率加快，但C/AFRP加固梁L8總體疲勞性能優(yōu)于CFRP加固梁L6和AFRP加固梁L7。

3.3 疲勞撓度變化分析

圖6為試驗(yàn)梁在不同疲勞次數(shù)下跨中撓度曲線圖。由圖可知，所有試驗(yàn)梁的撓度隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增加，在疲勞初期各試驗(yàn)梁的撓度增長幅度較快，曲線基本平行發(fā)展，呈良好的線性，說明構(gòu)件始終處于彈性工作狀態(tài)。未加固梁的L5梁在壽命期內(nèi)其撓度增長速率較快，加固梁L6、L7、L8各梁撓度在整個(gè)疲勞荷載階段都穩(wěn)定增長，且增長幅度明顯比未加固梁L5小，這表明纖維布的存在，有效地減緩了試驗(yàn)梁累積損傷，有效地延緩了梁的剛度退化。對于加固梁L6、L7、L8而言，從疲勞使用開始到200萬次結(jié)束，跨中撓度分別增長了4.7 mm、5.8 mm、4.3 mm。因此對變形有很高要求、承受動荷載的結(jié)構(gòu)加固時(shí)可優(yōu)先考慮C/AFRP布。

構(gòu)件的剛度是指構(gòu)件在荷載作用下抵抗變形的能力，即引起單位變形所需要的應(yīng)力。本疲勞試驗(yàn)為集中力加載的簡支梁試驗(yàn)，則沿梁長度方向的彎矩不相等?？紤]到結(jié)構(gòu)的可靠性，本文參照“最小剛度原則”進(jìn)行分析，即跨中彎矩所對應(yīng)的剛度，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中撓曲線方程來計(jì)算試驗(yàn)梁的抗彎剛度B

B=a（Ml/f）， （1）

式中：B為試驗(yàn)梁抗彎剛度;M為疲勞荷載作用下最大彎矩;f為疲勞荷載作用下最大撓度;α為相關(guān)系數(shù)，可由結(jié)構(gòu)力學(xué)中圖乘法求得。

本次試驗(yàn)選取1萬次，10萬次、30萬次、50萬次、100萬次、150萬次、200萬次和加固梁即將達(dá)到破壞時(shí)的剛度進(jìn)行分析。

圖6為疲勞試驗(yàn)結(jié)果得出的剛度退化曲線規(guī)律，由圖像可知，所有試驗(yàn)梁呈現(xiàn)出3階段發(fā)展規(guī)律：

1）快速衰減階段，約占整個(gè)循環(huán)的5%～10%，此階段剛度退化快，可見循環(huán)初期疲勞荷載對構(gòu)件梁剛度影響較大。

2）衰減穩(wěn)定發(fā)展階段，此階段約占整個(gè)疲勞的70%～80%，構(gòu)件整體達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，剛度衰減呈線性發(fā)展關(guān)系。

3）迅速破壞階段，此階段約占整個(gè)疲勞的10%～20%，剛度迅速減少，最終導(dǎo)致破壞。

由現(xiàn)場試驗(yàn)現(xiàn)象可知，疲勞試驗(yàn)試驗(yàn)梁破壞最終破壞均為鋼筋疲勞破壞，剛度退化曲線所選取的剛度均為破壞前試驗(yàn)梁正常工作狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)。由此可見，在疲勞破壞前可能沒有任何征兆，破壞時(shí)試驗(yàn)梁的剛度可能由某一數(shù)值驟降到0。因此，研究試驗(yàn)梁的疲勞破壞準(zhǔn)則很有必要。

3.4 疲勞試驗(yàn)PPC梁破壞準(zhǔn)則分析

為研究試驗(yàn)梁在疲勞荷載作用下的破壞準(zhǔn)則，需要對試驗(yàn)所求剛度進(jìn)行處理，定義損傷變量為

D=1-（B/B）， （2）

該損傷變量是針對某個(gè)循環(huán)的，D=0時(shí)試驗(yàn)梁為無損傷狀態(tài)，損傷變量D是單調(diào)遞增且不可逆的函數(shù)，表4為所求數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4列出試驗(yàn)梁剛度及損傷量的相關(guān)結(jié)果，未加固梁的破壞抗彎剛度比為0.7;纖維布加固梁的破壞抗彎剛度比均值為0.813，方差為0.000 289。說明無論初始模量為多少，對于纖維布加固梁而言，只要試驗(yàn)梁損傷量D達(dá)到0.187，即抗彎剛度衰減至0.813時(shí)，加固梁將發(fā)生破壞。同理，未加固梁損傷量D達(dá)到0.3時(shí)，試驗(yàn)梁也發(fā)生破壞。

對于此類PPC梁，可以提出如下破壞建議公式：

1）對于普通PPC梁而言：

B>B=0.7B， （3）

即以抗彎剛度與初始抗彎剛度的比值為0.7為纖維布加固PPC的破壞準(zhǔn)則。

2）對于FRP布加固PPC梁而言：

B≥B=0.813B， （4）

即無論何種纖維布進(jìn)行加固，以抗彎剛度與初始抗彎剛度的比值為0.813為纖維布加固PPC的破壞準(zhǔn)則。

4 結(jié)語

通過靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，得出以下結(jié)論：

1）C/AFRP布加固梁與未加固梁對比，承載力提高了36%，疲勞壽命超過200萬次，達(dá)到預(yù)期加固效果;

2）C/AFRP布加固梁與CFRP布和AFRP布加固梁對比，其延性最優(yōu)。在疲勞試驗(yàn)中，構(gòu)件的裂縫發(fā)展速度降低，疲勞累積損傷明顯減緩。相比于單一纖維布加固技術(shù)，C/AFRP加固技術(shù)優(yōu)勢明顯;

3）基于剛度退化原理對試驗(yàn)梁的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行研究，得出PPC梁建議破壞公式，為PPC梁的加固及工程檢測提供理論依據(jù)。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]