FRP片材加固界面補(bǔ)丁式剝離損傷的光纖檢測技術(shù)

許 穎，李偉文2，王德祥，張威凱

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 城市與土木工程防災(zāi)減災(zāi)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518055；2.深圳大學(xué) 廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 深圳 518060)

近十多年來,FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)外貼補(bǔ)強(qiáng)加固方法已成為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中常用的方法。其最常用的方法是將FRP片材通過環(huán)氧樹脂黏貼在加固部位的表面。外貼FRP片材能否有效地提高加固后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力，主要取決于FRP片材與構(gòu)件界面能否有效地傳遞應(yīng)力[1]。然而粘結(jié)界面上的兩種材料具有不同的物理特性，使得FRP片材與構(gòu)件的粘結(jié)界面成為整個(gè)加固構(gòu)件的薄弱處[2]。這種原因引起的FRP加固破壞稱為FRP加固結(jié)構(gòu)界面剝離破壞。這種破壞是一種脆性破壞[3-7]，在材料受到反復(fù)載荷時(shí)會逐漸擴(kuò)大，甚至導(dǎo)致材料失效，從而制約了FRP加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展。如果能夠用一種簡單、快速、安全、有效的無損檢測方法，在剝離的發(fā)展初期就及時(shí)檢測其位置和大小并加以處理，對結(jié)構(gòu)加固工程來說具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對于FRP 加固構(gòu)件界面缺陷或剝離破壞的無損檢測，傳統(tǒng)的方法有超聲技術(shù)[8]、X 射線技術(shù)[9]、聲發(fā)射技術(shù)和紅外檢測技術(shù)[10]，但各存在缺點(diǎn)和局限性。20世紀(jì)80年代末開始，人們開始利用光纖傳感器來檢測FRP材料內(nèi)部的分層[11]，當(dāng)時(shí)使用的是光強(qiáng)損失測量技術(shù)和波長調(diào)制技術(shù)，這些方法能夠檢測出剝離層的存在，但不能檢測出剝離層的位置和大小。許穎、江毅等[12-15]利用光纖干涉儀對復(fù)合材料梁內(nèi)部的貫穿式或補(bǔ)丁式分層進(jìn)行檢測，可較準(zhǔn)確地判定復(fù)合材料梁內(nèi)部分層的存在及其位置和大小，從理論和試驗(yàn)上都驗(yàn)證了此方法的正確性與可行性。

筆者使用軟膠榔頭在FRP片材表面沿著預(yù)定的位置逐點(diǎn)施加荷載，通過黏貼在FRP片材表面的光纖干涉儀傳感臂(沿梁長方向)測量FRP片材表面的積分應(yīng)變量(即FRP片材在荷載作用下的沿長度方向的總變形量，光纖的積分應(yīng)變量即FRP片材的總變形量)。通過數(shù)據(jù)處理得出加載位置與光纖積分應(yīng)變量的關(guān)系曲線，由于剝離層對FRP片材的局部影響,在剝離層區(qū)域和未剝離層區(qū)域加載時(shí)產(chǎn)生的積分應(yīng)變量會發(fā)生突變，反映到積分應(yīng)變曲線上就是曲線位于剝離層處的曲率或正負(fù)值發(fā)生突變，故可由曲率或正負(fù)值的突變來判定剝離層的位置和大小。此方法對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)及鋁合金板結(jié)構(gòu)的補(bǔ)丁式剝離層檢測都取得了不錯的效果，證明了該方法對FRP加固件剝離層具有較好的檢測性。

1 剝離層檢測技術(shù)原理

圖1 檢測原理及檢測系統(tǒng)

該方法的檢測原理如圖1所示。圖1中有一任意支撐條件下的FRP 加固梁，沿著梁的長度方向人為加一個(gè)逐點(diǎn)移動的荷載(單位力)。當(dāng)荷載在某一點(diǎn)時(shí)，梁受力變形，得到梁的一個(gè)總變形量。當(dāng)有剝離層發(fā)生時(shí), 從理論上來說梁的變形量會受到干擾，其變形量與沒有剝離層時(shí)的變形量不同，其差別取決于剝離層的大小和加載力的位置。當(dāng)外加力不在剝離層上時(shí)，有剝離層加固梁和無剝離層加固梁變形量不會有明顯的變化；當(dāng)外力加到剝離層上時(shí)，有剝離層加固梁和無剝離層加固梁變形量會有較大的變化,這個(gè)突變是由于剝離層的局部影響產(chǎn)生的。這時(shí)所加力的位置就是剝離層的位置，變形量變化的幅度就反映了剝離層的大小。

2 試驗(yàn)制備與試驗(yàn)過程

2.1 被加固構(gòu)件材料

試驗(yàn)中分別選擇混凝土梁和鋁合金板作為被加固構(gòu)件。這兩種加固構(gòu)件可分別作為連續(xù)和簡支情況來研究不同支撐條件下，此方法對剝離層的檢測效果。采用的混凝土強(qiáng)度為C30，制作截面尺寸(邊長×邊長)為60 mm×60 mm，長度為800 mm的混凝土梁，使其在常溫和正常濕度條件下養(yǎng)護(hù)30 d。待試件制作成型后，用砂紙將梁的上表面打磨平滑，并清除打磨面的灰塵。采用的鋁合金板的尺寸(長×寬×厚)為600 mm×60 mm×3 mm，用丙酮清除鋁合金板表面的灰塵，確保其表面的清潔。

2.2 加固片材及剝離層的制作

FRP加固件的剝離層一般出現(xiàn)在黏貼界面內(nèi)部，即補(bǔ)丁式剝離層，如圖2(a)所示。人為制作這種剝離層有一定困難。為簡化試驗(yàn)，在保證試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合的前提下，考慮到剝離層、荷載以及支撐形式的對稱性，可將補(bǔ)丁式剝離層簡化為半補(bǔ)丁式剝離層，其結(jié)構(gòu)示意如圖2(b)所示。制作FRP加固片材時(shí)，選用4層尺寸(長×寬)為400 mm×50 mm的FRP布，用A組份與B組份配合比為3∶1配制成的環(huán)氧樹脂，將4層FRP布逐層黏貼在被加固試件的表面。

在黏貼FRP布的過程中，在設(shè)定的剝離層位置將按規(guī)定尺寸預(yù)先裁剪好的特氟龍布(厚度約0.5 mm)放入FRP布與被加固件的界面之間來制作人為半補(bǔ)丁式剝離層，特氟龍布需要有一定的寬度伸出被加固構(gòu)件外，以便環(huán)氧樹脂硬化后取出；然后在加固構(gòu)件表面逐層刷環(huán)氧樹脂并逐張黏貼FRP布。

FRP布黏貼完成后，將試件放置在室內(nèi)常溫下養(yǎng)護(hù)，24 h后將放置在黏貼界面的特氟龍布逐片取出，這樣就在加固界面特定部位形成了特定尺寸的半補(bǔ)丁式剝離層，剝離層尺寸(長×寬)為40 mm×20 mm，厚度約為0.5 mm。將帶剝離層的FRP加固件在室內(nèi)正常條件下養(yǎng)護(hù)3 d以上，使環(huán)氧樹脂完全固化。

2.3 試驗(yàn)布置

為了得到相同荷載下光纖變形量對應(yīng)荷載位置的曲線，設(shè)計(jì)了檢測系統(tǒng)[16](見圖1)。光纖干涉儀裝置由激光器，2×2耦合器， 3×3耦合器及解調(diào)器組成。試驗(yàn)中，將用作傳感臂的光纖用寬為5 mm的雙面膠條沿梁的長度方向?qū)⑵漯べN在FRP片材表面，通過帶有力傳感器的B&K 8202軟膠榔頭施加荷載。為了盡量降低噪聲對光纖信號的影響，使用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，即用手握住榔頭輕輕下壓FRP加固片材然后很快釋放，由于在某一點(diǎn)上的加力過程只有零點(diǎn)幾秒的時(shí)間，故認(rèn)為噪聲在這段時(shí)間內(nèi)對信號的影響很小，可忽略不計(jì)。試驗(yàn)采樣頻率為2 kHz，采樣時(shí)間為50 s。

光纖黏貼位置和加載位置如圖3所示。圖3中0 mm線、B/2線、B線、10 mm線為傳感臂光纖的黏貼位置;其中的0 mm線、B線和10 mm線同時(shí)也用作加載線，沿著加載線在圖示試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)每隔10 mm布置一個(gè)加載點(diǎn)。

在試驗(yàn)過程中，用軟膠榔頭在預(yù)定的下壓點(diǎn)逐點(diǎn)施加荷載，使FRP片材產(chǎn)生輕微的變形，通過光纖干涉儀可以測量出荷載作用在此點(diǎn)上時(shí)傳感光纖的變形幅度。同時(shí)，荷載由榔頭傳遞到電荷放大器(B&K2635)，經(jīng)放大后傳遞到示波器(Tektronix2212)中，并由示波器記錄出荷載的峰值。如此，沿著加載線上的加載點(diǎn)從左往右逐點(diǎn)施加荷載，得到加載位置與FRP片材變形量的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出加載位置和變形量的關(guān)系曲線。從曲線上的每個(gè)峰值得出每次加載時(shí)的光纖應(yīng)變量，根據(jù)施加的荷載值求得在單位荷載下加載點(diǎn)與應(yīng)變量的歸一化關(guān)系曲線，分析曲線的變化規(guī)律進(jìn)而找出剝離破壞層的位置和大小，并根據(jù)曲線上某段位置處的曲線曲率突變情況來分析文章所提方法對剝離層的可測性以及各種因素的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 FRP加固混凝土梁結(jié)構(gòu)剝離層的可測性研究

對于FRP加固混凝土梁，由于在平面內(nèi)混凝土梁的抗彎剛度遠(yuǎn)大于FRP片材的抗彎剛度，因此當(dāng)施加的荷載較小時(shí)，檢測到的變形主要是由FRP片材產(chǎn)生的，而混凝土梁幾乎無變形，則可近似看作FRP片材連續(xù)支撐于混凝土梁上。對于連續(xù)支撐下的無損FRP加固件，其在逐點(diǎn)加載條件下的積分應(yīng)變數(shù)值很小且接近常數(shù)，曲線為一近似水平的直線(兩端除外)[13]。

為研究試驗(yàn)方法對連續(xù)支撐下補(bǔ)丁式剝離層的可測性，以剝離層尺寸(長×寬)為40 mm×20 mm的FRP加固混凝土梁為研究對象(剝離層分別設(shè)置在最易開展的跨中和端部)，分別以光纖黏貼位置和加載線位置為獨(dú)立變量來分析此兩個(gè)因素對試驗(yàn)的影響。圖4為加載線固定在0 mm線，光纖分別黏貼在0 mm線，10 mm線和B/2線的歸一化積分應(yīng)變曲線(L表示試驗(yàn)中剝離層實(shí)際位置的長度)。圖5為光纖位置固定在0 mm線，加載線分別設(shè)于0 mm線，10 mm線和B/2線或B線的歸一化積分應(yīng)變曲線。受試驗(yàn)誤差的影響，文章對于檢測的剝離層大小與實(shí)際剝離層大小相差在一個(gè)加載間隔即10 mm之內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為檢測結(jié)果是正確的。

圖4 加載線位于0 mm線,光纖黏貼于不同位置時(shí)的加載點(diǎn)與積分應(yīng)變歸一化曲線

圖5 光纖黏貼線位于0 mm線,加載線位于不同位置時(shí)的加載點(diǎn)與積分應(yīng)變歸一化曲線

由圖4,5可知, 對于連續(xù)支撐下的FRP加固件，當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層(0 mm線和B/2線或B線)且光纖黏貼線經(jīng)過剝離層時(shí)(0 mm線和B/2線)，剝離層位置光纖的積分應(yīng)變量發(fā)生了較大突變，且當(dāng)剝離層位于端部時(shí)積分應(yīng)變量從受壓變成了受拉[見圖4(b)和圖5(b)]，也就是在剝離層兩端對應(yīng)位置曲線的曲率(對跨中剝離)或者正負(fù)值(對端部剝離)有較大突變，此時(shí)可以用曲率或正負(fù)值有較大突變的線段始末點(diǎn)作為剝離層始末點(diǎn)，圖中判別的剝離層大小和位置與實(shí)際剝離層大小(L)和位置基本吻合，故認(rèn)為在這種條件下光纖干涉法能夠檢測出任何位置剝離層的大??；當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層而光纖黏貼線未經(jīng)過剝離層時(shí)(光纖黏貼在10 mm線)(見圖4) 或當(dāng)光纖位置經(jīng)過剝離層而加載線未經(jīng)過剝離層時(shí)(加載線為10 mm線)(見圖5)，無論剝離層在何位置，曲線為一條近似直線且剝離層位置沒有明顯的曲率或正負(fù)值突變，故無法準(zhǔn)確判斷剝離層的位置和大小。

綜上可知，對于連續(xù)支撐下的FRP加固件補(bǔ)丁式剝離層，只有當(dāng)光纖和加載線都經(jīng)過剝離層位置時(shí)，才能通過該方法準(zhǔn)確檢測出剝離層的位置和大小。這是因?yàn)閷τ谶B續(xù)支撐條件下的FRP片材，當(dāng)光纖和加載線都經(jīng)過剝離層位置時(shí)，在未剝離層區(qū)域加載僅使FRP片材產(chǎn)生總體變形且數(shù)值很小(為一常數(shù))[13]，而在剝離區(qū)域加載會引起FRP片材的局部變形且其比FRP片材的總體變形要大，反映到積分應(yīng)變曲線上為對應(yīng)于剝離層兩端處的曲線曲率或正負(fù)值(端部剝離的FRP片材相當(dāng)于端部懸挑的FRP梁，在荷載作用到剝離層上部時(shí)懸挑部分受拉，故光纖積分應(yīng)變量從受壓變成受拉)發(fā)生較大突變，此時(shí)可以用曲率或正負(fù)值有較大突變的線段始末點(diǎn)作為剝離層始末點(diǎn)從而判斷剝離層的位置和大小。當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層而光纖黏貼線不經(jīng)過剝離層時(shí)，雖然載荷加載到剝離層區(qū)域時(shí)仍然會引起剝離層的局部變形，但這個(gè)局部變形對黏貼于非剝離區(qū)域的光纖傳感臂的變形影響較小，其積分應(yīng)變曲線為一條近似直線，故不能準(zhǔn)確檢測出剝離層的位置和大?。划?dāng)光纖黏貼線經(jīng)過剝離層而加載線未經(jīng)過剝離層時(shí)，由于加載線未經(jīng)過剝離層不能使剝離層產(chǎn)生局部變形，因而得出的積分應(yīng)變曲線為一條近似直線，也不能準(zhǔn)確檢測出剝離層的位置和大小。由圖4，5中曲線突變的明顯程度可以看出，當(dāng)加載線和光纖黏貼位置距離剝離層越遠(yuǎn)，其曲線的曲率或正負(fù)值突變越不明顯，該方法對剝離層的可測性也就越發(fā)減弱。

3.2 FRP加固鋁合金板結(jié)構(gòu)剝離層的可測性研究

對于FRP加固鋁合金板梁，由于鋁合金板的厚度約為3 mm，在平面內(nèi)FRP片材的抗彎剛度相較與鋁合金板的抗彎剛度不能忽略不計(jì)，因此當(dāng)沿著加固件表面施加荷載時(shí)，檢測到的變形是由FRP片材和鋁合金板共同受彎而產(chǎn)生的，故可將FRP加固鋁合金板看成一個(gè)處于簡單支撐條件下的整體梁。

對于簡單支撐下的FRP無損加固件，在逐點(diǎn)加載條件下積分應(yīng)變曲線為一條二次函數(shù)曲線[13]，且在跨中位置達(dá)到最大值。故荷載作用下簡單支撐的鋁合金板本身產(chǎn)生的總體變形較大，使得由于剝離層而產(chǎn)生的局部變形相對變小甚至湮沒在總體變形中，反映到積分應(yīng)變曲線上則為對應(yīng)于剝離層兩端處的曲線曲率突變不明顯，從而可能無法準(zhǔn)確判斷剝離層的位置和大小。因此簡支條件下的剝離層檢測比連續(xù)支撐條件下的檢測更為困難。

為研究該方法對簡單支撐下補(bǔ)丁式剝離層的可測性，以剝離層尺寸(長×寬)為40 mm×20 mm的FRP加固鋁合金板為研究對象(剝離層分別設(shè)置在跨中和端部兩種情況)，分別以光纖黏貼位置和加載線位置為兩個(gè)獨(dú)立變量來分析這兩個(gè)因素的影響。圖6為加載線固定在0 mm線，光纖分別黏貼在0 mm線，10 mm線和B/2線的歸一化積分應(yīng)變曲線。圖7為光纖位置固定在0 mm線，加載線分別設(shè)于0 mm線，10 mm線和B線的歸一化積分應(yīng)變曲線。

圖6 加載線位于0 mm線,光纖黏貼于不同位置時(shí)的加載點(diǎn)與積分應(yīng)變歸一化曲線

從圖6，7可知，對于簡單支撐下的FRP加固件，積分應(yīng)變曲線近似為拋物線,其在某一荷載下的積分應(yīng)變值遠(yuǎn)大于連續(xù)支撐下的FRP加固件的。由于總體變形的影響，剝離層位置的曲線曲率突變沒有連續(xù)支撐條件下的那么明顯，但仍可以看出當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層(0 mm線和B線)且光纖黏貼線經(jīng)過剝離層時(shí)(0 mm線和B/2線)，雖然在剝離層位置的積分應(yīng)變量有一定變化但比較平緩，而光纖的積分應(yīng)變量在剝離層位置較無剝離層位置發(fā)生了相對較大的突變，且當(dāng)剝離層位于端部時(shí)積分應(yīng)變量從受壓變成了受拉[見圖6(b)，7(b)]，故同連續(xù)支撐下的FRP加固件相似，可以用曲率或正負(fù)值有較大突變的線段始末點(diǎn)作為剝離層始末點(diǎn)，且其與實(shí)際剝離層大小(L)和位置基本吻合，故認(rèn)為在這種條件下光纖干涉法能夠較準(zhǔn)確地檢測出任何位置的剝離層大小；當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層而光纖黏貼線未經(jīng)過剝離層時(shí)(光纖黏貼在10 mm線)(見圖6) 或當(dāng)光纖位置經(jīng)過剝離層而加載線未經(jīng)過剝離層時(shí)(加載線為10 mm線)(見圖7)，無論剝離層在何位置，曲線為近似拋物線且在剝離層位置沒有較明顯的曲率或正負(fù)值突變，故無法準(zhǔn)確判斷剝離層的位置和大小。

綜上可知，對于簡單支撐下的FRP加固件補(bǔ)丁式剝離層，由于光纖干涉儀輸出的積分應(yīng)變中板件本身的受彎變形較大且變化軌跡為一拋物線，故加固件總體變形對積分應(yīng)變的曲線影響較大，在剝離層位置曲線的曲率突變沒有連續(xù)支撐條件下的突變那么明顯，但仍能夠通過曲率或正負(fù)值的較大突變來較準(zhǔn)確地檢測出剝離層的位置和大小。同連續(xù)支撐條件下相似，只有當(dāng)光纖和加載線都經(jīng)過剝離層位置時(shí)，才能通過此方法較準(zhǔn)確地檢測出剝離層的位置和大小。當(dāng)加載線經(jīng)過剝離層而光纖黏貼線未經(jīng)過剝離層時(shí)，或當(dāng)光纖位置經(jīng)過剝離層而加載線未經(jīng)過剝離層時(shí)，都無法準(zhǔn)確判斷剝離層的位置和大小。由圖6，7中曲線曲率的突變程度可以看出，當(dāng)加載線和光纖黏貼線距離剝離層越遠(yuǎn)，其曲線的曲率或正負(fù)值突變越不明顯，此方法對剝離層的可測性也越發(fā)減弱。

4 結(jié)論

(1) 對于處于任意支撐條件下帶有補(bǔ)丁式剝離層的FRP加固結(jié)構(gòu)，可采用光纖干涉法進(jìn)行檢測，通過積分應(yīng)變曲線的曲率(對跨中剝離)或者正負(fù)值(對端部剝離)的突變大致確定剝離層的位置和大小。

(2) 采用光纖干涉法對補(bǔ)丁式剝離層檢測時(shí)，必須使光纖黏貼線和加載線盡量接近剝離層，才能較準(zhǔn)確地判斷剝離層的位置和大小。

(3) 光纖干涉法對連續(xù)支撐條件下的FRP片材剝離層的可測性比簡單支撐條件下的高。

(4) 光纖干涉法對補(bǔ)丁式剝離層的可測性，隨著加載線和光纖黏貼線距離剝離層位置的增加而減弱。