碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁疲勞性能分析

湯琳

摘 要：碳纖維材料的主要特點(diǎn)為耐腐蝕、施工方便、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，能夠在不對(duì)既有結(jié)構(gòu)使用造成影響時(shí)施工，所以在橋梁加固中被廣泛使用。目前研究大部分為加固梁靜載性能，缺乏對(duì)碳纖維布加固混凝土梁疲勞性能的研究。以此，本文就對(duì)碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁疲勞性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：碳纖維;鋼筋混凝土;疲勞測(cè)試

中圖分類號(hào)：TQ342+.742;TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0060-04

Abstract：The main characteristics of carbon fiber materials are corrosion resistance， convenient construction， high strength， light weight， and can be constructed without affecting the use of existing structures， so they are widely used in bridge reinforcement. Most of the current researches focus on the static load performance of reinforced beams， and there is a lack of research on the fatigue performance of reinforced concrete beams with carbon fiber sheets. Based on this， this paper analyzes the fatigue performance of carbon fiber reinforced concrete beams.

Key words：carbon fiber; reinforced concrete; fatigue test

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)比西方國(guó)家的起步要晚，在20世紀(jì)80年代逐漸暴漏鋼筋銹蝕問題。在1994年，鐵道部調(diào)查了全國(guó)范圍內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)果表示有600多座橋梁在正在運(yùn)營(yíng)過程中都出現(xiàn)了病害，占據(jù)所有橋梁的18.8%。為了使病害結(jié)構(gòu)服役期延長(zhǎng)，補(bǔ)強(qiáng)和加固為有效、經(jīng)濟(jì)的方法。在碳纖維片材（CFRP）補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)不斷推廣的過程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了CFRP加固混凝土構(gòu)件性能和鋼筋混凝土構(gòu)件疲勞性能。因?yàn)闃蛄?、道路承受?dòng)負(fù)荷，本文就對(duì)CFRP加固鋼筋混凝土梁疲勞性能進(jìn)行分析，以此為動(dòng)荷載條件下的CFRP加固領(lǐng)域使用提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)梁材料

本文中試驗(yàn)構(gòu)件混凝土使用的是商品混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C30。同批澆筑有150mm×150mm×150mm的立方體試塊，在同等條件下對(duì)構(gòu)件和試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并且設(shè)置鋼筋為拉伸試驗(yàn)，對(duì)極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。對(duì)計(jì)算過程中混凝土試塊與鋼筋的實(shí)測(cè)平均值進(jìn)行計(jì)算，表1為混凝土的力學(xué)性能，表2為鋼筋力學(xué)性能。

1.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

本文制作7根試驗(yàn)梁，都是矩形截面簡(jiǎn)支梁，使各梁尺寸一樣，全部試件配筋都相同。根據(jù)模型設(shè)計(jì)原則，試件截面尺寸b×h=150mm×250mm，凈跨為2000mm，跨度為2200mm。商品混凝土配合比水泥∶砂∶水∶粉煤灰∶石=1∶2.42∶0.46∶0.18。受拉鋼筋使用R235鋼筋，架立鋼筋和箍筋設(shè)計(jì)為HRB335鋼筋，箍筋間距剪跨距為100mm，純彎區(qū)設(shè)計(jì)為200mm。配置大量箍筋，提高梁加固抗剪承載力，避免梁出現(xiàn)抗彎破壞[1]，圖1為試驗(yàn)梁鋼筋的布置。

對(duì)實(shí)際橋梁來(lái)說，正常使用時(shí)疲勞荷載上下限為：基于荷載作用主梁承受荷載為上下限荷載，在設(shè)計(jì)活載、恒載作用背景下主梁承受上限荷載。所以，在試驗(yàn)之前利用統(tǒng)計(jì)分析數(shù)量的13～20m跨徑簡(jiǎn)支梁橋，對(duì)橫載、活載共同作用背景下橋梁承載能力占比計(jì)算。之后，以實(shí)橋狀態(tài)下疲勞上下限占據(jù)極限荷載比例對(duì)試驗(yàn)梁疲勞加載上下限進(jìn)行分析。

1.3 試驗(yàn)梁加固

在試驗(yàn)過程中使用200gCFS-3.55-220-012-150碳纖維布作為加固材料，膠粘材料使用HCJ碳纖維粘結(jié)專用結(jié)構(gòu)膠，結(jié)構(gòu)膠主要包括：

（1）基底樹脂。利用此膠滲透混凝土表面，使粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。

（2）找平材料。對(duì)混凝土表面進(jìn)行修補(bǔ)，從而使粘結(jié)質(zhì)量得到提高。

（3）粘結(jié)樹脂。對(duì)碳纖維布進(jìn)行粘結(jié)[2]。

1.4 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)使用浸泡通直流電方法使鋼筋銹蝕速度得到提高，對(duì)受力主筋理論銹蝕率控制為6%～7%。使待銹蝕鋼筋混凝土在3%NaCI溶液中浸泡，待銹鋼筋利用導(dǎo)線和直流電源正極連接，不銹鋼片和電源負(fù)極連接。利用法拉第定律對(duì)鋼筋銹蝕量進(jìn)行控制，使直流電源輸出電流為恒流1A，所有梁都通過獨(dú)立電源進(jìn)行供電，持續(xù)11d。在完成加載試驗(yàn)之后，使銹蝕主筋取出，將鋼筋表面銹蝕屋洗掉之后對(duì)剩余鋼筋質(zhì)量稱重，得出表5鋼筋實(shí)測(cè)銹蝕率，計(jì)算之后得出各個(gè)試驗(yàn)梁主筋的實(shí)際銹蝕率和理論值差距都不超過0.5%。靜力加載和疲勞加載試驗(yàn)都利用三分點(diǎn)兩點(diǎn)加載，純彎段長(zhǎng)度為500mm。為了對(duì)疲勞荷載上下限進(jìn)行確定，在疲勞實(shí)試驗(yàn)之前實(shí)現(xiàn)非加固梁L1的靜力加載，實(shí)測(cè)L1屈服荷載和極限荷載分別為70kN、83kN。疲勞荷載峰值為Pmax=52kN，為L(zhǎng)1極限荷載的62%。Pmin=38kN，為L(zhǎng)1極限荷載45%，應(yīng)力比為0.73，中值設(shè)置為45kN，循環(huán)5萬(wàn)次，加載頻率為1Hz，正弦波為疲勞加載[3]。

在疲勞加載之后實(shí)現(xiàn)靜力加載，對(duì)試驗(yàn)梁極限荷載與破壞形態(tài)進(jìn)行測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試使用三分點(diǎn)兩點(diǎn)進(jìn)行加載，全部試驗(yàn)梁都是單調(diào)靜力加載。在正式加載之前要持續(xù)5min加20kN荷載，之后卸載20min之后開始正式加載，使加載系統(tǒng)各間隙消除。使用分級(jí)加載方案，使用每級(jí)遞增10kN方案加載前50kN，之后遞增5kN。與屈服荷載接近的時(shí)候調(diào)小增量，直到梁滿足極限荷載破壞之后使加載停止。每級(jí)加載之后使梁應(yīng)變、撓度穩(wěn)定之后對(duì)數(shù)據(jù)收集。在靜力加載過程中，利用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行收集[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剛度分析

圖2為疲勞荷載梁剛度曲線，各個(gè)試驗(yàn)梁剛度在疲勞次數(shù)不斷增加過程中不斷的降低，但是趨勢(shì)具有明顯的區(qū)別。L2與L4未加固梁在剛開始加載混凝土裂縫發(fā)展比較快，受拉區(qū)混凝土迅速的推出，降低截面慣性矩，促進(jìn)了抗彎剛度的下降速度。在裂縫發(fā)展不斷穩(wěn)定的時(shí)候，下降趨勢(shì)逐漸平緩，直到到后期疲勞加載。因?yàn)殇摻詈突炷琳辰Y(jié)出現(xiàn)退化，降低了剛度。此趨勢(shì)主要體現(xiàn)在腐蝕量L4中，主要是由于鋼筋腐蝕之后鐵銹會(huì)對(duì)混凝土、鋼筋的化學(xué)膠著力造成破壞，并且使其摩擦力得到降低，以此加劇粘結(jié)退化。

在各梁底粘貼一層碳纖維布加固，抗彎剛度不斷的提高。因?yàn)樘祭w維布使混凝土受拉區(qū)裂縫造成了限制，使中和軸上移減緩。后期在鋼筋、鋼筋腐蝕和混凝土粘結(jié)力退化之后，此部分應(yīng)力能夠通過碳纖維布承受，以此具有均勻的剛度衰減，避免出現(xiàn)階段性[5]。

在L7梁底粘貼兩層碳纖維布，此試驗(yàn)過程中的剛度不斷降低。表示碳纖維布用量不斷的增加，降低了受拉鋼筋應(yīng)力，減緩彎曲裂縫處鋼筋應(yīng)力，使銹蝕鋼筋混凝土梁彎曲剛度得到提高。在疲勞加載完成之后卸載，試驗(yàn)梁擾度不改變之后，對(duì)各試驗(yàn)梁殘余撓度進(jìn)行收集。圖3為跨中塑性撓度變形值，銹蝕不加固梁L4塑性變形是最大的，碳纖維加固梁塑性變形值比較小。以此表示，碳纖維布加固銹蝕混凝土梁能夠使梁恢復(fù)力得到提高，以此降低塑性變形。

2.2 受壓區(qū)混凝土應(yīng)變

在疲勞荷載作用之后，通過靜載得出不同荷載時(shí)試驗(yàn)梁混凝土應(yīng)變。通過試驗(yàn)可以看出來(lái)，在疲勞荷載作用后，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變?yōu)榫€性分布。簡(jiǎn)單來(lái)說，混凝土梁開裂之后利用多次重復(fù)荷載的作用，截面平均要滿足平截面假定，壓區(qū)邊緣混凝土應(yīng)力比靜載彎曲抗壓強(qiáng)度要小，根據(jù)截面高度應(yīng)力為三角形分布?；炷翂簯?yīng)變和荷載關(guān)系如圖4所示，通過多次疲勞荷載后，未加固梁混凝土殘余壓的應(yīng)變是最大的，之后為損傷加固梁，最小的為完好加固梁。在荷載作用相同的時(shí)候，未加固梁混凝土壓應(yīng)變是最小的。碳纖維布粘結(jié)層數(shù)相同，損傷加固梁混凝土壓變大于完好混凝土壓應(yīng)變10%～20%。無(wú)論是損傷加固梁或者完好加固梁，黏貼兩層碳纖維布加固梁混凝土壓應(yīng)變比一層加固梁要小[6]。

在疲勞荷載循環(huán)次數(shù)不斷增加的過程中，未加固梁混凝土壓應(yīng)變?cè)黾邮亲羁斓模迟N一層碳纖維布加固梁混凝土增加速度比兩層要大，但是損傷、完好兩個(gè)加固梁混凝土的壓應(yīng)變?cè)黾铀俣仁且粯拥模硎咎祭w維布粘貼能夠?qū)炷亮芽p開展進(jìn)行約束。

2.3 鋼筋應(yīng)變

表5為試驗(yàn)梁基本情況，圖5為疲勞荷載后試驗(yàn)梁鋼筋的應(yīng)變曲線，通過圖5表示，在疲勞荷載作用之后，I類梁鋼筋拉應(yīng)力是最大的，Ⅱ類梁鋼筋拉應(yīng)變降低7%～9%，Ⅲ類梁鋼筋拉應(yīng)力減少11%～14%。

在疲勞試驗(yàn)開始到疲勞荷載循環(huán)次數(shù)為10萬(wàn)次過程中，受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力增長(zhǎng)速度比較快;在循環(huán)次數(shù)為10～100萬(wàn)次過程中，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度其次;疲勞荷載循環(huán)次數(shù)超過100萬(wàn)次之后，受拉區(qū)鋼筋受力穩(wěn)定。通過200萬(wàn)次疲勞加載之后，試驗(yàn)梁鋼筋應(yīng)變都在不斷的增加[7]。

2.4 鋼筋混凝土梁變形

在混凝土梁疲勞性能分析過程中，撓度為主要指標(biāo)。通過測(cè)試結(jié)果表示，梁撓度在疲勞荷載循環(huán)次數(shù)不斷增加的過程中而增加，未加固梁撓度增長(zhǎng)速度是最大的。粘貼兩層碳纖維布的加固梁撓度增加速率比一層要小，粘貼層數(shù)相同的碳纖維布損傷加固梁撓度增長(zhǎng)速度比完好梁要大。次數(shù)相同疲勞荷載之后，和未加固梁撓度相比，完好加固梁撓度減少40%～60%，損傷加固梁撓度增加15%～26%;和未加固梁對(duì)比，損傷梁加固后降低25%～30%，表示梁損傷開裂之后，粘貼碳纖維布能夠使試驗(yàn)梁疲勞抗變形能力得到提高，兩層碳纖維布加固梁撓度有所降低。以此表示，碳纖維布層數(shù)得到增加，能夠使混凝土梁抗疲勞度性能得到提高。兩層碳纖維布加固梁撓度和一層差值對(duì)比，完好梁比損傷梁要小，表示損傷梁能夠充分使用多層碳纖維布抗拉作用。假如試驗(yàn)梁擾度在疲勞荷載次數(shù)不斷增加過程中的增加系數(shù)表示為：

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，未加固梁、完好加固梁、損傷加固梁的撓度增大系數(shù)為1.5、1.21、1.3。出現(xiàn)此結(jié)果主要是因?yàn)樘祭w維布抗拉作用，試驗(yàn)梁中性軸的上升比較緩慢，混凝土梁疲勞應(yīng)力幅度比較小，降低混凝土浪卡強(qiáng)度，鋼筋和混凝土粘結(jié)力退化并不顯著，加固梁撓度在疲勞次數(shù)不斷增加的過程中變化較為緩慢。所以，黏貼碳纖維能夠使混凝土結(jié)構(gòu)疲勞抗變形能力得到提高，以此使混凝土梁疲勞承載能力提高。

2.5 裂縫

通過10萬(wàn)次疲勞荷載之后，梁體裂縫為10道，50萬(wàn)次疲勞荷載之后增加裂縫3道，之后裂縫數(shù)量不同，都是彎曲裂縫。在100萬(wàn)次疲勞荷載之后，跨中附近裂縫為182mm梁高處。通過碳纖維布加固之后，混凝土裂縫數(shù)量不斷增加，間距越來(lái)越密，縮小裂縫長(zhǎng)度。通過試驗(yàn)結(jié)果表示，利用碳纖維布加固混凝土梁能夠改善抗裂性能，此對(duì)腐蝕背景下承受疲勞荷載混凝土結(jié)構(gòu)意義重大[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過文章研究結(jié)果表示，碳纖維布能夠使鋼筋混凝土梁疲勞性能得到提高，避免碳纖維脫落剝離破壞，具有良好的粘結(jié)劑疲勞性能?；谄诤奢d作用，因?yàn)樘祭w維布受拉，鋼筋混凝土加固梁鋼筋能夠有效的改善，延長(zhǎng)梁的疲勞性能。還會(huì)增加碳纖維布加固梁裂縫數(shù)量，使裂縫間距越來(lái)越密，縮小裂縫寬度，改善加固梁疲勞抗裂性能。

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