跨中留空粘貼長(zhǎng)度對(duì)CFRP加固梁力學(xué)性能的影響

張正海，殷俊鵬

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001；2.中鐵二十四局上海鐵建有限公司，上海200071)

各類混凝土建筑物、構(gòu)筑物因使用年限臨近、使用功能要求變化、外部環(huán)境侵蝕等一系列因素影響，結(jié)構(gòu)會(huì)不符合安全要求，無(wú)法繼續(xù)使用[1-2]，而新建項(xiàng)目耗資較大，所以對(duì)原建筑進(jìn)行有效加固成為主要方法。碳纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)因具有輕密、高強(qiáng)、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固[3-6]。李國(guó)民[7]通過(guò)模擬寒冷環(huán)境，對(duì)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的混凝土試件施加循環(huán)荷載，探究了循環(huán)荷載及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)CFRP加固結(jié)構(gòu)極限荷載的影響。孫家國(guó)等[8]通過(guò)雙面剪切試驗(yàn)，以黏結(jié)層數(shù)、長(zhǎng)度、寬度3個(gè)參數(shù)為控制變量，根據(jù)材料應(yīng)變、界面應(yīng)力規(guī)律，探究了C30混凝土試件和碳纖維片材界面的黏結(jié)性能，分析了 CFRP-混凝土界面的有效黏結(jié)長(zhǎng)度。王宏軍等[9]通過(guò)對(duì)混凝土進(jìn)行單剪試驗(yàn)，研究了混凝土黏結(jié)面粗糙程度、強(qiáng)度等級(jí)、腐蝕齡期對(duì) CFRP-混凝土界面極限荷載、最大滑移量、黏結(jié)強(qiáng)度、斷裂能的影響，并基于 SEM 掃描電鏡技術(shù)分析了界面破壞機(jī)制。但是，以跨中留空粘貼長(zhǎng)度作為單一影響量，探究CFRP加固材料力學(xué)性能的研究較少[10]。針對(duì)這一問(wèn)題，本研究以跨中留空粘貼長(zhǎng)度作為控制變量，探究在相同試驗(yàn)環(huán)境下，跨中留空粘貼長(zhǎng)度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)承載力、撓度、應(yīng)變等力學(xué)性能的影響，研究結(jié)論對(duì)探究實(shí)際工程中CFRP強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制作

試驗(yàn)用試件為混凝土矩形梁，梁長(zhǎng)度為2 000 mm，截面尺寸為150 mm×300 mm，按相同配合比制作，養(yǎng)護(hù)方法一致，梁頂部架立筋、箍筋均為直徑6 mm的HPB300級(jí)鋼筋，架立筋2根，純彎區(qū)箍筋間距為150 mm，彎剪混合段箍筋間距為80 mm，底部受拉鋼筋為3根直徑14 mm的HRB335級(jí)鋼筋，鋼筋配筋率為1.2%?；炷两孛婕颁摻钆渲靡?jiàn)圖1。

圖1 混凝土截面及鋼筋配置(單位：mm)Fig.1 Concrete cross-section and reinforcement configuration(unit:mm)

混凝土試件以C35強(qiáng)度澆筑，實(shí)際強(qiáng)度以回彈法測(cè)量值為準(zhǔn)。試件共6根，分別編為1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#為試驗(yàn)對(duì)比梁，不進(jìn)行CFRP粘貼，2#為全粘貼梁，跨中留空長(zhǎng)度為0，從3#開(kāi)始進(jìn)行跨中留空粘貼，留空長(zhǎng)度變化量為200 mm，呈階梯式增長(zhǎng)，分別為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm。試驗(yàn)梁的編號(hào)、留空長(zhǎng)度和加固方案見(jiàn)表1。在梁兩側(cè)距端部100 mm處進(jìn)行支撐點(diǎn)安裝，梁有效跨度為1 800 mm，加載點(diǎn)為跨中位置?；炷?、鋼筋、CFRP材料規(guī)格見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)梁的編號(hào)、留空長(zhǎng)度和加固方案Tab.1 Test beam number,blank length and reinforcement plan

表2 試件材料規(guī)格Tab.2 Material specifications of specimen

由于1#為對(duì)比梁,并沒(méi)有粘貼CFRP布進(jìn)行加固，所以在1#底部粘貼2個(gè)電阻為120 Ω、靈敏度系數(shù)為2.05、柵寬×柵長(zhǎng)為5 mm×60 mm的應(yīng)變片，并對(duì)其做了溫度補(bǔ)償，即在相同條件的混凝土梁上粘貼應(yīng)變片和試驗(yàn)梁上的應(yīng)變片形成半橋接法接入應(yīng)變儀中。

CFRP布加固試驗(yàn)梁的布置示意圖、試驗(yàn)梁的實(shí)際照片見(jiàn)圖2。

圖2 CFRP布加固試驗(yàn)梁示意圖及實(shí)際圖Fig.2 Schematic diagram and actual drawing of CFRP reinforced test beam

1.2 加載方案

試驗(yàn)采用液壓伺服壓力機(jī)三點(diǎn)單調(diào)逐級(jí)加載方式，對(duì)6根混凝土梁均采用以力控制的方式進(jìn)行四階段受彎加載。首先，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)加載，設(shè)置預(yù)加載目標(biāo)值為預(yù)計(jì)開(kāi)裂荷載的70%(15 kN)，以3 kN/min勻速加載，至目標(biāo)荷載后，繼續(xù)持荷10 min后卸載；然后，以相同的方式加載至30 kN，加載速率為3 kN/min，待試驗(yàn)梁開(kāi)裂后，以2 kN/min的速率持續(xù)加載，觀察裂縫出現(xiàn)；接著，以6 kN/min的速率持續(xù)加載至底部受拉鋼筋屈服，同樣持荷10 min；最后，以位移控制加載的方式加載至試驗(yàn)梁破壞，加載速率為0.2 mm/min。在測(cè)試過(guò)程中，除未加固梁1#之外，其余5根試驗(yàn)梁都在底部CFRP布上布置了應(yīng)變片，共計(jì)15個(gè)。應(yīng)變片規(guī)格如下：電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為2.086，柵寬×柵長(zhǎng)為1 mm×2 mm。應(yīng)變片具體位置如圖3所示。在所有梁跨中兩側(cè)布置表面應(yīng)變傳感器，用以測(cè)量混凝土承荷狀態(tài)下的跨中應(yīng)變。傳感器具體位置如圖4所示。

圖3 加固梁地面應(yīng)變片尺寸及布置圖(單位：mm)Fig.3 Dimensions and layout of ground strain gages for reinforced beams(unit：mm)

圖4 梁側(cè)面表面應(yīng)變傳感器布置圖(單位：mm)Fig.4 Arrangement of strain sensors on the side surface of the beam(unit：mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

試驗(yàn)梁破壞情況見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)梁破壞情況Fig.5 Failure diagram of test beam

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)比梁1#表現(xiàn)為典型的適筋破壞模式，首先梁跨中出現(xiàn)明顯的細(xì)小裂縫，然后隨著荷載的增加，裂隙明顯增多，寬度變大，底部受拉鋼筋屈服，最后跨中撓度逐漸增大，直至受壓區(qū)混凝土被壓碎。加固梁2#為整體粘貼梁，未設(shè)置留空，也呈現(xiàn)出明顯的適筋破壞。試驗(yàn)加載初期，CFRP布開(kāi)始受力，跨中開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，由于CFRP材料的加固效果，裂紋出現(xiàn)時(shí)間較晚、寬度較??；隨著荷載的逐級(jí)增加，鋼筋首先屈服，但變形較小；最后，荷載繼續(xù)增加，試驗(yàn)梁的跨中撓度增大，受壓區(qū)混凝土被壓碎，但整個(gè)過(guò)程中CFRP布無(wú)錯(cuò)動(dòng)、滑移及剝離現(xiàn)象。加固梁3#為跨中留空200 mm梁，隨著承受荷載的不斷增大，梁底部一側(cè)的CFRP布發(fā)生局部剝離，梁的跨中裂縫寬度增速加快，撓度變形迅速增大，最終混凝土梁破壞模式為受壓區(qū)被壓碎。加固梁4#是留空長(zhǎng)度為400 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過(guò)程與3#相似，但無(wú)論是變形還是抗彎強(qiáng)度均有提升。加固梁5#是留空長(zhǎng)度為600 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過(guò)程與3#、4#相似，且底部CFRP布也發(fā)生了剝離，變形程度繼續(xù)增加，抗彎強(qiáng)度開(kāi)始下降，同時(shí)4#、5#未粘貼部分出現(xiàn)的裂縫比較密集，應(yīng)與未粘貼長(zhǎng)度有較大關(guān)聯(lián)。加固梁6#是留空長(zhǎng)度為800 mm的局部未粘貼梁，它的破壞過(guò)程與前5根梁基本相同，但CFRP布未出現(xiàn)剝離。試驗(yàn)梁破壞模式及相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，其中P為豎向荷載，開(kāi)裂荷載指首次出現(xiàn)裂縫時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載，屈服荷載指鋼筋屈服時(shí)的荷載，極限荷載指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所能承受的最大荷載。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

2.2 力學(xué)性能

2.2.1承載力

從表3可以看出，相對(duì)于未加固的1#，2#的開(kāi)裂荷載有較大幅度提升，2#、3#、4#、5#、6#開(kāi)裂荷載分別提升了53.4%、8.2%、24.0%、44.5%、52.7%，說(shuō)明開(kāi)裂荷載與留空長(zhǎng)度、CFRP粘貼面積有關(guān)，即粘貼CFRP布明顯提高了梁的開(kāi)裂荷載，且隨著梁跨中留空長(zhǎng)度的增加，開(kāi)裂荷載出現(xiàn)階梯式提高；屈服荷載相較于開(kāi)裂荷載，效果并不明顯，2#、3#、4#、5#、6#的屈服荷載分別提升了22.0%、10.0%、21.1%、26.2%、15.5%，但2#、4#、5#仍有較大幅度提升，即跨中留空越長(zhǎng)，屈服荷載提升越多；與此相同的是，極限荷載也隨著留空長(zhǎng)度的減少有一定提升，但增幅較小，2#、3#、4#、5#、6#的開(kāi)裂荷載分別提升了16.1%、12.7%、25.4%、28.9%、15.5%，起到了一定的加固效果。對(duì)比以上數(shù)據(jù)可以看出，6#的數(shù)據(jù)偏離比較大，但整體趨勢(shì)未受影響，應(yīng)該是可剔除變量。相比較而言，極限荷載雖然有一定增幅，但增幅極小，應(yīng)該與梁未處理平整、灰塵沒(méi)有擦干凈有關(guān),雖然加固效果不是特別明顯，但對(duì)比趨勢(shì)比較明顯，即梁跨中未加固部分越多，加固效果越好。

2.2.2撓度

各試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，1#撓度最小，2#、3#、4#、5#撓度逐漸增大，但6#不增反降。這可能是由于跨中留空長(zhǎng)度過(guò)大，導(dǎo)致其有效粘貼面積減少，結(jié)構(gòu)整體抗彎承載力下降。梁彎矩-撓度曲線(圖7)說(shuō)明粘貼留空長(zhǎng)度的設(shè)置必須保證有良好的粘貼面積，否則結(jié)構(gòu)承載力、撓度不僅不會(huì)增大，反而會(huì)出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)被破壞，實(shí)際撓度遠(yuǎn)小于預(yù)計(jì)的現(xiàn)象。因?yàn)榭缰胁课挥辛艨臻L(zhǎng)度，所以測(cè)量的留空部位的混凝土與CFRP布并不共同工作，會(huì)存在誤差，可以進(jìn)行強(qiáng)化處理，防止中間位置先行破壞而影響整體強(qiáng)度。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

圖7 梁彎矩-撓度曲線Fig.7 Beam bending moment-deflection curve

2.2.3剛度

觀察荷載-撓度曲線(圖6)，可以將剛度變化大致分為3個(gè)階段：

(1)混凝土開(kāi)裂前階段。此時(shí)混凝土與CFRP布均為彈性變化，荷載-撓度曲線近似一條直線，剛度幾乎為常量，同時(shí)CFRP布性能優(yōu)良，彈性較為明顯，極大提高了混凝土的整體剛度。

(2)底部混凝土開(kāi)裂后到鋼筋屈服前階段。此時(shí)，梁底部混凝土開(kāi)裂，混凝土無(wú)法彈性工作，結(jié)構(gòu)剛度增幅降低，但CFRP布仍繼續(xù)保持良好的彈性工作狀態(tài)，且由于混凝土抗拉性能較弱，結(jié)構(gòu)剛度提升程度有限，所以此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)剛度仍很平穩(wěn)。

(3)鋼筋屈服后至混凝土破壞前階段。梁底部鋼筋屈服、混凝土開(kāi)裂，荷載-撓度曲線與上一階段相比斜率持續(xù)降低，剛度進(jìn)一步下降，CFRP材料對(duì)混凝土裂縫的約束力進(jìn)一步增強(qiáng)，抑制作用越來(lái)越明顯，裂縫開(kāi)裂速度降低，剛度進(jìn)一步提升。

2.2.4延性

在工程加固中，為預(yù)防結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突然破壞，需要盡可能采用延性較好的加固材料。因?yàn)镃FRP布具有突然脆性破壞特征，故在混凝土構(gòu)件中使用CFRP進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，有必要對(duì)CFRP材料的延性進(jìn)行安全評(píng)估，以確保CFRP延性預(yù)留值不超出安全范圍。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合無(wú)量綱化梁彎矩-撓度曲線，采用公式(1)所定義的位移延性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)加固結(jié)構(gòu)的延性：

(1)

式中：δult、δyield分別為極限狀態(tài)和屈服狀態(tài)時(shí)的撓度。

上述6根試驗(yàn)梁的結(jié)構(gòu)延性見(jiàn)表4。從表4可以看出：

(1)與未加固梁1#相比，CFRP局部粘貼的試驗(yàn)梁2#、3#、4#、5#、6#的延性均得到了明顯提升，并且可以看出留空面積并非越大越好，3#、4#、5#的延性明顯高于其他梁，在留空長(zhǎng)度為200～600 mm時(shí)，留空面積越大，延性提高越多。

(2)2#為全粘貼梁，加固效果與未加固梁相比有明顯提高，但與部分粘貼加固的試驗(yàn)梁相比，全粘貼梁的延性要低，加固效果也差一些。

表4 試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)延性Tab.4 Ductility of the test beam structure

3 結(jié)論

針對(duì)跨中留空CFRP加固長(zhǎng)度對(duì)粘貼梁力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，考察了試驗(yàn)加固梁的承載力、撓度、剛度及延性的變化，主要結(jié)論如下：

(1)粘貼CFRP加固鋼筋混凝土梁相較于不粘貼CFRP的混凝土梁，其受彎承載力、撓度、剛度及延性有提升，且提升幅度較大。

(2)留空長(zhǎng)度為200～600 mm的部分粘貼梁，相對(duì)于全粘貼梁(2#)，承載力提升幅度為8%～11%，撓度、剛度、延性也有較大提升。這說(shuō)明粘貼CFRP的混凝土加固梁的力學(xué)性能與跨中留空粘貼長(zhǎng)度有關(guān)，且粘貼長(zhǎng)度為200～600 mm時(shí)提升幅度大致相同。

(3)留空長(zhǎng)度為600～800 mm的CFRP粘貼梁，其承載力、撓度、剛度與其他梁相比不增反降，這說(shuō)明延性的增加基于確保CFRP有效粘貼長(zhǎng)度，如果有效粘貼面積不夠，CFRP加固梁會(huì)在未達(dá)到預(yù)計(jì)承載力之前就發(fā)生破壞，粘貼加固材料無(wú)意義，故有效粘貼面積必須足夠。