二次受力下CFP加固RC梁的裂縫與變形性能研究

卜良桃,陳海飛

( 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

我國現(xiàn)存公路橋數(shù)量眾多，尤其是在鄉(xiāng)道和縣道等公路工程的小型橋梁中，簡支梁應(yīng)用廣泛[1]。然而，由于通行壓力的日益增長和運(yùn)營維護(hù)的缺失，對于公路橋簡支梁的加固尤為重要。在眾多加固方法中，粘貼碳纖維板是一項(xiàng)安全可靠的技術(shù)[2-3]。碳纖維板(Carbon Fiber Plate，簡稱CFP)是以高強(qiáng)碳纖維以及合成樹脂為基材，經(jīng)特定工藝將樹脂浸潤至纖維材料后凝固成的復(fù)合材料[4]，因其輕質(zhì)，施工簡便，具備優(yōu)異的耐疲勞性、抗腐蝕性和耐久性，從而一直被國內(nèi)外所關(guān)注，已經(jīng)在房屋建筑、橋梁工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。目前國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)針對碳纖維加固混凝土構(gòu)件做了大量研究，主要集中在碳纖維板與鋼筋混凝土的界面粘結(jié)性能[6-7]及碳纖維材料自身的性能，另一些學(xué)者對CFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能進(jìn)行了初步探索和試驗(yàn)研究[8-9]。但是已有的研究大多集中在縮尺小構(gòu)件，且為一次受力的試驗(yàn)[10]，與實(shí)際應(yīng)用的受力狀態(tài)存在明顯差異，而對于二次受力下CFRP加固鋼筋混凝土足尺梁的研究，特別是加固梁的裂縫和變形，業(yè)內(nèi)鮮有報道。為此，筆者擬開展貼合實(shí)際工程和受力條件的足尺簡支梁二次受力試驗(yàn)，研究粘貼碳纖維板加固公路橋簡支梁的裂縫和變形性能，為公路橋的維護(hù)與加固提供試驗(yàn)參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試件制作

本文設(shè)計了4根足尺鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，試件尺寸7.2 m×250 mm×600 mm，混凝土強(qiáng)度等級C25。梁截面配筋示意圖見圖1。共設(shè)置為4個試驗(yàn)組，RCFS-1為對比梁，直接進(jìn)行抗彎性能一次受力試驗(yàn)。其他3組試驗(yàn)梁RCFS-2～RCFS-4的混凝土強(qiáng)度等級、配筋方式與對比梁一致，3組試驗(yàn)梁采用梁底粘貼碳纖維板、端部設(shè)置U形箍的方式進(jìn)行加固，見圖2。試驗(yàn)材料特性見表1，試件分組見表2。

圖1 梁截面配筋示意圖(單位：mm)Figure 1 Schematic diagram of beam section reinforcement(Unit:mm)

(a) 梁側(cè)面

表1 試驗(yàn)材料特性Table 1 Characteristics of test materials材料規(guī)格極限強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPaΦ6437.2(抗拉)2.1×105鋼筋12518.3(抗拉)2.0×10525545.6(抗拉)2.0×105混凝土C2526.4(抗壓)2.8×104碳纖維板1.2 mm2 800(抗拉)1.65×105

表2 試件分組Table 2 Groups of specimen試件編號加固方式加載方式RCFS-1不加固一次受力直接加載至破壞RCFS-2粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至開裂荷載前,持荷粘貼CFP,結(jié)構(gòu)膠固化而后二次加載直至破壞RCFS-3粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至最大裂縫寬度為0.1 mm,持荷粘貼CFP,結(jié)構(gòu)膠固化而后二次加載直至破壞RCFS-4粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至最大裂縫寬度大于0.3 mm,持荷粘貼CFP,結(jié)構(gòu)膠固化而后二次加載直至破壞

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載在吊籃反力架進(jìn)行，采用兩點(diǎn)加載受力試驗(yàn)，試驗(yàn)加載裝置示意圖見圖3、圖4。按照驗(yàn)算的預(yù)估極限荷載，采用分級加載。鋼筋屈服前采取荷載控制，未開裂前試驗(yàn)梁每次加荷7.8 kN，裂縫出現(xiàn)后每級加荷11.7 kN。鋼筋屈服后采取位移控制加載，每級荷載作用下?lián)隙茸冃卧黾? mm。各級荷載作用穩(wěn)定5 min之后進(jìn)行觀測，描繪裂縫圖，測量裂縫寬度、長度和走向，測量梁跨中撓度以及截面應(yīng)變。

圖3 試件加載示意圖Figure 3 Schematic diagram of specimen loading

圖4 吊籃-反力框架加載裝置Figure 4 Load device of basket-frame

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)見圖5，通過圖中的裂縫形態(tài)可知，純彎段梁側(cè)面裂縫的條數(shù)基本相同，主裂縫的平均條數(shù)為9條，不同方式粘貼碳纖維板加固后，對梁側(cè)面主裂縫間距的影響不大。但加固梁的底部出現(xiàn)更多短裂縫，呈樹根狀向上發(fā)散，初始荷載越大時，樹根狀的短裂縫越明顯，說明碳纖維板對裂縫的發(fā)展有較強(qiáng)的約束作用。采用碳纖維板加固后，通過碳纖維粘貼到梁底混凝土表面后共同工作，界面應(yīng)力均勻分擔(dān)傳遞至梁底區(qū)域的混凝土，相比于未加固梁而言，梁底區(qū)域應(yīng)力分布更均勻。

(a) RCFS-1

2.2 裂縫形態(tài)

試件裂縫寬度及長度測試結(jié)果見表3，荷載-最大裂縫寬度曲線如圖6所示。一次受力后，各試件陸續(xù)出現(xiàn)從梁底沿著兩側(cè)面向上延伸的裂縫，前期裂縫開展迅速，初始裂縫出現(xiàn)后，即形成主裂縫。粘貼碳纖維板加固后，隨著二次受力下荷載的增加，主裂縫的長度、寬度繼續(xù)增加，同時在兩側(cè)面陸續(xù)出現(xiàn)新開展的短裂縫。但是短裂縫出現(xiàn)后，主裂縫的開展即得到抑制，共同抵抗二次受力作用下的應(yīng)力和損傷，裂縫寬度曲線中出現(xiàn)平緩段，直至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中碳纖維板與RC梁共同工作性能良好，粘貼部位界面未出現(xiàn)剝離或滑移。

表3 試件裂縫測試結(jié)果Table 3 Crack test results of specimens荷載/kN不同試件的最大裂縫寬度/mm不同試件的梁側(cè)面平均裂縫長度/mmRCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-4RCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-41170.130.110.100.112832702673401350.150.120.110.153203182803501500.180.190.140.223283353233501650.350.250.160.243683623583521700.600.400.300.28485413391370

圖6 試件荷載-最大裂縫寬度曲線Figure 6 Load-maximum crack width curves of specimen

RCFS-1加載至170 kN荷載達(dá)到破壞，此時對應(yīng)的RCFS-2、RCFS-3、RCFS-4最大列分寬度分別為0.60、0.40、0.30 mm，且加固后試件裂縫延性空間更大，持荷時間更長。

2.3 撓度變形

試件撓度變形測試結(jié)果見表4，荷載-撓度變形曲線如圖7所示，試驗(yàn)過程中，曲線上呈現(xiàn)3個階段，各階段大致呈直線段：開裂前的彈性階段、變形抑制階段、破壞階段。

表4 試件撓度變形測試結(jié)果Table 4 Test results of deflection deformation of specimens荷載/kN不同試件中的跨中撓度變形/mmRCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-411712.6111.0411.7710.4213514.7413.4913.1712.4415017.2516.7815.3814.0116526.8020.1017.0316.2517084.9524.7420.1617.63

圖7 試件荷載-撓度變形曲線Figure 7 Load-deflection deformation curves of specimen

在開裂前的彈性階段，4根試件原梁設(shè)置條件相同，截面尺寸、鋼筋配置、材料強(qiáng)度均相同，因而變形特征基本一致，曲線基本吻合。裂縫出現(xiàn)后，隨著粘貼碳纖維板投入工作狀態(tài)，分擔(dān)梁底部拉應(yīng)力，從而使構(gòu)件變形得到抑制，截面剛度明顯改善，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第2階段曲線斜率降低。從RCFS-2、RCFS-3到RCFS-4，3個試驗(yàn)組碳纖維板投入工作的時機(jī)不同，越晚粘貼的試件，曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)得越晚。

在最終破壞時，RCFS-1最大跨中撓度變形達(dá)到84.95 mm，而對應(yīng)各級荷載下RCFS-2、RCFS-3、RCFS-4分別抑制降低到24.74、20.16、17.63 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼碳纖維板加固后構(gòu)件的抗彎剛度顯著提高。

3 對比分析

3.1 裂縫形態(tài)對比

對比梁RCFS-1與加固梁RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4荷載-裂縫曲線前期基本一致，開裂荷載出現(xiàn)的時機(jī)接近，說明不同加固方式(初始負(fù)載、 粘貼時機(jī))粘貼碳纖維板加固并不會顯著提高開裂荷載，對于初始裂縫的寬度、長度控制效果差異不大。但是在曲線的后段，對應(yīng)于RCFS-1的極限荷載170 kN時，RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4最大裂縫寬度分別為0.60、0.40、0.30 mm，均顯著小于對比梁。各加固梁的后期承載力提高幅度明顯，裂縫維持時間較長。

試驗(yàn)結(jié)果中可以注意到，初期負(fù)載程度越高、碳纖維板投入工作時機(jī)更晚的RCFS-4，其加固效果優(yōu)于其他試驗(yàn)組(RCFS-2、 RCFS-3)。這主要是由于加固采用的碳纖維板，其具有的極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2 800 MPa，但受拉彈性模量為165 GPa，因此需要較大應(yīng)力水平和變形才能夠充分發(fā)揮其高強(qiáng)度的性能。RCFS- 4加固時原梁最大裂縫寬度超過0.3 mm，此時應(yīng)力水平很高。而RCFS-2試件開裂前粘貼碳纖維板，此時碳纖維板的拉伸變形和應(yīng)變非常小，碳纖維板起到的作用較小，同時鋼筋在截面內(nèi)的用量大大超過碳纖維板，因此在開裂過程碳纖維板的貢獻(xiàn)程度較小。

3.2 撓度變形對比

未粘貼碳纖維板前，各試件開裂前撓度變形很小，此時與對比梁曲線基本重合。達(dá)到開裂荷載后，進(jìn)入第2階段時，試驗(yàn)梁RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4的撓度變形比對照組RCFS-1均要小，且初始負(fù)載程度越高，相差越明顯。

試件RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4的最大撓度分別達(dá)到24.75、20.12、17.63 mm，遠(yuǎn)低于RCFS-1的84.95 mm。其中初始彎矩最大、粘貼碳纖維板時機(jī)最晚的RCFS- 4，其撓度變化速度卻比RCFS-2、RCFS-3更慢，最終的撓度變形也較小。這主要是由于加固時機(jī)越晚，初始負(fù)載水平越高，碳纖維板能分擔(dān)原梁的內(nèi)力越多，碳纖維板應(yīng)力水平越高，降低了RC梁的應(yīng)力，裂縫的發(fā)展得到抑制，截面的剛度退化也慢，從而能約束梁純彎段變形。

4 有限元模擬

采取ANSYS軟件對本試驗(yàn)中4根梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型參數(shù)取值為：混凝土彈性模量為2.8×104MPa，泊松比取為0.2，混凝土本構(gòu)關(guān)系參照相關(guān)文獻(xiàn)的設(shè)置方式[11]，棱柱體抗壓強(qiáng)度取23.5 MPa。鋼筋彈性模量E取2.1×105MPa，極限強(qiáng)度σ取345 MPa。碳纖維板彈性模量E取1.65×105MPa，極限抗拉強(qiáng)度σu取2 800 MPa。

按照試驗(yàn)設(shè)置的加載方式，梁端約束采用鉸支座[12-13]，進(jìn)行有限元數(shù)值分析，模擬荷載作用下加固梁承載力和撓度變形結(jié)果，建立的有限元模型如圖8所示。為簡化試件的計算模型，根據(jù)對稱性取其1/2跨長進(jìn)行數(shù)值分析。為了避免支座處單元發(fā)生局部破壞，在支座位置加40 mm厚墊板，采用SOLID45單元，支座施加約束直接作用在SOLID45上[14]。

圖8 有限元模型Figure 8 Finite element model

有限元分析計算得到的試件承載力見表5，荷載-位移曲線如圖9所示。根據(jù)模擬計算結(jié)果可知，各加固試件有限元計算承載力與試驗(yàn)測得的極限承載力誤差為90%～94%，吻合程度較好。從圖9可以看出，計算曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，也說明有限元模型能較好地對碳纖維板加固RC梁進(jìn)行非線性分析。試驗(yàn)測試的撓度變形值相較于計算值撓度而言更小，其主要原因是二次受力條件下試件帶裂縫加固時，更利于碳纖維板強(qiáng)度的發(fā)揮，共同工作后其后期強(qiáng)度利用率提高。

表5 加固梁有限元分析結(jié)果Table 5 Finite element analysis results of reinforced beams試件編號加固時機(jī)極限承載力/kN計算值試驗(yàn)值計算值/試驗(yàn)值RCFS-2開裂前加固197.24214.690.92RCFS-3最大裂縫寬度為0.1 mm225.31249.360.90RCFS-4最大裂縫寬度超過0.3 mm253.37268.310.94

(a) RCFS-1

5 結(jié)論

通過對碳纖維板加固的公路橋簡支RC梁進(jìn)行二次受彎性能試驗(yàn)，得出如下研究結(jié)論：

a.負(fù)載條件下粘貼碳纖維板加固能顯著改善RC梁的裂縫形態(tài)，提高截面剛度。加固后梁裂縫表現(xiàn)為細(xì)而密的特征，主裂縫寬度變小、長度變短，靠近梁底區(qū)域短裂縫增多。梁撓度變形大致呈現(xiàn)彈性階段、變形抑制階段、破壞階段，構(gòu)件變形曲線均呈現(xiàn)線性變化特征。

b.初始荷載水平和粘貼碳纖維板的時機(jī)對加固效果影響顯著，初始荷載水平越高、粘貼碳纖維板時機(jī)越晚，對裂縫抑制效果越好，梁的撓度變形更小。

c.采用有限元軟件對試件進(jìn)行建模分析，模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好，驗(yàn)證了碳纖維板加固公路橋簡支RC梁的可靠性，本文試驗(yàn)成果能為碳纖維加固公路橋鋼筋混凝土梁的設(shè)計理論和施工應(yīng)用提供一定依據(jù)。