存在薄弱界面的CFRP加固RC梁疲勞性能試驗(yàn)

王曉剛,秦 麟,宋小偉

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

侵蝕環(huán)境中長期服役的混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生鋼筋銹蝕,對鋼筋混凝土(Reinforced concrete, RC)梁的疲勞性能存在顯著的不利影響[1-4]。碳纖維布(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)常用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固,CFRP加固能在一定程度上保持梁的結(jié)構(gòu)整體性,提高梁的疲勞壽命[5-9]。銹蝕結(jié)構(gòu)中,鋼筋表面銹蝕產(chǎn)物的累積帶來銹脹效應(yīng),使保護(hù)層開裂。對銹蝕鋼筋混凝土梁置換受損保護(hù)層或直接粘貼FRP材料進(jìn)行修復(fù)加固時(shí),新老混凝土結(jié)合面或銹脹裂縫形成的薄弱界面對加固梁受力性能造成顯著削弱[10-12]。對于承受循環(huán)荷載作用的CFRP加固構(gòu)件,薄弱界面對構(gòu)件的疲勞性能削弱可能更為嚴(yán)重,卻未見有相關(guān)的研究。

本文針對受薄弱界面影響的CFRP加固梁展開試驗(yàn)研究,變化薄弱界面位置、CFRP加固量、界面削弱程度等參數(shù),對比不同試件的疲勞破壞模式、剛度退化、裂縫開展和疲勞壽命縮短,研究薄弱界面對加固梁疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)概括

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)梁共設(shè)計(jì)7根截面尺寸為150 mm×200 mm×2200 mm的鋼筋混凝土梁,其中1根對比梁,其他6根帶有弱界面,梁的幾何尺寸與配筋如圖1。受拉鋼筋采用2C12鋼筋,實(shí)測屈服強(qiáng)度425 MPa,抗拉強(qiáng)度610 MPa;箍筋采用A6@150,實(shí)測屈服強(qiáng)度230 MPa,抗拉強(qiáng)度370 MPa。梁主體混凝土強(qiáng)度等級C30,實(shí)測立方抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值32.8 MPa,后澆保護(hù)層混凝土立方抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為42.8 MPa。

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及配筋

為獲取鋼筋混凝土梁的薄弱界面,在制作試驗(yàn)梁的過程中,先預(yù)留一半的混凝土保護(hù)層不澆筑,養(yǎng)護(hù)28 d后,進(jìn)行相應(yīng)的界面處理,用細(xì)石混凝土補(bǔ)全缺損保護(hù)層,由此在新老混凝土黏結(jié)處形成弱界面。梁底新澆混凝土保護(hù)層養(yǎng)護(hù)28 d后,采用外貼CFRP進(jìn)行加固。加固用CFRP厚度為0.167 mm,彈性模量為2.45×105MPa,抗拉強(qiáng)度為4208 MPa。梁底縱向粘貼CFRP寬度為100 mm,采用單層(或兩層);為抑制裂縫開展,防止縱向CFRP剝離,在兩端分別粘貼三道U型箍錨固[12-15],其寬度為100 mm,間隔100 mm,如圖2。

6根試驗(yàn)梁試件變化參數(shù)包括保護(hù)層厚度、縱向CFRP加固量和界面削弱程度,具體的試驗(yàn)梁編號及詳細(xì)參數(shù)如表1。表中界面削弱程度通過不同界面處理方式獲得,普通削弱和嚴(yán)重削弱界面的劈裂抗拉強(qiáng)度分別約為1.16 MPa和0.96 MPa[12]。編號中數(shù)字15和25分別代表保護(hù)層厚度為15 mm和25 mm;字母R和O分別代表普通程度弱界面和嚴(yán)重削弱界面; D代表梁底雙層縱向CFRP加固,未注明則為單層。

表1 試驗(yàn)梁具體設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)加載制度

加載試驗(yàn)采用SDS500型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),梁試件兩端簡支,四點(diǎn)受彎,上側(cè)使用分配梁三分點(diǎn)加載(圖3)。試驗(yàn)加載頻率為3 Hz,疲勞荷載上限值Pmax=54 kN,疲勞荷載下限值Pmin=10.8 kN,對應(yīng)荷載水平為0.65,荷載比為0.2。加載制度如下:1)預(yù)加載至Pmin以消除不良接觸,并檢查測試測量及采集設(shè)備;2)分6級加載至疲勞荷載上限值Pmax后卸載,反復(fù)進(jìn)行3次;3)采用正弦波加載方式,荷載控制,開始疲勞試驗(yàn)。當(dāng)疲勞荷載循環(huán)次數(shù)分別達(dá)到2千、5千、1萬、2萬、5萬、10萬、20萬、50萬、80萬、100萬時(shí),停機(jī)施加靜載,從0開始分6級加載至疲勞荷載上限。每級荷載作用下,觀察梁試件的損傷與混凝土裂縫發(fā)展情況,并同步記錄荷載與跨中撓度、CFRP應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變發(fā)展。如加載至200萬次時(shí),試驗(yàn)梁仍尚未破壞,則采用靜力加載直至梁試件發(fā)生破壞。

圖3 疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 薄弱界面影響

所有梁試件的破壞模式和疲勞壽命列于表1,各試件破壞模式如圖4。新老混凝土之間的弱界面對梁試件的破壞模式存在顯著影響,相比于對比梁試件,普通弱界面試件(R組)的梁底縱向CFRP更容易在低疲勞次數(shù)下過早發(fā)生剝離,梁受彎裂縫更快向上發(fā)展,最終導(dǎo)致梁頂混凝土壓碎。同等條件下,嚴(yán)重削弱界面的梁試件(O組)則傾向于沿弱界面發(fā)生保護(hù)層的整體剝落,脫落的保護(hù)層擠壓CFRP,造成縱向CFRP的斷裂及U型箍剝離,如圖4(b)、(d)、(f)。梁試件25-RD的疲勞壽命與對比梁基本相同,梁試件25-R與15-R的疲勞壽命則分別比對比梁降低39.3%和52.4%;嚴(yán)重削弱界面導(dǎo)致的疲勞壽命降低更為嚴(yán)重,梁試件25-OD、25-O和15-O疲勞壽命降低幅度分別達(dá)到12.9%、51.0%和56.2%。

不同荷載水平下梁試件的跨中撓度隨循環(huán)次數(shù)發(fā)展曲線如圖5。對比梁在疲勞次數(shù)達(dá)到15萬次左右損傷累積基本達(dá)到穩(wěn)定,此后隨疲勞次數(shù)有輕微增加,主要表現(xiàn)為梁試件裂縫的發(fā)展;嚴(yán)重削弱界面的梁試件25-OD、25-O和15-O分別在疲勞次數(shù)達(dá)到2萬次、0.5萬次和低于0.5萬次時(shí)疲勞損傷發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定,相應(yīng)的普通弱界面的梁試件25-RD、25-R和15-R則分別在5萬次、2萬次和2萬次時(shí)疲勞損傷發(fā)展完成。可以看出,弱界面的存在對CFRP加固梁試件的影響非常顯著,界面削弱程度越大,疲勞損傷發(fā)展速度越快,梁試件更易在低疲勞次數(shù)下發(fā)生CFRP的剝離或沿弱界面的保護(hù)層脫落等損傷,影響加固梁的安全性及使用性能。

圖4 梁試件疲勞破壞形態(tài)

2.2 CFRP加固量影響

相比同等條件下粘貼單層CFRP的梁試件25-O和25-R,粘貼雙層CFRP的梁試件25-OD和25-RD的疲勞壽命相應(yīng)顯著增加,兩者分別提高78%和66%。其部分原因?yàn)楦呒庸塘肯?疲勞荷載水平相對偏低;另外,對于梁體開裂及局部保護(hù)層錯(cuò)動與剝落等不連續(xù)性引起的CFRP絲束拉斷,雙層CFRP有著更強(qiáng)的約束和抵抗作用。高加固量下,破壞更易在薄弱的界面處發(fā)生發(fā)展,破壞模式如表1所列,疲勞過程中加固體系的整體性相對能夠得到更好的維持,但對縱向CFRP的錨固構(gòu)造也相應(yīng)提出了更高的要求。高加固量的梁試件25-OD和25-RD的隨疲勞次數(shù)的損傷發(fā)展比相應(yīng)梁試件25-O和25-R也更為緩慢,如圖5。

圖5 不同荷載水平下梁跨中撓度-循環(huán)次數(shù)曲線

2.3 保護(hù)層厚度影響

靜力作用下,保護(hù)層厚度越小,薄弱界面越接近CFRP-混凝土界面,對剪切傳遞和防止剝離越不利[12]。此效應(yīng)在加固梁的疲勞性能上亦表現(xiàn)得較為明顯,存在嚴(yán)重削弱界面的情況下,梁試件15-O相比25-O疲勞壽命下降約11%,且在破壞時(shí)伴隨有保護(hù)層脫落,見表1。梁試件15-O隨疲勞次數(shù)的損傷發(fā)展極為迅速,在低于0.5萬次時(shí)已發(fā)展完成,如圖5(f)。對于普通弱界面情況,梁試件15-R與25-R隨疲勞次數(shù)的損傷發(fā)展累積基本相似,破壞模式相同,但疲勞壽命下降幅度約22%,證明保護(hù)層厚度的影響同樣顯著。

3 結(jié) 論

(1)弱界面的存在使CFRP加固混凝土梁的疲勞損傷發(fā)展速度加快,疲勞破壞形式發(fā)生改變,疲勞壽命顯著縮短。

(2)對于存在弱界面的CFRP加固梁,適度增加CFRP加固量和降低縱向CFRP中的應(yīng)力水平是提高其疲勞壽命的有效方式。

(3)保護(hù)層越薄,弱界面越靠近CFRP-混凝土黏結(jié)面,對剪切傳遞和CFRP抗剝離越不利,弱界面的削弱效應(yīng)越顯著。

(4)界面削弱嚴(yán)重時(shí),保護(hù)層脫落更易發(fā)生,對縱向CFRP造成局部擠壓,使U型箍易于剝離,由此造成加固梁的疲勞壽命大幅縮短,此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對CFRP的錨固構(gòu)造措施。