CFRP加固鋼筋混凝土梁在持續(xù)荷載下的疲勞性能研究

中圖分類號：U444 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.054

文章編號：1673-4874（2025）03-0191-04

0 引言

近年來，碳纖維增強聚合物CFRP在橋梁修復中得到了普及，其比鋼板黏合有一些明顯的優(yōu)勢，如耐腐蝕和高剛重比[1-3]。由CFRP經(jīng)加工制成的CFRP層壓板可以很容易地黏接在鋼筋混凝土梁、板和柱上，具有輕便和易于安裝的優(yōu)點，降低了勞動力成本[4-5]。近年來，對碳纖維增強聚合物CFRP增強鋼筋混凝土結構進行了大量的研究，但許多涉及用CFRP層壓板加固鋼筋混凝土結構構件的研究都集中在構件的靜態(tài)行為上。然而，疲勞顯著地影響了結構的完整性。疲勞是材料在重復應力下結構內(nèi)部發(fā)生變化的過程，這些重復應力可能導致構件的內(nèi)部開裂，從而改變其剛度和承載力。因此，這些重復應力在橋梁結構構件的安全方面尤為重要。此外，惡劣環(huán)境條件和CFRP與加固結構間的分層問題對結構變形和承載力的影響也很大，但是對這兩方面的影響研究很少。

本研究對CFRP加固梁在惡劣的環(huán)境條件和分層缺陷時在疲勞加載下的力學性能進行研究。使用CFRP層壓板加固的9根預裂縫鋼筋混凝土梁進行試驗，其中3個試件有表面分層缺陷，其余6個試件經(jīng)歷了包括凍融循環(huán)、極端溫度變化、紫外線照射及相對濕度波動在內(nèi)的惡劣環(huán)境循環(huán)。所有的試件都在循環(huán)加載條件下進行了測試。

1試驗研究

1.1材料力學性能

采用抗壓強度 f_c^′ 為 27.5MPa 的混凝土，混凝土的彈性模量 E_c 為 25.8GPa ，鋼筋的屈服強度 f_sy 為413MPa ，彈性模量 E_s 為200 GPa 。CFRP的厚度 t_s 為0.165mm ，寬度 w_s 為 203mm ，橫截面面積 A_s 為33.55 mm² 。CFRP的極限強度 f_fu，s 為3.8GPa，彈性模量

E_f，s 為227.5 GPa ，極限拉伸應變 ε_fu，s 為0.016 7。

CFRP是一種復合材料，當CFRP通過特定的方式（如熱壓成型）緊密結合在一起時，就形成了CFRP層壓板。CFRP層壓板在失效前被理想化為線性彈性材料，因此，應變 ε_f 與應力 f_f 之間的關系表示為 f_f=E_fε_f（0?ε_f ?K_mε_fu） ，其中 E_f 為彈性模量， ε_fu 為斷裂應變。層壓板的設計參數(shù)為：設計應力 f_fu 為3385 MPa ，應變 ε_fu 為14880με ，軸向剛度為7633N，最大拉力為113.6KN。計算結果表明，未加固梁的開裂載荷、屈服載荷和失效載荷分別為9.8kN、25.5KN和29.5KN。CFRP加固梁的屈服載荷和破壞載荷分別為35.5和 54.5kN CFRP加固梁和帶有錨釘?shù)腃FRP加固梁的理論失效載荷相同。

1.2 失效準則

模型假設鋼筋和混凝土中的應變與距離中性軸的距離成正比，從而計算了整個截面上的應變分布。假定當混凝土達到極限壓縮應變值 時，混凝土失效。鋼筋被理想化為線性到屈服，然后完全具有塑性，產(chǎn)生在屈服時的應變 ε_y=2070με 。受拉鋼筋用 f_ct= E_cε_ct（0?ε_ct?ε_ctu） 表示，其中 E 為彈性模量， ε 為應變。彎曲載荷下的最大拉應力 因此，開裂前的最大允許應變?yōu)?ε_ctu=（f_ctu/E）=127με 0

1.3試件制備

在試驗室中制作了9根鋼筋混凝土梁，橫截面寬度為 254mm ，高度為 165mm ，長度為 1981mm ，每根梁包括3根受拉鋼筋和2根受壓鋼筋，直徑均為 9.5mm 。所有梁均配備箍筋，直徑為 6.4mm 間距為 152mm ，試件的尺寸和截面細節(jié)如圖1所示。所有梁都將在循環(huán)加載下進行試驗，表1顯示了疲勞試驗加載制度。試件被分為2組，第一組試件保持在試驗室條件下，第二組試件處于環(huán)境條件和 40% 的持續(xù)荷載下。

9個鋼筋混凝土梁中有8個用CFRP加固，保留1個作為對照試件，將CFRP黏貼在試件的受拉側(cè)。為確保表面干凈和粗糙，梁的受拉側(cè)經(jīng)過了鋼絲刷和加壓空氣的處理。在受拉側(cè)上先涂上一層薄底漆，然后涂上環(huán)氧樹脂作為黏合劑，CFRP黏貼在環(huán)氧樹脂之后，通過釘輥滾動施壓，以避免形成空隙。試件在試驗室環(huán)境中固化72 h₀

S5、S7和S9用來研究表面缺陷。層壓板上的3個點被固定住，少量的壓縮空氣被壓縮在CFRP下面，從而產(chǎn)生分層缺陷。為了得到最終的分層形狀，使用釘輥在分層周圍滾動，在加載頭之間的中央位置制造了1次分層缺陷，在加載頭和支座之間的區(qū)域外制作了第2次分層缺陷。具有分層缺陷的試驗梁如圖2所示。

為研究環(huán)境條件的影響，第二組中有6個試件（S4一 ，將存在分層缺陷和未分層的試件進行配對，并在不同的環(huán)境條件下存儲。其中一對試件在戶外露天環(huán)境中存放一年，另外兩對試件在暴露于惡劣環(huán)境條件下的室內(nèi)環(huán)境中存放。

一個環(huán)境周期包括四種循環(huán)：50個凍融循環(huán)，溫度范圍為 -18^°C～4^°C ；60個極端溫度循環(huán)，溫度范圍為-27C～49C ：120個相對濕度循環(huán)，濕度范圍為60%～100% ；高低溫循環(huán)下的紫外線照射，環(huán)境暴露情況如圖3所示。所有三對加固試件都保持在21.0KN持續(xù)載荷下，相當于梁預測極限力矩容量的 40% 。

在一個CFRP加固梁上，使用四個錨釘，位于可能在抗彎試驗期間產(chǎn)生剝離和剪切應力的位置，這些錨釘?shù)拇嬖诳梢允辜庸塘旱目箯澇休d力提高 35%^[6] 。錨釘由干玻璃纖維制成，其中一半涂有環(huán)氧樹脂，直徑為9. 5± 1.5mm. ，在混凝土上鉆四個孔，孔的尺寸為25.4mm（長度）和12.7mm（直徑），如圖4所示。在梁的拉伸一側(cè)涂上底漆和浸漬劑。在使用CFRP后，將預先固化的錨釘插入孔中，并將干玻璃纖維展開覆蓋在CFRP上，涂上第二層浸漬劑，并使用滾釘在CFRP上滾動，以排除空氣

為了研究CFRP與混凝土基材間黏結性能，制備了6個剪切黏結試件?；炷疗鰤K的橫截面尺寸為

152mm×152mm ，長度為 254mm 。CFRP條尺寸為813mm×76mm，2 條CFRP被黏結在混凝土砌塊的兩側(cè)，CFRP條的黏結部分在混凝土塊的兩側(cè)延伸 254mm 2個砌塊之間放置手動千斤頂，間距305mm，千斤頂?shù)娜萘繛?11.0KN，使用最大荷載為222.4KN的裝置測量試件，如圖5所示。

2試驗結果

2.1疲勞試驗結果

未加固梁在第1個循環(huán)后和 200×10⁴ 個循環(huán)后的10周期疲勞試驗中的跨中位移如圖6所示。第1個循環(huán)和第 200×10⁴ 個循環(huán)的抗彎剛度分別計算為7.45kN/mm和6. 30kN/mm ，相當于下降了 16% 。在初始循環(huán)中，CFRP加固梁的剛度增加，約為未加固梁的2倍，即14.80kN/mm。S4初始循環(huán)和第 200×10⁴ 個循環(huán)的剛度分別為 和11.67kN/mm，如圖7所示， 200×10⁴ 個循環(huán)后的剛度下降了 25% 。所有梁的剛度計算結果如圖8所示。由圖8可知，大部分剛度損失發(fā)生在第1個循環(huán)和第 50×10⁴ 個循環(huán)之間。有缺陷的試件與沒有缺陷的試件相比，在整個循環(huán)過程中表現(xiàn)出較低的剛度。 S1～S9 試件在 200×10⁴ 個循環(huán)的剛度損失和相對剛度計算結果如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，試驗室條件和環(huán)境條件的平均損失分別為 15% 和 25% 。經(jīng)過200×10⁴ 個循環(huán)后，除了帶有錨釘?shù)? ，梁的剛度都呈現(xiàn)出更低的趨勢，S7下降幅度最大，達到 34% 。在進行

2.2循環(huán)過程中的分層變化

S5分層界面上的應變計測量結果如圖9所示。由圖9可知，初始循環(huán)與 50×10⁴ 個循環(huán)之間應變值的增加可以間接解釋為某種程度的分層缺陷增大。整個循環(huán)過程中的剛度損失增加，分層的加劇似乎并沒有影響試件的性能。根據(jù)微波技術成像顯示，在 50×10⁴ 個循環(huán)和 200×10⁴ 個循環(huán)之間，分層尺寸沒有出現(xiàn)明顯的增長。通過微波檢查記錄的分層面積數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，CFRP總面積為361 290mm²"。將總分層面積除以總CFRP面積，得到總分層面積的百分比。對于85.57 和S9，分層面積百分比分別為 3.85% 、3. 00% 和4. 20% 。

2.3剪切黏結試驗結果

在試驗室條件下，試件的平均失效荷載為72.10KN，標準差為2.80KN。而在環(huán)境條件下，試件的平均失效荷載為37.30KN，標準偏差為 4.30kN 環(huán)境條件下試件的強度下降了 48% ，所有試件都經(jīng)歷了CFRP與混凝土的脫黏失效。然而，在環(huán)境條件下CFRP上有更多的粗糙表面，這表明失效主要發(fā)生在混凝土基底上，而不是經(jīng)過條件處理的試件中。

3結語

（1）采用CFRP加固顯著提高了鋼筋混凝土梁的抗疲勞性能。經(jīng)過疲勞試驗，CFRP加固梁增加的剛度約為未加固梁的2倍。

（2）環(huán)境條件和持續(xù)載荷對梁的彎曲剛度產(chǎn)生顯著影響。在持續(xù)荷載和8個環(huán)境周期條件下，無缺陷的CFRP加固試件（S6）的剛度降低為試驗室條件下CFRP加固試件（S2）剛度的0.74倍。在持續(xù)荷載和4個環(huán)境周期條件下，無缺陷的CFRP加固試件（S4）的剛度降低為試驗室條件下CFRP加固試件""剛度的0.93倍。

（3）分層缺陷會導致整個循環(huán)過程中的剛度損失增加，但在 50×10⁴"個循環(huán)和 200×10⁴"個循環(huán)之間，分層尺寸沒有出現(xiàn)明顯的增長。

（4）剪切黏結試驗結果表明，本研究中應用的環(huán)境條件對直接剪切中的黏結強度有顯著影響。

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