CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间力学性能研究

王丰仓，高 宏，廖 勇

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 714000；2. 延长油田股份有限公司 富县采油厂，陕西 富县 727500；3. 中铁隧道勘测设计院，天津 300133）

CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间力学性能研究

王丰仓1，高 宏2，廖 勇3

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 714000；2. 延长油田股份有限公司 富县采油厂，陕西 富县 727500；3. 中铁隧道勘测设计院，天津 300133）

为研究CFRP修复黄土隧道的安全性问题，结合西安地铁2号线鱼化寨附近区间隧道与基坑连接处部分混凝土冻融损伤加固工程案例，对CFRP修复不同冻融程度的混凝土结构进行弯剪试验。研究结果表明：随着冻融次数的增加，修复试件的抗弯承载力逐渐下降，延性增加，层间位移加大；混凝土结构的承载力和挠度主要随着CFRP中CF布粘结长度的增加而提高。据此建议增加CFRP中CF布的粘结长度和粘贴层数。

碳纤维复合材料；混凝土；冻融损伤；隧道修复；弯剪试验；力学性能；有限元模拟；研究

0 引言

地铁已是城市最大的基础设施之一，修建时工程浩大，环境复杂，施工中结构病害时有发生，在复杂环境下如何处理已成为难题[1]。碳纤维复合材料（CFRP）修复技术在工程中应用较多，主要应用于建筑结构中[2]，由于种种原因，也出现不少因CF布粘结失效引发的工程事故[3]，但目前国内外研究CFRP加固技术大多是在假设碳纤维（CF）布粘结良好的情况下进行，对CF布粘结工艺问题较少研究。同时调查发现，应变片内外贴法不一，会对混凝土、CFRP受力和相对滑移都会产生较大影响[4]。对于CF布粘结研究方法有多种，目前主要有单-双面剪切试验[5]、弯曲试验[6～7]以及直拉试验[8]等。Horiguchi等人用直拉方法研究CFRP中CF布粘结力，但试验过程中加载速度很难控制，且无法控制偏心影响；双面剪切太复杂因此很少用。研究基于弯剪试验，结合西安地铁3号线D3GD-某标鱼化寨附近基坑与区间隧道连接处发生隧道混凝土结构冻害修复工程案例，首次将CFRP技术引用到黄土隧道结构修复中，针对CFRP修复冻融损伤混凝土结构层间力学性能进行研究，主要对CF布粘贴的不同层数和不同长度对CFRP修复试件得到承载力最高，挠度相对较大的修复效果；同时还利用有限元软件对试验进行模拟，确保了试验的可行性。

1 工程概况与CF布粘结应力试验

1.1 工程概况

地铁三号线轨道工程D3GD-某标包括三号线正线及辅助线、二号线与三号线联络线、出入场线全长约28.736 km（单线）。线路起自雁塔区的鱼化寨停车场，途中设车站。此次事故位于鱼化寨附近，基坑与区间隧道连接处的混凝土衬砌工程暴露在外，风力较大，加之存在大量积水，且西安地处黄土高原，冬季白昼温差较大，出现了隧道冻融病害，如图1所示。

1.2 试验方案

图1 衬砌冻融现场图Fig1 lining concrete freeze-thaw damage concrete diagram

图2 试验加载简图及破坏图Fig2 Loading and damaging diagram

前期对CFRP修复构件承载力已做研究，试验主要针对CF布粘结效果进行研究。试验共计21 根短梁，梁截面尺寸100×100×200 mm ，取两个冻融损伤的梁对头放置，放置距离10 mm，再用CF布修复试件，如图2所示。每组试验平均3 次，试验主要参数见表1[9]。

1.3 CFRP修复混凝土结构层间力学试验

⑴ 混凝土配合比。试验水泥采用与工程所用水泥材料一致，即粗骨料为碎石，细骨料为河砂，试件直接在工地制作养护。

⑵ CF布-树脂基本力学指标。试验中CF布、树脂都是由辽建科提供的，基本指标见表2～3所示。

⑶ 试验在90 kN压力试验台上进行，试验过程及试件破坏如图2所示。

2 试验数值模拟

试验利用ABAQUS软件对CF布粘贴层间力学性能试验进行数值模拟，在前处理模块中进行，CF布采用S4R模型、混凝土采用C3D8R模型，树脂采用C0H3D8模型，接触面采用tie连接。建立参考点加载，并建立参考点和加载处的耦合关系分析后，试件的mise应力云图如图3～11所示。

表1 试验参数Table1 Test parameters

表2 CF布基本参数表Table2 The Parameter table of CF sheets

图3 N150试验破坏图Fig3 test damageable diagram of N150

图4 N250试验破坏图Fig4 test damageable diagram of N250

图5 CF布N150应力图Fig5 N150 stress diagram of CF sheet

表3 树脂基本参数Table3 The properties of the binder

图6 N250 CF布应力云图Fig6 N250 stress diagram of CF sheet

3 CFRP修复试件试验结果与分析

3.1 CFRP修复试件试验结果

CFRP修复冻融损伤混凝土层间力学性能试验破坏过程如图2所示，试件受荷很小时便发生破坏，且无任何征兆，加载过程中会听到 “叭叭叭”的持续声响，且声音很小，经过仔细观察发现，这是由于加载过程中CF与树脂之间不断发生破裂，当试件即将发生破坏时，会听到连续巨大的断裂声，继续加载，直到荷载值下降到峰值荷载的80%时，停止加载，试件弯曲明显。对于裂缝在试验过程中发现，破坏均发生在混凝土与CFRP的粘结面，试件也出现了剪切破坏，说明试验的成败与试件的截面尺寸和剪跨比有关。

图7 N150树脂应力云图Fig7 N150 stress diagram of binder

图8 N250树脂应力云图Fig8 N250 stress diagram of binder

图9 N350试验破坏图Fig9 test damageable diagram of N350

图10 N350 CF布应力云图Fig10 N350 stress diagram of CF sheet

图11 N350树脂的应力图Fig11 N350 diagram of binder

3.2 CF布粘结试验分析

3.2.1 承载力分析

不同CF布粘结长度及层数的承载力对比如表4所示，就粘结长度对比： N350（1）的承载力最高，可见承载力随着CF布粘结长度的增加而增加， 以N150（1）承载力（5 kN）为基础相比，N350（1）和N250（1）分别提高了500%和200%，可见承载力增加率随着粘结长度增加而增加。

表4 试件破坏类型Table4 Damageable types of specimen

就粘结层数相比，荷载值为：N350（1）＜N350（2）＜N350（3）和N250（1）＜N250（2）＜N250（3），以N350（1）为基础相比，N350（3）和N350（2）分别增加了58.9%、8.9%，同理，对于粘结长度为250 mm的粘结2和3层，承载力分别提高了18.48%和31.4%，说明承载力随着CF布层数增加而增加，但提高不明显。

通过分析可得结论，试件的承载力随着CF布粘结长度增加而增加，随着CF布粘结层数的增加，承载力也随之提高，但提高效果不显著。

3.2.2 挠度分析

粘结一层CFRP修复损伤混凝土试件的挠度如图12～14中实线所示，根据图12分析，N150的极限挠度值为10 mm；N250和N350为17 mm和45 mm。与N150对比，N250增加70%，N350增加350%，说明挠度值随着CFRP粘结长度的增加而增加。

3.2.3 结果对比分析

对CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间力学性能的试验值和模拟值对比的结果见图12～14和表5。图12～14中，刚加载时试验与模拟曲线基本重合，但加载一段时间后，试验挠度增大，但承载力小于模拟值。试验与模拟之间存在误差，主要是CFRP的施工工艺引起的。

图12 N150荷载-挠度图Fig12 load-deflections diagram of N150

图13 N250荷载-挠度图Fig13 load-deflections diagram of N250

图14 N350荷载-挠度图Fig14 load-deflections diagram of N350

通过分析可得以下结论，CFRP层间力学性能试验与模拟云图的破坏位置完全相同； CFRP的施工工艺对试验的成败至关重要；试验和模拟之间存在5%～8%的误差率。

表5 承载力参数表Table5 Comparison table of capacity

4 结论

试验以西安地铁施工中隧道混凝土衬砌为依托，采用工程试验与数值模拟的手段研究了CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土层间粘结的可靠性，为了CFRP修复技术能在工程中更好的应用，得到以下几点结论及后续研究想法。

通过对CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土试件进行层间力学性能试验，弯剪试验表明，试件承载力和挠度随着CFRP长度的增加而提高，承载力增加率也增加；随着CFRP层数的增加，承载力也有所提高，但是不明显。因此，要提高修复试件的承载力，增加CFRP布的长度比增加层数更有效。

利用AQBAQS有限元模拟CFRP修复冻融损伤混凝土试件的弯剪试验可得：修复试件刚加载时，试验值和模拟值吻合良好，加载一段时间后，实验的挠度值大于模拟挠度值，试件最终的破坏位置试验与模拟值完全相同，CFRP修复试件承载力的模拟值大于实验值，试验、模拟之存在一定的误差，基本控制在5%～8%之间。

通过试验发现，粘结施工工艺对CFRP的弯剪试验影响很大。

[1] 贾良, 聂红宾. CFRP布修复隧道中冻融损伤混凝土抗弯构件力学性能研究[J]. 隧道建设, 2016, 36(7): 819-825.

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[3] 聂红宾. CFRP布加固冻融损伤混凝土构件力学性能研究 [D]. 沈阳: 沈阳大学, 2014: 2-7.

[4] 方恩权. 碳纤维布与混凝土界面粘结性能试验研究[D].郑州: 郑州大学, 2005: 20-45.

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The research on mechanical properties of freezing-thawing damageableconcrete structure strengthened by CFRP

WANG Feng-cang1, GAO Hong2, LIAO Yong3

( 1. Department of Rail Engineering, Shaanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000; 2. Fuxian Oil Production Plant, Yanchang Oilfield Co., Ltd, Shanxi Fuxian 727500; 3. China Railway Tunnel Survey & design Institut, tianjin 300133 China)

To study the safety issue that CFRP sheets repair loess tunnel, combine with the concrete freeze-thaw damage reinforcementproject of the foundation pitjoint part and the running tunnel nearby the Yu-hua Zhai station of xi 'an metro line 2, thebending concrete structureshear test of the CFRP sheets repairing the different degree of freeze-thaw is conducted.Experimental results showed that the anti-flexural bearing capacity of the repaired specimens are decreasingwith number of freezing-thawing increasing, meanwhile, the ductility increases, the displacement betweenlayers increase. The bearing capacity and deflection of reinforced concrete structure is mainly increases with theincreases of bond length of CF sheets in the CFRP. According to theexperimental results that the number of pastelayer and the bond length of the CF sheets in CFRP are suggested to increase.

carbon fiber composite materials; concrete; freeze-thaw damage; tunnel repair; bending shear test; mechanical properties; finite element simulation; research

U214.99; U457

A

1007-9815（2016）04-0050-06

定稿日期:2016-07-15

王丰仓（1985-），男，陕西铜川人，助教，主要从事岩土、隧道、盾构等工程施工的科研与教学，(电子信箱) 411249805@qq.com。