碳纤维布加固钢筋混凝土梁剥离检测试验研究

孙仲横，许 斌，贺 佳

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021；3. 华侨大学 福建省结构工程与防灾重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构是一种新型、简便、高效的加固、修复和改造技术。与传统材料相比，碳纤维增强复合材料具有质量小，刚度好，比强度高，比模量高，耐高温及抗疲劳性能好等优越性能。CFRP加固修补混凝土结构以其高强高效、防腐耐久、施工便捷、适用面广及经济性好等优势，在工程界得到广泛应用。对混凝土梁进行抗弯、抗剪加固，是将CFRP片材粘贴于构件的外表面，以提升构件的对应性能。由于多种材料的复合效果比单纯混凝土梁复杂，且CFRP片材端部由于形状变化易引起应力集中，产生较大的锚固剪应力和正应力，因而经常发生早期的片材端部剥离破坏，试件破坏时碳纤维及混凝土远未达到其极限强度，材料的利用率较低，达不到预期的加固效果，且破坏发生时较突然，属脆性破坏。利用传统的应变测量方法难以在构件仍处于较好的线性行为的状态下对破坏进行预测，因此，寻找一种能对CFRP加固混凝土梁进行健康监测的方法具有极其重要的意义[1-3]。

近年来，压电陶瓷在结构健康监测领域受到越来越多的关注[4-5]，在复杂钢管混凝土界面剥离、核心混凝土损伤等方面得到成功应用[6-11]。本文利用压电陶瓷对CFRP加固混凝土梁在竖向加载下的损伤发展过程进行监测，基于压电应力波法对混凝土梁的状态进行分析，以确定剥离损伤的程度。结果表明，该方法可以有效地监测CFRP加固钢筋混凝土梁结构的损伤状态[12]。

1 基本原理

国内外目前应用压电陶瓷进行结构健康监测的方法主要有波动法和阻抗法。本文采用波动法对构件进行试验研究。将压电陶瓷片分别粘贴在CFRP与混凝土梁外侧对应位置处，分别作为驱动器和传感器，根据逆压电原理对驱动器施加电信号激励，产生应力波在结构内部传播。由于正压电效应，传感器将接收的应力波转变为电信号输出。应力波在传播过程中遇到CFRP布与混凝土梁的界面剥离缺陷时会发生衍射、反射和透射等现象，波的能量衰减将会加剧，引起信号幅值的衰减、模态变化及传播时间的延迟等现象。通过分析传感器在加载全过程中接收信号的变化，实现CFRP加固钢筋混凝土梁构件剥离损伤发展的过程监测。原理如图1所示。

图1 基于波动法的结构损伤检测原理

2 构件界面剥离损伤监测试验

2.1 构件设计及加载方案

钢筋混凝土梁的截面尺寸为100 mm×200 mm，长为1 500 mm。下部主筋采用2根直径为∅14 mm的Ⅲ级螺纹钢，箍筋采用间距100 mm，直径为∅6 mm的Ⅲ级螺纹钢双肢箍，上部构造钢筋采用直径为∅8 mm的Ⅲ级螺纹钢。混凝土采用C30预拌商品混凝土，试件浇筑完毕后，在室内作养护处理。CFRP布采用东丽UT70-30型，理论厚度为1.4 mm，粘贴长度为850 mm，宽为100 mm。

经计算，试验梁理论极限弯矩M=18.1 kN·m，相应极限承载力F=80.4 kN。利用两点加载方式进行加载，如图 2所示。

图2 加载示意图

集中荷载F通过分配梁转化为2个大小相等的力，分别作用在试验梁1/3与2/3跨处。试验加载方式采用在梁顶面放置两根对称合金棒，合金棒上放置分配梁，于梁中央用SDS500型电液伺服动静万能试验机加载，采用力控制加载，竖向荷载分别为20 kN，40 kN，60 kN，80 kN，100 kN，直至构件破坏。在加载过程中，每加载到一个荷载等级，则采集一次数据，同一位置进行多次测量。每级荷载后稳压，以使试件有充分的变形时间，待变形稳定后测读数据。

2.2 压电陶瓷片的布设

本试验中采用尺寸为0.3 mm×15 mm×10 mm伸缩型锆钛酸铅压电陶瓷贴片。压电陶瓷片的布置如图3所示。压电陶瓷片粘贴于CFRP外表面与混凝土梁外侧对应处，编号为S1～S5；背面相对应贴片编号为A1～A5。每加载一级，构件稳定后，依次采用某单一压电陶瓷片作为信号驱动端，与其位置对应的压电陶瓷片作为信号传感端，如A1(S1)作为驱动端，S1(A1)作为传感端，以此类推。

图3 压电陶瓷片监测布置图

此外，在梁跨中处CFRP布外侧对称布置两个电阻式应变片(5 mm×3 mm)，测量CFRP布在加载过程中的应变。

2.3 试验监测方法

试验采用任意波形/函数发生器产生激励信号，并用高频动态数据采集系统采集压电陶瓷传感器响应信号。根据波动法的基本原理，任意波形/函数发生器通道口连接驱动器，传感器与数据采集系统一个通道口相连，采集和存储数据。

驱动器采用正弦信号进行激励。正弦激励信号频率为10 kHz，激励信号幅值均为8 V，采样频率为102 400 Hz。

3 试验结果分析

试件在加载过程中，在20 kN竖向荷载下梁外侧未能观察到有明显裂缝产生；随着竖向荷载的增加，可以观察到在CFRP布端部S1、S5处率先出现裂缝，纯弯段垂直缝及右侧剪跨段斜裂缝陆续出现，并分别向梁顶部和加载中心点扩展；在纵向钢筋屈服后，各裂缝开始变宽，向上扩展的趋势减慢，最先出现的裂缝发展较快，当竖向荷载超过102 kN后，CFRP布两端与混凝土梁发生剥离，受压区混凝土被压坏。图4为S5处CFRP布端部剥离破坏情况。

图4 S5处竖向荷载下CFRP布端部剥离破坏图

图5为40 kN荷载下钢筋混凝土梁剥离损伤图。由图可见，CFRP布两端混凝土梁剥离破坏比加载中心点处严重。

图5 40 kN竖向荷载下钢筋混凝土梁剥离损伤图

3.1 基于信号幅值的分析结果

以S5、S4和S3作为传感器的检测结果为例，各工况下的时域图如图6所示。由图可见，随着竖向荷载的增加，传感器接收信号的幅值出现较明显的减小，当荷载增加到一定程度时，幅值几乎不再改变。这表明简谐信号幅值对CFRP与混凝土梁之间剥离较敏感。限于篇幅，各检测位置传感器接收信号的幅值的比较不再一一列出。

图6 传感器接收时域信号图为定量说明界面剥

为定量说明界面剥离缺陷的敏感性，定义基于信号幅值差值的损伤指标：

(5)

式中：DI为界面剥离缺陷下信号幅值相对于健康状态下信号幅值的衰减程度；Hn为健康状态下传感器接收信号的幅值；Dn为各级加载下压电陶瓷传感器接收信号的时域幅值。当DI=0，表示结构处于健康状态。

图7为基于信号幅值的DI随荷载级别的变化情况(仅列出A3、A4、A5)。由图可知，DI随着加载的增大而增大，说明信号幅值的衰减程度随着竖向荷载的增大呈增大的趋势。在40 kN竖向荷载下，横向对比相同荷载级别下的A3、A4、A5。A5处DI值达到40%，大于A3、A4两处。A5位于片材端部应力较大的位置，是可能最先发生剥离损伤的区域，信号幅值变化较其他测量点更明显。当竖向荷载继续增加，A5处DI值增长缓慢，A3、A4处增长快速，且在100 kN竖向荷载下达到40%，继续加载下结构被压坏。当DI=40%时，CFRP布与钢筋混凝土梁之间已发生界面剥离损伤；当DI=50%时，认为片材端部已经发生严重的剥离现象，不适合继续承载。这说明定义的DI可以正确识别出结构在CFRP布两端发生的早期片材端部剥离破坏，且在钢筋混凝土梁结构整体处于线性阶段时，该指标也可以有效监测界面的剥离发展状况。

图7 基于信号幅值的绝对差值DI随荷载级别的变化

3.2 应变数据对比分析

在不同加载级别下，CFRP布应变数据如图8所示。由图可见，在0～100 kN，应变与荷载之间呈线性关系，平截面假定仍适用。CRFP布的应变测量难以反映片材端部的剥离破坏情况。当施加荷载为102 kN时，应变值突然降低，试验梁发生脆性破坏。

图8 0～102 kN工况下应变片数据图

4 结论

本文提出了基于压电驱动与应力波测量的CFRP布加固钢筋混凝土梁剥离损伤的监测方法，基于所定义的信号时域幅值的剥离损伤指标，通过试验研究验证了其可行性，得到如下结论：

1) 以A3—S3、A4—S4、A5—S5检测区间内裂缝损伤的检测结果表明，所定义的裂缝损伤指标的增长情况与实际裂缝发展情况吻合良好，基于此指标能监测到初始裂缝的产生及裂缝的发展。随着加载级别的增大，结构裂缝进一步开展，所定义的检测区段内的裂缝指标相应增加。利用所定义的裂缝指标可以准确识别钢筋混凝土段的裂缝的发生和发展过程。

2) 通过对比压电片监测结果及应变数据可知，即使在钢筋混凝土梁结构整体仍处于线性阶段时，基于压电应力波测量的方法也可有效监测界面剥离状况。