CFRP板加固RC梁疲劳破坏后残余刚度试验研究

2019-07-10张佩雲崔贤延边大学工学院吉林延吉133002

安徽建筑 2019年6期

张佩雲，崔贤（延边大学工学院，吉林延吉 133002）

0 前言

随着生产技术的更新与发展，纤维材料的成本不断下降、质量逐步提高以及碳纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称 FRP)耐腐蚀、疲劳性能好、比强度高和易施工等特点在结构加固领域受到了研究者们的青睐。但近年来研究者们对CFRP板加固钢筋混凝土梁的研究主要集中静力与疲劳荷载作用下的受力性能、结构承受累积损伤的能力及加固方式对结构疲劳性能的影响[1-3]等方面，对于疲劳破坏后试件的受力性能研究甚少。经加固后服役年限过长的大跨桥梁，在频繁过车的疲劳荷载下作用下结构损伤的不断累积会降低结构的极限承载能力，久而久之结构的安全将会受到影响，而疲劳破坏后的结构极限承载能力往往是频繁过车桥梁安全的最后一道防线。

针对目前学界的研究现状，本文对出现疲劳破坏特征的不同厚度CFRP板加固梁进行了静力荷载破坏试验，分析了局部疲劳破坏后外粘CFRP板加固试件梁静力破坏模式和极限承载力的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

为便宜对比，本次试验设计了4根用材、配筋及尺寸完全相同钢筋混凝土试验梁，试验梁尺寸为2000mm×200mm×300mm；纵筋均采用 Φ14的HRB400级钢筋，箍筋为Φ8的HPB235级光圆钢筋，试件尺寸及配筋详见图1；所有试件C40混凝土一次浇筑，定期洒水养护。

试验所用CFRP板由海宁安捷复合材料有限责任公司提供，产品设计标准强度260MPa，弹性模量165GPa，极限延伸率大于1.7%；黏结剂为该公司生产的A型改性环氧树脂，抗拉强度大于30MPa。三根试验梁分别采用厚度为1.4mm、2.0mm、3.0mmCFRP板材在图2所示区域严格按照加固技术规范要求的工艺进行粘贴加固，其余一根梁不做加固处理。

图1 试件尺寸及配筋详图

图2 加固区域示意图

1.2 加载制度

试验梁两端均为固定铰支座，采用PWS-500电液伺服疲劳试验仪沿跨中宽度方向均匀加载。加载前进行一次荷载幅为10kN的预加载，以确保各部件处于正常工作状态，后疲劳加载制度参照文献4，本次试验疲劳加载频率为3Hz，加载峰值取未加固试验梁静力破坏荷载的70%。待疲劳加载试件出现疲劳破坏特征后进行静力加载破坏试验，静力加载制度为:位移控制至荷载达到1kN转为试验力控制，持荷60s后进行速率为0.15kN/s的静力加载，至试验梁破坏为止。

1.3 测量仪器布置

为了研究试验梁受力过程中的承载情况，在试验板跨中混凝土侧面每隔75mm布置一个BX120-60AA应变片；碳纤维板跨中及端部布置BX120-5AA应变片，应变采用DH3817动静态应变测试系统进行数据采集；试验梁的跨中荷载挠度由作动器头内置传感器自动采集。

2 试验现象及结果分析

US系列为普通钢筋混凝土梁，FSC系列为底部采用CFRP板加固梁。梁US0的静力极限荷载为146.276kN，由此确定本次疲劳试验的加载幅值为100kN。由于本次试验的主要目的是研究不同厚度CFRP板加固梁局部疲劳损伤后的静力性能，故对疲劳试验阶段的数据未进行详细的记录，试验主要测试结果详见下表。

主要试验结果表

试验结果表明，胶层加固处首先发生疲劳损伤，静载破坏也在损伤破坏处发生。在相同加载工况下梁FSC2.0在循环63150次才出现CFRP板端部剥离的疲劳破坏特征，而粘贴相对该试验梁刚度过大3mm厚的碳纤维板材的加固梁FSC3.0却因刚度不适导致粘贴截面过早分离的疲劳破坏。从裂纹发展高度，受拉钢筋的应变等方面也可以看出，加固梁的疲劳性能与CFRP板加固厚度不是呈线性关系，存在加固板材与原梁刚度匹配的问题，并非粘贴CFRP板越厚越好。

局部疲劳破坏发生后，试件往往还可以继续服役，但由于疲劳破坏特征隐蔽，不易被发现会导致其发展成为整体的永久性损伤，结构局部疲劳损伤后的极限承载能力成为了建筑安全服役的最后防线。试件静力加载的主要破坏形态如图3所示。梁US0为多点同时开裂后受压区混凝土压碎破坏，外粘CFRP板和胶层的填充减少了加固梁疲劳敏感源，抑制了裂纹萌生，从而呈现加固件的裂纹数量少于原梁的现象。梁底混凝土撕裂是较为理想的破坏模式，这时混凝土强度得到了充分发挥，但由于梁端的剪力区未进行更为有效的补强方式，CFRP板的强度未能充分利用，使得在CFRP板端部弯剪作用区附近出现了45。沿主拉应力方向上的撕裂破坏[5]。值得注意的是梁FSC2.0由混凝土撕裂的疲劳破坏模式转变为CFRP板中部断裂的静载破坏模式，显然混凝土撕裂减小了有效粘接长度，不足以承受CFRP板断裂所需的荷载，分析这是由于混凝土撕裂后结构内力重分布，受压区混凝土压碎致使加载点偏移，CFRP板被剪断所致。

图3 梁细部破坏形态

图4 静力荷载挠度曲线

图4为4根试验梁跨中的静力荷载挠度曲线，由图可知加固梁的极限破坏荷载普遍大于钢筋混凝土原梁。梁FSC1.4与原梁相比，在弹性阶段其刚度略大，屈服段较短，挠度降低，试件最终呈现脆性破坏。梁FSC2.0由于CFRP板与原梁刚度匹配性高，极限荷载显著大于原梁，A点后CFRP板剥落导致试件承载力突然下降，部分CFRP板仍然参与工作使得其屈服段承载能力大于原钢筋混凝土梁，最终因CFRP板完全退出工作使得结构内力重分布导致本已损伤的结构荷载超限而提早破坏。FSC3.0由于外粘CFRP板刚度过大，胶层承载力不足而使CFRP板剥离过大而大大降低了结构的承载能力，B点后CFRP板完全剥离致使其与原梁承载力相当，但由于疲劳损伤使得受拉钢筋承载力不及原结构而出现最后的突然破坏。钢筋混凝土原梁从C点开始进入屈服阶段，其耗能能力显著大于局部疲劳破坏后的加固梁。