外贴CFRP板宽度对RC梁疲劳性能影响的试验研究

张佩雲 崔贤

摘要：为研究钢筋混凝土梁（简称：RC梁）粘贴不同宽度碳纤维增强复合板材（CFRP）的疲劳性能，对3根粘贴CFRP板的RC梁进行应力比为0.7、频率为3Hz的等幅疲劳试验，结果表明：CFRP板加固宽度的增加能够降低构件的疲劳损伤累积，延长加固件的疲劳寿命;加固梁出现疲劳破坏特征后仍具有较高的承载能力和较大的残余刚度，表现出了良好的疲劳性能;随着加固宽度的增加，CFRP板与混凝土的剥离位置从端部向跨中移动;外粘CFRP板加固混凝土梁的最优宽度比为0.4。

Abstract： In order to study the fatigue behavior of reinforced concrete beams bonded with carbon fiber reinforced composite plates （CFRP） of different widths， the constant-amplitude fatigue experiments with stress ratio of 0.7 and frequency of 3Hz was carried out on three RC beams pasted with CFRP plates. The test results show that the increase of CFRP plate width can reduce the fatigue damage accumulation and prolong the fatigue life-span;the strengthening beams still have high bearing capacity and large residual stiffness after fatigue failure， and show good fatigue performance;with the increase of the reinforcement width， the stripping position of CFRP plate and concrete moves from the end to the midspan;the optimal width ratio of CFRP plate is 0.4.

關键词：CFRP板;疲劳试验;最优宽度比

Key words： CFRP plate;fatigue testing;optimum width ratio

中图分类号：TU375.1                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）18-0274-03

0  引言

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）因其优异的耐久性、施工性和抗疲劳性能在结构加固中的应用越来越普遍。CFRP板材的加固量是影响加固件力学性能的重要影响因素，而目前学界对这方面的研究甚少，在一定程度上限制了实际工程的应用。

为了研究CFRP板加固宽度对加固后RC梁的疲劳性能的影响，本文从目前流行的外粘碳板加固法入手，通过与普通钢筋混凝土梁的对比试验，从加固后梁的刚度变化、疲劳寿命和材料应变等方面进行了简略分析，得出CFRP板材加固件的最佳宽度比。该研究成果可为实际应用提供依据。

1  试验概况

1.1 试件设计

本次试验共设计4根几何参数完全相同的钢筋混凝土梁。试验梁的横截面尺寸为200mm×300mm，总长2000mm，净跨1600mm，受拉和受压区钢筋均采用Φ14的HRB400级钢筋，箍筋为Φ8的HPB235级光圆钢筋，试件尺寸及配筋详图如图1所示。BW-0为未加固的钢筋混凝土梁，其余三根试验梁加固区域分布见图2。

浇筑采用C40混凝土，质量配合比为0.43：1：1.97：2.13，同时预留的混凝土标准立方体试块经养护28d后实测强度为53MPa。试验所用粘接剂为安捷复材公司的A型改性环氧树脂，其抗拉强度大于30MPa。

1.2 加固工艺

1）凿除梁底的蜂窝、剥落等缺陷，角磨机去除砼表面污物，用酒精清洗干净，风干后胶带密封施工区域;2）细砂纸轻微打磨CFRP板的粘贴面以刮去表层树脂，后用丙酮清洗碳板表面;3）在板材上涂1-2mm厚的粘贴剂（板材中心区为3mm），呈凸起状;4）将板材放置在砼面上，用滚筒均匀施加足够的压力，使粘结剂从两边溢，保证密实无空洞，施工时必须保证板材和砼面有2mm的粘贴厚度;5）重物压在碳板表面，待胶层基本固化后，移除覆盖物并清理多余结构胶。

1.3 加载与量测内容

试验在量程为500kN的PWS-500液压伺服疲劳试验仪上进行，采用两端固定、跨中集中加载方式。试验静力加载先用位移控制找到试验零点，后力控制进行速率为0.15kN/s的静力加载破坏试验;由文献[1]得知疲劳加载频率与试件自振频率相近时将会发生发生共振现象，自振频率在10Hz以上的梁BW-40、BW-60、BW-100进行图3所示3Hz的等幅疲劳加载试验，疲劳荷载模式采用正弦波、上限取梁BW-0静力破坏荷载的70%、下限取上限荷载的10%，当荷载循环次数分别达到100、500、1000、5000、10000、50000次时进行一个循环刚度测试的静载试验。跨中挠度、荷载由作动器上的传感器自动收集，钢筋、CFRP板及混凝土变形率等试验数据利用DH3817动静态应变测试系统自动采集，并在试验过程中对裂纹情况进行实时记录。

2  试验结果及分析

试验主要测试结果详见表1。梁BW-0开裂荷载34kN、屈服荷载为110kN，试件从主裂纹处断裂，以146.28kN作为疲劳试验加载幅值取值依据，确定本次疲劳加载幅为10～100kN。

试件经疲劳荷载作用后，典型的疲劳破坏模式如图4所示。梁BW-40、BW-60、BW-100在第一次加載到疲劳上限荷载时裂纹尖端分别发展至距梁底280mm、194mm、176mm处，可见加固宽度增加能够一定程度地限制了裂纹的延伸，并发现CFRP板的粘贴和胶层减少了梁下表面的疲劳敏感源，从源头处减少了裂纹数量。当缺陷处的应力到达一定水平，初始裂纹就会继续扩张进入裂稳定扩展阶段，逐步产生永久性的局部累积损伤[2]，后呈左右对称式扩展，延伸到整个梁高，直至构件疲劳破坏。试验梁疲劳损伤累积过程是一个能量转移的过程，疲劳荷载作用试件下不断从加载装置吸收能量，当构件自身储存的能量值超过其局部薄弱部位破坏时的临界值，即发生局部的疲劳破坏。

试件梁出现局部疲劳破坏特征后进行静力加载破坏试验，通过静载破坏试验了解加固梁疲劳损伤后的静力性能。经疲劳荷载作用后，试件静载受弯破坏形式均为CFRP板与混凝土梁体剥离后钢筋拉断。这是在疲劳荷载作用下，胶层产生的损伤逐步累积的结果，虽然在低应力状态下可以正常工作，但随荷载的增大，钢筋屈服、、裂缝延伸和试件变形增加，损伤后胶层粘结力不足，致使CFRP板剥离后梁体拉剪破坏。

图5为3根加固梁CFRP板端部应变随循环次数的变化曲线。由图可知各曲线有明显的3个发展阶段，分别对应于试件梁的弹性阶段、开裂和屈服阶段。疲劳加载初期加固梁的拉力主要由粘贴于试件底部的CFRP板承担，CFRP板端部应力集中严重，应变增长较快;循环加载至1000～20000次左右受拉钢筋逐步参与工作，CFRP板端部应变处于平稳发展状态;待钢筋屈服后，CFRP板因单独抗拉，应变出现大幅地增加。同时由表1中应力数据对比可知，在梁底受拉区粘贴CFRP片材可以有效降低主筋上的应力水平，进而延缓试件局部疲劳破坏发生。

试件出现局部疲劳破坏不是其丧失使用价值的标志，疲劳破坏后的残余强度往往是安全的保证。对比各试件静力破坏的荷载-挠度曲线图6可以看出，低应力状态下试件梁的刚度随CFRP板粘贴宽度的增大而增加，并且均高于未加固试件梁BW-0，可见CFRP加固的试验梁的刚度有所提高[3]。这是梁底粘贴CFRP后，裂缝开裂缓慢，受压区高度相对增大所致。但随着荷载的增加，试件BW-100因疲劳损伤累积导致刚度退化严重，CFRP板的应变预先达到极限值退出工作，破坏形态愈来愈接近未加固梁BW-0。值得注意的是加固梁破坏极限因外粘碳板而有所提高，但由于碳板撕裂退出工作致使原构件承载力突然下降，试件应力瞬时变大，从而呈现加固梁的挠度较未加固梁BW-0均有所减小的现象。

外粘CFRP板加固混凝土梁的疲劳性能受裂纹发展、各组成部分变形率及刚度匹配等诸多因素的影响。外粘CFRP板加固宽度的增加延长试件疲劳寿命的同时，增大了胶层粘接面的应力，大大提高了试件的刚度，导致延性不足，降低了实用性能。由图7综合分析试件疲劳寿命、静力破坏强度、循环荷载作用下的变形率可知最优的加固宽度比0.4在疲劳寿命与静力强度两曲线的交点处取得。

3  结语

①FRP-混凝土界面疲劳剥离破坏、粘接面胶层疲劳损伤是CFRP板加固混凝土梁构件失效的重要形式，端部锚固以增长加固构件服役寿命的措施值得考虑[4]。

②相较未加固试件，外粘CFRP板可以延缓混凝土裂缝的发展，提高构件的刚度，随着加固宽度的增加，梁的抗疲劳寿命急剧增长。

③加固后试件的刚度明显增加，试件挠度降低，刚度适应的CFRP板与原试件疲劳寿命最大，外粘碳板最优宽度比为0.4。

④外粘CFRP板钢筋混凝土组合构件比钢筋混凝土构件的极限挠度、延性、变形率均有所降低，但静力极限荷载有大幅的提高。

参考文献：

[1]HiragiH， MatsuiS， FukumotoY. Static and Fatigue strength ofstuds[C]//IABSES ymposium. Belgiu， Brussels： International Association for Bridge and Structural Engineering， 1990：197-202.

[2]郭蓉，彭志会，郭娇，等.有黏结预应力CFRP板加固RC梁抗弯疲劳试验与理论分析[J].公路交通科技，2018，35（7）：50-57，85.

[3]韩猛猛，董家治，董家豪，等.CFRP网格加固混凝土板抗弯性能试验研究[J].山西建筑，2017，43（33）：52-53.

[4]祝茜，吴昊，苏杭.碳纤维布加固钢筋混凝土梁疲劳试验研究[J].山西建筑，2013，39（20）：19-21.