FRP片材加固界面补丁式剥离损伤的光纤检测技术

2019-12-19李伟文2王德祥张威凯

无损检测 2019年12期

许颖，李伟文2，王德祥，张威凯

(1.哈尔滨工业大学(深圳) 城市与土木工程防灾减灾深圳市重点实验室，深圳 518055；2.深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，深圳市土木工程耐久性重点实验室，深圳 518060)

近十多年来,FRP(纤维增强复合材料)外贴补强加固方法已成为结构补强加固中常用的方法。其最常用的方法是将FRP片材通过环氧树脂黏贴在加固部位的表面。外贴FRP片材能否有效地提高加固后结构或构件的承载力，主要取决于FRP片材与构件界面能否有效地传递应力[1]。然而粘结界面上的两种材料具有不同的物理特性，使得FRP片材与构件的粘结界面成为整个加固构件的薄弱处[2]。这种原因引起的FRP加固破坏称为FRP加固结构界面剥离破坏。这种破坏是一种脆性破坏[3-7]，在材料受到反复载荷时会逐渐扩大，甚至导致材料失效，从而制约了FRP加固结构的应用发展。如果能够用一种简单、快速、安全、有效的无损检测方法，在剥离的发展初期就及时检测其位置和大小并加以处理，对结构加固工程来说具有重要的现实意义。

对于FRP 加固构件界面缺陷或剥离破坏的无损检测，传统的方法有超声技术[8]、X 射线技术[9]、声发射技术和红外检测技术[10]，但各存在缺点和局限性。20世纪80年代末开始，人们开始利用光纤传感器来检测FRP材料内部的分层[11]，当时使用的是光强损失测量技术和波长调制技术，这些方法能够检测出剥离层的存在，但不能检测出剥离层的位置和大小。许颖、江毅等[12-15]利用光纤干涉仪对复合材料梁内部的贯穿式或补丁式分层进行检测，可较准确地判定复合材料梁内部分层的存在及其位置和大小，从理论和试验上都验证了此方法的正确性与可行性。

笔者使用软胶榔头在FRP片材表面沿着预定的位置逐点施加荷载，通过黏贴在FRP片材表面的光纤干涉仪传感臂(沿梁长方向)测量FRP片材表面的积分应变量(即FRP片材在荷载作用下的沿长度方向的总变形量，光纤的积分应变量即FRP片材的总变形量)。通过数据处理得出加载位置与光纤积分应变量的关系曲线，由于剥离层对FRP片材的局部影响,在剥离层区域和未剥离层区域加载时产生的积分应变量会发生突变，反映到积分应变曲线上就是曲线位于剥离层处的曲率或正负值发生突变，故可由曲率或正负值的突变来判定剥离层的位置和大小。此方法对FRP加固混凝土结构及铝合金板结构的补丁式剥离层检测都取得了不错的效果，证明了该方法对FRP加固件剥离层具有较好的检测性。

1 剥离层检测技术原理

图1 检测原理及检测系统

该方法的检测原理如图1所示。图1中有一任意支撑条件下的FRP 加固梁，沿着梁的长度方向人为加一个逐点移动的荷载(单位力)。当荷载在某一点时，梁受力变形，得到梁的一个总变形量。当有剥离层发生时, 从理论上来说梁的变形量会受到干扰，其变形量与没有剥离层时的变形量不同，其差别取决于剥离层的大小和加载力的位置。当外加力不在剥离层上时，有剥离层加固梁和无剥离层加固梁变形量不会有明显的变化；当外力加到剥离层上时，有剥离层加固梁和无剥离层加固梁变形量会有较大的变化,这个突变是由于剥离层的局部影响产生的。这时所加力的位置就是剥离层的位置，变形量变化的幅度就反映了剥离层的大小。

2 试验制备与试验过程

2.1 被加固构件材料

试验中分别选择混凝土梁和铝合金板作为被加固构件。这两种加固构件可分别作为连续和简支情况来研究不同支撑条件下，此方法对剥离层的检测效果。采用的混凝土强度为C30，制作截面尺寸(边长×边长)为60 mm×60 mm，长度为800 mm的混凝土梁，使其在常温和正常湿度条件下养护30 d。待试件制作成型后，用砂纸将梁的上表面打磨平滑，并清除打磨面的灰尘。采用的铝合金板的尺寸(长×宽×厚)为600 mm×60 mm×3 mm，用丙酮清除铝合金板表面的灰尘，确保其表面的清洁。

2.2 加固片材及剥离层的制作

FRP加固件的剥离层一般出现在黏贴界面内部，即补丁式剥离层，如图2(a)所示。人为制作这种剥离层有一定困难。为简化试验，在保证试验结果与实际结果相符合的前提下，考虑到剥离层、荷载以及支撑形式的对称性，可将补丁式剥离层简化为半补丁式剥离层，其结构示意如图2(b)所示。制作FRP加固片材时，选用4层尺寸(长×宽)为400 mm×50 mm的FRP布，用A组份与B组份配合比为3∶1配制成的环氧树脂，将4层FRP布逐层黏贴在被加固试件的表面。

在黏贴FRP布的过程中，在设定的剥离层位置将按规定尺寸预先裁剪好的特氟龙布(厚度约0.5 mm)放入FRP布与被加固件的界面之间来制作人为半补丁式剥离层，特氟龙布需要有一定的宽度伸出被加固构件外，以便环氧树脂硬化后取出；然后在加固构件表面逐层刷环氧树脂并逐张黏贴FRP布。

FRP布黏贴完成后，将试件放置在室内常温下养护，24 h后将放置在黏贴界面的特氟龙布逐片取出，这样就在加固界面特定部位形成了特定尺寸的半补丁式剥离层，剥离层尺寸(长×宽)为40 mm×20 mm，厚度约为0.5 mm。将带剥离层的FRP加固件在室内正常条件下养护3 d以上，使环氧树脂完全固化。

2.3 试验布置

为了得到相同荷载下光纤变形量对应荷载位置的曲线，设计了检测系统[16](见图1)。光纤干涉仪装置由激光器，2×2耦合器， 3×3耦合器及解调器组成。试验中，将用作传感臂的光纤用宽为5 mm的双面胶条沿梁的长度方向将其黏贴在FRP片材表面，通过带有力传感器的B&K 8202软胶榔头施加荷载。为了尽量降低噪声对光纤信号的影响，使用准静态加载方式，即用手握住榔头轻轻下压FRP加固片材然后很快释放，由于在某一点上的加力过程只有零点几秒的时间，故认为噪声在这段时间内对信号的影响很小，可忽略不计。试验采样频率为2 kHz，采样时间为50 s。

光纤黏贴位置和加载位置如图3所示。图3中0 mm线、B/2线、B线、10 mm线为传感臂光纤的黏贴位置;其中的0 mm线、B线和10 mm线同时也用作加载线，沿着加载线在图示试验区域内每隔10 mm布置一个加载点。

在试验过程中，用软胶榔头在预定的下压点逐点施加荷载，使FRP片材产生轻微的变形，通过光纤干涉仪可以测量出荷载作用在此点上时传感光纤的变形幅度。同时，荷载由榔头传递到电荷放大器(B&K2635)，经放大后传递到示波器(Tektronix2212)中，并由示波器记录出荷载的峰值。如此，沿着加载线上的加载点从左往右逐点施加荷载，得到加载位置与FRP片材变形量的对应关系，经过数据处理，得出加载位置和变形量的关系曲线。从曲线上的每个峰值得出每次加载时的光纤应变量，根据施加的荷载值求得在单位荷载下加载点与应变量的归一化关系曲线，分析曲线的变化规律进而找出剥离破坏层的位置和大小，并根据曲线上某段位置处的曲线曲率突变情况来分析文章所提方法对剥离层的可测性以及各种因素的影响。

3 结果与讨论

3.1 FRP加固混凝土梁结构剥离层的可测性研究

对于FRP加固混凝土梁，由于在平面内混凝土梁的抗弯刚度远大于FRP片材的抗弯刚度，因此当施加的荷载较小时，检测到的变形主要是由FRP片材产生的，而混凝土梁几乎无变形，则可近似看作FRP片材连续支撑于混凝土梁上。对于连续支撑下的无损FRP加固件，其在逐点加载条件下的积分应变数值很小且接近常数，曲线为一近似水平的直线(两端除外)[13]。

为研究试验方法对连续支撑下补丁式剥离层的可测性，以剥离层尺寸(长×宽)为40 mm×20 mm的FRP加固混凝土梁为研究对象(剥离层分别设置在最易开展的跨中和端部)，分别以光纤黏贴位置和加载线位置为独立变量来分析此两个因素对试验的影响。图4为加载线固定在0 mm线，光纤分别黏贴在0 mm线，10 mm线和B/2线的归一化积分应变曲线(L表示试验中剥离层实际位置的长度)。图5为光纤位置固定在0 mm线，加载线分别设于0 mm线，10 mm线和B/2线或B线的归一化积分应变曲线。受试验误差的影响，文章对于检测的剥离层大小与实际剥离层大小相差在一个加载间隔即10 mm之内时，则认为检测结果是正确的。

图4 加载线位于0 mm线,光纤黏贴于不同位置时的加载点与积分应变归一化曲线

图5 光纤黏贴线位于0 mm线,加载线位于不同位置时的加载点与积分应变归一化曲线

由图4,5可知, 对于连续支撑下的FRP加固件，当加载线经过剥离层(0 mm线和B/2线或B线)且光纤黏贴线经过剥离层时(0 mm线和B/2线)，剥离层位置光纤的积分应变量发生了较大突变，且当剥离层位于端部时积分应变量从受压变成了受拉[见图4(b)和图5(b)]，也就是在剥离层两端对应位置曲线的曲率(对跨中剥离)或者正负值(对端部剥离)有较大突变，此时可以用曲率或正负值有较大突变的线段始末点作为剥离层始末点，图中判别的剥离层大小和位置与实际剥离层大小(L)和位置基本吻合，故认为在这种条件下光纤干涉法能够检测出任何位置剥离层的大小；当加载线经过剥离层而光纤黏贴线未经过剥离层时(光纤黏贴在10 mm线)(见图4) 或当光纤位置经过剥离层而加载线未经过剥离层时(加载线为10 mm线)(见图5)，无论剥离层在何位置，曲线为一条近似直线且剥离层位置没有明显的曲率或正负值突变，故无法准确判断剥离层的位置和大小。

综上可知，对于连续支撑下的FRP加固件补丁式剥离层，只有当光纤和加载线都经过剥离层位置时，才能通过该方法准确检测出剥离层的位置和大小。这是因为对于连续支撑条件下的FRP片材，当光纤和加载线都经过剥离层位置时，在未剥离层区域加载仅使FRP片材产生总体变形且数值很小(为一常数)[13]，而在剥离区域加载会引起FRP片材的局部变形且其比FRP片材的总体变形要大，反映到积分应变曲线上为对应于剥离层两端处的曲线曲率或正负值(端部剥离的FRP片材相当于端部悬挑的FRP梁，在荷载作用到剥离层上部时悬挑部分受拉，故光纤积分应变量从受压变成受拉)发生较大突变，此时可以用曲率或正负值有较大突变的线段始末点作为剥离层始末点从而判断剥离层的位置和大小。当加载线经过剥离层而光纤黏贴线不经过剥离层时，虽然载荷加载到剥离层区域时仍然会引起剥离层的局部变形，但这个局部变形对黏贴于非剥离区域的光纤传感臂的变形影响较小，其积分应变曲线为一条近似直线，故不能准确检测出剥离层的位置和大小；当光纤黏贴线经过剥离层而加载线未经过剥离层时，由于加载线未经过剥离层不能使剥离层产生局部变形，因而得出的积分应变曲线为一条近似直线，也不能准确检测出剥离层的位置和大小。由图4，5中曲线突变的明显程度可以看出，当加载线和光纤黏贴位置距离剥离层越远，其曲线的曲率或正负值突变越不明显，该方法对剥离层的可测性也就越发减弱。

3.2 FRP加固铝合金板结构剥离层的可测性研究

对于FRP加固铝合金板梁，由于铝合金板的厚度约为3 mm，在平面内FRP片材的抗弯刚度相较与铝合金板的抗弯刚度不能忽略不计，因此当沿着加固件表面施加荷载时，检测到的变形是由FRP片材和铝合金板共同受弯而产生的，故可将FRP加固铝合金板看成一个处于简单支撑条件下的整体梁。

对于简单支撑下的FRP无损加固件，在逐点加载条件下积分应变曲线为一条二次函数曲线[13]，且在跨中位置达到最大值。故荷载作用下简单支撑的铝合金板本身产生的总体变形较大，使得由于剥离层而产生的局部变形相对变小甚至湮没在总体变形中，反映到积分应变曲线上则为对应于剥离层两端处的曲线曲率突变不明显，从而可能无法准确判断剥离层的位置和大小。因此简支条件下的剥离层检测比连续支撑条件下的检测更为困难。

为研究该方法对简单支撑下补丁式剥离层的可测性，以剥离层尺寸(长×宽)为40 mm×20 mm的FRP加固铝合金板为研究对象(剥离层分别设置在跨中和端部两种情况)，分别以光纤黏贴位置和加载线位置为两个独立变量来分析这两个因素的影响。图6为加载线固定在0 mm线，光纤分别黏贴在0 mm线，10 mm线和B/2线的归一化积分应变曲线。图7为光纤位置固定在0 mm线，加载线分别设于0 mm线，10 mm线和B线的归一化积分应变曲线。

图6 加载线位于0 mm线,光纤黏贴于不同位置时的加载点与积分应变归一化曲线

从图6，7可知，对于简单支撑下的FRP加固件，积分应变曲线近似为抛物线,其在某一荷载下的积分应变值远大于连续支撑下的FRP加固件的。由于总体变形的影响，剥离层位置的曲线曲率突变没有连续支撑条件下的那么明显，但仍可以看出当加载线经过剥离层(0 mm线和B线)且光纤黏贴线经过剥离层时(0 mm线和B/2线)，虽然在剥离层位置的积分应变量有一定变化但比较平缓，而光纤的积分应变量在剥离层位置较无剥离层位置发生了相对较大的突变，且当剥离层位于端部时积分应变量从受压变成了受拉[见图6(b)，7(b)]，故同连续支撑下的FRP加固件相似，可以用曲率或正负值有较大突变的线段始末点作为剥离层始末点，且其与实际剥离层大小(L)和位置基本吻合，故认为在这种条件下光纤干涉法能够较准确地检测出任何位置的剥离层大小；当加载线经过剥离层而光纤黏贴线未经过剥离层时(光纤黏贴在10 mm线)(见图6) 或当光纤位置经过剥离层而加载线未经过剥离层时(加载线为10 mm线)(见图7)，无论剥离层在何位置，曲线为近似抛物线且在剥离层位置没有较明显的曲率或正负值突变，故无法准确判断剥离层的位置和大小。

综上可知，对于简单支撑下的FRP加固件补丁式剥离层，由于光纤干涉仪输出的积分应变中板件本身的受弯变形较大且变化轨迹为一抛物线，故加固件总体变形对积分应变的曲线影响较大，在剥离层位置曲线的曲率突变没有连续支撑条件下的突变那么明显，但仍能够通过曲率或正负值的较大突变来较准确地检测出剥离层的位置和大小。同连续支撑条件下相似，只有当光纤和加载线都经过剥离层位置时，才能通过此方法较准确地检测出剥离层的位置和大小。当加载线经过剥离层而光纤黏贴线未经过剥离层时，或当光纤位置经过剥离层而加载线未经过剥离层时，都无法准确判断剥离层的位置和大小。由图6，7中曲线曲率的突变程度可以看出，当加载线和光纤黏贴线距离剥离层越远，其曲线的曲率或正负值突变越不明显，此方法对剥离层的可测性也越发减弱。