碳纤维材料加固钢筋混凝土梁疲劳性能分析

汤琳

摘 要：碳纤维材料的主要特点为耐腐蚀、施工方便、强度高、质量轻，能够在不对既有结构使用造成影响时施工，所以在桥梁加固中被广泛使用。目前研究大部分为加固梁静载性能，缺乏对碳纤维布加固混凝土梁疲劳性能的研究。以此，本文就对碳纤维材料加固钢筋混凝土梁疲劳性能进行分析。

关键词：碳纤维;钢筋混凝土;疲劳测试

中图分类号：TQ342+.742;TU375 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0060-04

Abstract：The main characteristics of carbon fiber materials are corrosion resistance， convenient construction， high strength， light weight， and can be constructed without affecting the use of existing structures， so they are widely used in bridge reinforcement. Most of the current researches focus on the static load performance of reinforced beams， and there is a lack of research on the fatigue performance of reinforced concrete beams with carbon fiber sheets. Based on this， this paper analyzes the fatigue performance of carbon fiber reinforced concrete beams.

Key words：carbon fiber; reinforced concrete; fatigue test

我国基础设施的建设比西方国家的起步要晚，在20世纪80年代逐渐暴漏钢筋锈蚀问题。在1994年，铁道部调查了全国范围内的钢筋混凝土结构，结果表示有600多座桥梁在正在运营过程中都出现了病害，占据所有桥梁的18.8%。为了使病害结构服役期延长，补强和加固为有效、经济的方法。在碳纤维片材（CFRP）补强加固技术不断推广的过程中，国内外学者研究了CFRP加固混凝土构件性能和钢筋混凝土构件疲劳性能。因为桥梁、道路承受动负荷，本文就对CFRP加固钢筋混凝土梁疲劳性能進行分析，以此为动荷载条件下的CFRP加固领域使用提供基础。

1 试验概况

1.1 试验梁材料

本文中试验构件混凝土使用的是商品混凝土，强度等级为C30。同批浇筑有150mm×150mm×150mm的立方体试块，在同等条件下对构件和试块进行养护，并且设置钢筋为拉伸试验，对极限强度与屈服强度进行测定。对计算过程中混凝土试块与钢筋的实测平均值进行计算，表1为混凝土的力学性能，表2为钢筋力学性能。

1.2 构件设计

本文制作7根试验梁，都是矩形截面简支梁，使各梁尺寸一样，全部试件配筋都相同。根据模型设计原则，试件截面尺寸b×h=150mm×250mm，净跨为2000mm，跨度为2200mm。商品混凝土配合比水泥∶砂∶水∶粉煤灰∶石=1∶2.42∶0.46∶0.18。受拉钢筋使用R235钢筋，架立钢筋和箍筋设计为HRB335钢筋，箍筋间距剪跨距为100mm，纯弯区设计为200mm。配置大量箍筋，提高梁加固抗剪承载力，避免梁出现抗弯破坏[1]，图1为试验梁钢筋的布置。

对实际桥梁来说，正常使用时疲劳荷载上下限为：基于荷载作用主梁承受荷载为上下限荷载，在设计活载、恒载作用背景下主梁承受上限荷载。所以，在试验之前利用统计分析数量的13～20m跨径简支梁桥，对横载、活载共同作用背景下桥梁承载能力占比计算。之后，以实桥状态下疲劳上下限占据极限荷载比例对试验梁疲劳加载上下限进行分析。

1.3 试验梁加固

在试验过程中使用200gCFS-3.55-220-012-150碳纤维布作为加固材料，胶粘材料使用HCJ碳纤维粘结专用结构胶，结构胶主要包括：

（1）基底树脂。利用此胶渗透混凝土表面，使粘结强度得到提高。

（2）找平材料。对混凝土表面进行修补，从而使粘结质量得到提高。

（3）粘结树脂。对碳纤维布进行粘结[2]。

1.4 试验方法

本文试验使用浸泡通直流电方法使钢筋锈蚀速度得到提高，对受力主筋理论锈蚀率控制为6%～7%。使待锈蚀钢筋混凝土在3%NaCI溶液中浸泡，待锈钢筋利用导线和直流电源正极连接，不锈钢片和电源负极连接。利用法拉第定律对钢筋锈蚀量进行控制，使直流电源输出电流为恒流1A，所有梁都通过独立电源进行供电，持续11d。在完成加载试验之后，使锈蚀主筋取出，将钢筋表面锈蚀屋洗掉之后对剩余钢筋质量称重，得出表5钢筋实测锈蚀率，计算之后得出各个试验梁主筋的实际锈蚀率和理论值差距都不超过0.5%。静力加载和疲劳加载试验都利用三分点两点加载，纯弯段长度为500mm。为了对疲劳荷载上下限进行确定，在疲劳实试验之前实现非加固梁L1的静力加载，实测L1屈服荷载和极限荷载分别为70kN、83kN。疲劳荷载峰值为Pmax=52kN，为L1极限荷载的62%。Pmin=38kN，为L1极限荷载45%，应力比为0.73，中值设置为45kN，循环5万次，加载频率为1Hz，正弦波为疲劳加载[3]。

在疲劳加载之后实现静力加载，对试验梁极限荷载与破坏形态进行测试。静态测试使用三分点两点进行加载，全部试验梁都是单调静力加载。在正式加载之前要持续5min加20kN荷载，之后卸载20min之后开始正式加载，使加载系统各间隙消除。使用分级加载方案，使用每级递增10kN方案加载前50kN，之后递增5kN。与屈服荷载接近的时候调小增量，直到梁满足极限荷载破坏之后使加载停止。每级加载之后使梁应变、挠度稳定之后对数据收集。在静力加载过程中，利用DH3816静态应变测试系统进行收集[4]。

2 试验结果分析

2.1 刚度分析

图2为疲劳荷载梁刚度曲线，各个试验梁刚度在疲劳次数不断增加过程中不断的降低，但是趋势具有明显的区别。L2与L4未加固梁在刚开始加载混凝土裂缝发展比较快，受拉区混凝土迅速的推出，降低截面惯性矩，促进了抗弯刚度的下降速度。在裂缝发展不断稳定的时候，下降趋势逐渐平缓，直到到后期疲劳加载。因为钢筋和混凝土粘结出现退化，降低了刚度。此趋势主要体现在腐蚀量L4中，主要是由于钢筋腐蚀之后铁锈会对混凝土、钢筋的化学胶着力造成破坏，并且使其摩擦力得到降低，以此加剧粘结退化。

在各梁底粘贴一层碳纤维布加固，抗弯刚度不断的提高。因为碳纤维布使混凝土受拉区裂缝造成了限制，使中和轴上移减缓。后期在钢筋、钢筋腐蚀和混凝土粘结力退化之后，此部分应力能够通过碳纤维布承受，以此具有均匀的刚度衰减，避免出现阶段性[5]。

在L7梁底粘贴两层碳纤维布，此试验过程中的刚度不断降低。表示碳纤维布用量不断的增加，降低了受拉钢筋应力，减缓弯曲裂缝处钢筋应力，使锈蚀钢筋混凝土梁弯曲刚度得到提高。在疲劳加载完成之后卸载，试验梁扰度不改变之后，对各试验梁残余挠度进行收集。图3为跨中塑性挠度变形值，锈蚀不加固梁L4塑性变形是最大的，碳纤维加固梁塑性变形值比较小。以此表示，碳纤维布加固锈蚀混凝土梁能够使梁恢复力得到提高，以此降低塑性变形。

2.2 受压区混凝土应变

在疲劳荷载作用之后，通过静载得出不同荷载时试验梁混凝土应变。通过试验可以看出来，在疲劳荷载作用后，受压区混凝土应变为线性分布。简单来说，混凝土梁开裂之后利用多次重复荷载的作用，截面平均要满足平截面假定，压区边缘混凝土应力比静载弯曲抗压强度要小，根据截面高度应力为三角形分布。混凝土压应变和荷载关系如图4所示，通过多次疲劳荷载后，未加固梁混凝土残余压的应变是最大的，之后为损伤加固梁，最小的为完好加固梁。在荷载作用相同的时候，未加固梁混凝土压应变是最小的。碳纤维布粘结层数相同，损伤加固梁混凝土压变大于完好混凝土压应变10%～20%。无论是损伤加固梁或者完好加固梁，黏贴两层碳纤维布加固梁混凝土压应变比一层加固梁要小[6]。

在疲劳荷载循环次数不断增加的过程中，未加固梁混凝土压应变增加是最快的，粘贴一层碳纤维布加固梁混凝土增加速度比两层要大，但是损伤、完好两个加固梁混凝土的压应变增加速度是一样的，表示碳纤维布粘贴能够对混凝土裂缝开展进行约束。

2.3 钢筋应变

表5为试验梁基本情况，图5为疲劳荷载后试验梁钢筋的应变曲线，通过图5表示，在疲劳荷载作用之后，I类梁钢筋拉应力是最大的，Ⅱ类梁钢筋拉应变降低7%～9%，Ⅲ类梁钢筋拉应力减少11%～14%。

在疲劳试验开始到疲劳荷载循环次数为10万次过程中，受拉区钢筋拉应力增长速度比较快;在循环次数为10～100万次过程中，受拉区钢筋应变增长速度其次;疲劳荷载循环次数超过100万次之后，受拉区钢筋受力稳定。通过200万次疲劳加载之后，试验梁钢筋应变都在不断的增加[7]。

2.4 钢筋混凝土梁变形

在混凝土梁疲劳性能分析过程中，挠度为主要指标。通过测试结果表示，梁挠度在疲劳荷载循环次数不断增加的过程中而增加，未加固梁挠度增长速度是最大的。粘贴两层碳纤维布的加固梁挠度增加速率比一层要小，粘贴层数相同的碳纤维布损伤加固梁挠度增长速度比完好梁要大。次数相同疲劳荷载之后，和未加固梁挠度相比，完好加固梁挠度减少40%～60%，损伤加固梁挠度增加15%～26%;和未加固梁对比，损伤梁加固后降低25%～30%，表示梁损伤开裂之后，粘贴碳纤维布能够使试验梁疲劳抗变形能力得到提高，两层碳纤维布加固梁挠度有所降低。以此表示，碳纤维布层数得到增加，能够使混凝土梁抗疲劳度性能得到提高。两层碳纤维布加固梁挠度和一层差值对比，完好梁比损伤梁要小，表示损伤梁能够充分使用多层碳纤维布抗拉作用。假如试验梁扰度在疲劳荷载次数不断增加过程中的增加系数表示为：

通过实验结果表示，未加固梁、完好加固梁、损伤加固梁的挠度增大系数为1.5、1.21、1.3。出现此结果主要是因为碳纤维布抗拉作用，试验梁中性轴的上升比较缓慢，混凝土梁疲劳应力幅度比较小，降低混凝土浪卡强度，钢筋和混凝土粘结力退化并不显著，加固梁挠度在疲劳次数不断增加的过程中变化较为缓慢。所以，黏贴碳纤维能够使混凝土结构疲劳抗变形能力得到提高，以此使混凝土梁疲劳承载能力提高。

2.5 裂缝

通过10万次疲劳荷载之后，梁体裂缝为10道，50万次疲劳荷载之后增加裂缝3道，之后裂缝数量不同，都是弯曲裂缝。在100万次疲劳荷载之后，跨中附近裂缝为182mm梁高处。通过碳纤维布加固之后，混凝土裂缝数量不断增加，间距越来越密，缩小裂缝长度。通过试验结果表示，利用碳纤维布加固混凝土梁能够改善抗裂性能，此对腐蚀背景下承受疲劳荷载混凝土结构意义重大[8]。

3 结语

通过文章研究结果表示，碳纤维布能够使钢筋混凝土梁疲劳性能得到提高，避免碳纤维脱落剥离破坏，具有良好的粘结剂疲劳性能。基于疲劳荷载作用，因为碳纤维布受拉，钢筋混凝土加固梁钢筋能够有效的改善，延长梁的疲劳性能。还会增加碳纤维布加固梁裂縫数量，使裂缝间距越来越密，缩小裂缝宽度，改善加固梁疲劳抗裂性能。

参考文献

[1]万秋实，史欣鑫，宇翔.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J].辽宁科技大学学报，2019，042（01）：75-80.

[2]李献勇，王瑞，徐卉.碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁力学性能研究[J].河南科学，2019， 37（08）：1270-1275.

[3]王愉龙.早期受冻环境下钢筋混凝土抗拉强度及弹性模量研究[J].粘接，2020， 041（02）：130-134.

[4]马洪伟，王梓鉴，王宏军，等.碳纤维布加固钢筋混凝土梁裂缝性能分析[J].低温建筑技术， 2019，41（01）：24-28.

[5]陈爱玖，韩小燕，杨粉，等.预应力碳纤维布加固钢筋再生混凝土梁受弯承载力研究[J]. 土木工程学报，2018，51（11）：108-116.

[6]夏晓霞，张丽丽.碳纤维筋喷浆加固钢筋混凝土简支T梁效果研究[J].交通世界，2018，461（11）：97-100.

[7]潘毅，胡文豪，郭瑞，等.碳纤维增强复合网格-聚合物水泥砂浆加固RC梁的抗弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2020，041（04）：119-128.

[8]白蓉蓉.高聚物注浆技术在桥梁公路病害处置中的应用效果分析[J].粘接，2020，041（02）：111-114+119.