碳纖維布加固的鋼筋砼吊車梁的抗彎疲勞性能
摘 要：為研究碳纖維布(CFRP)對加固后鋼筋混凝土梁的抗彎疲勞性能的影響，進行了三根CFRP加固梁及一根對比梁的抗彎疲勞試驗。研究了碳纖維布加固方式、構件使用荷載等參數對碳纖維布加固鋼筋混凝土吊車梁抗彎疲勞性能的影響。試驗研究表明：采用碳纖維布加固后，構件裂縫的寬度減小了5O.2 ～66 ，發展速度也得到控制，鋼筋應力減小24.1 ～28.2 ，構件的剛度提高14.9 ～16.1 。依據試驗結果，從現有規范中關于構件剛度計算以及壽命分析的方法出發，進行了CFRP加固鋼筋混凝土吊車梁的疲勞剛度、壽命的計算分析，理論分析結果表明，用這種方法計算得到的結果可以滿足工程上對精度的要求。最后以試驗結果為基礎，對CFRP加固梁的疲勞設計提出了合理化建議。
關鍵詞：土木建筑結構;鋼筋混凝土吊車梁;結構加固;疲勞試驗;碳纖維布
碳纖維復合材料(CFRP)作為一種新型的結構加固材料，因具有質量輕、強度高、耐腐蝕等優點L1 而被廣泛應用于工程加固領域。中國工程建設標準化協會也已制定出相應的碳纖維加固規程口](以下簡稱“規程”)。但規程僅給出了加固構件的短期承載受力性能，對于CFRP加固構件的長期受力性能，即加固構件的抗疲勞性能沒有相應的設計規定，使CFRP在橋梁等承受疲勞荷載的構件加固設計時缺乏理論基礎，所以對CFRP加固構件的長期受力性能的研究迫在眉睫。對這一課題研究最早的是瑞士，于上世紀9O年代初就進行了初步研究，美國等國家也于上世紀9O年代末進行了研究口 ]，國內目前也有學者進行了部分試驗研究口 ]。Barnes[3 通過試驗研究認為構件的破壞主要是由于梁內鋼筋的疲勞斷裂所致，而BaluchL4 在隨后的論文中發表觀點認為Barnes試驗中構件的破壞始于CFRP 的剝離。
Papakonstantinoul5]通過對試驗數據的分析發現，在相同荷載下，加固構件的撓度及裂縫的寬度較未加固梁沒有明顯改善，這與其他試驗結論也有出入。基于以上矛盾，作者進行了CFRP加固梁的抗彎疲勞試驗，通過試驗的方法探討加固構件的疲勞破壞機理。
1、試件設計
1.1 試件設計原理試驗中采用的梁以工程中常見的中級工作制的吊車梁為研究背景，采用T型截面，跨度3 m，為某工業廠房吊車梁的1/2比例縮尺模型。由于本試驗將研究重點放在CFRP對梁抗彎加固性能的影響，所以試驗中通過分配梁將荷載對稱分配于梁三分點處，在跨中形成純彎段;構件配筋設計時也作相應處理，確保構件不發生彎曲破壞以外的其他破壞模式。
梁的幾何參數及配筋參數如圖1所示。實測受拉鋼筋的屈服強度為409.5 MPa，抗拉強度為578.6 MPa;受壓區鋼筋、架立筋、箍筋屈服強度為338.3 MPa，抗拉強度為509 MPa;實測混凝土抗壓強度為2O.64 MPa;采用L200-C碳纖維布，厚度0.111 mm，抗拉強度3500 MPa，彈性模量235 GPa;膠粘材料采用YZJ—C碳纖維粘結專用結構膠。
1.2 試驗方案為模擬工程實際情況，本試驗在方案設計時，首先采用靜壓的方式使構件受彎區主裂縫達到工程容許的最大裂縫寬度(O.2 mm)，再采用CFRP對構件進行加固，為對比加固效果，試驗中分別采用不同的加固方式及不同的荷載水平，構件的具體編號及試驗方案設計見表1。
在純彎段上下兩層鋼筋中每間隔225 mm布置應變片以測量鋼筋的應力;在跨中沿截面高度方向布置應變片，測量混凝土應變及截面沿高度方向的應變分布情況;在支座處布置位移傳感器測量支座變形，在跨中布置靜態位移傳感器及拉弦式位移傳感器，測量跨中的靜態撓度變化，并實時監測梁在疲勞過程中的動態撓度變化情況。
試驗中采用靜態應變采集儀(DH3818)采集靜態數據，采用動態應變采集儀(DHDAS)采集動態應變及動撓度數據。試驗在MTS疲勞試驗機上進行，試驗過程參照相關規范m ，試驗加載頻率廠一4～6 Hz。
2、試驗研究
2.1 試驗現象B0梁在疲勞試驗前首先進行一次靜載試驗，分五個等級，每級5 kN;當荷載加至10 kN時，在梁純彎段及剪跨段產生裂縫，隨著荷載的增加，裂縫向上發展，寬度增加;靜載試驗反復進行兩次，待裂縫發展穩定后進行疲勞試驗。疲勞循環為1萬、2萬、10萬次時的靜載試驗發現裂縫高度及寬度增加較快，伴有新裂縫產生，裂縫間距趨于均勻，平均間距為8.6 cm，部分剪跨段主裂縫交?[;在10萬至210萬次循環之間，沒有新裂縫出現，裂縫寬度增加緩慢;至210萬次時停止循環，對梁進行靜壓破壞。當荷載增加到6O kN 時，構件的撓度發展較快，隨后采用撓度控制加載，當構件撓度達到60 mm時，撓度呈現出不穩定現象，最終撓度發展到65 mm 時，受壓區混凝土壓碎，受拉區裂縫間混凝土沿保護層開始剝落，標志構件達到破壞，停止試驗。
Bla梁首先采用靜壓方式，使受彎段主裂縫寬度達到0.2 mm，此時對應的荷載為50 kN，跨中撓度為5.45 mm。之后對該梁進行CFRP加固，并按照規定養護一周后進行疲勞試驗。在加固后的靜壓試驗中發現，主裂縫寬度減小至0.1～ 0.12 mm，其他裂縫的寬度也有所減小。循環1萬次后，停止加載，進行靜載試驗，發現裂縫擴展很慢，已有裂縫向上擴展，伴有少許新裂縫。循環至3萬次時，裂縫擴展較快，在原有裂縫之間產生新裂縫，并向梁截面核心方向發展，但此時裂縫的寬度增加較小，均在0.15 mm 以內。加載至5.7375萬次時，梁端部CFRP連同混凝土保護層一起發生剝離，如圖3所示，同時跨中CFRP發生斷裂。將疲勞上限調整為6O kN，使鋼筋應力與CFRP未脫落前應力相同，繼續循環5573次時，梁底鋼筋斷裂，停止試驗，構件極限撓度為38.2mm，此時受壓區混凝土沒有壓碎的跡象。
BIB梁的試驗過程及試驗參數同Bla梁，只是在Bla加固的基礎上采用碳纖維U 型箍錨加固(見圖4)，以研究U 型箍對構件抗疲勞性能的作用。研究表明：由于U 型箍的使用，梁底粘結樹脂的剪切變形減小，從而使縱向受拉的CFRP更有效地參與受力，提高加固構件的抗疲勞性能。
構件的撓度及混凝土、鋼筋、CFRP的應變在初始2萬次循環后趨于穩定;在隨后的2～7萬次疲勞循環中，構件撓度以及材料(鋼筋、混凝土及cFRP)的應變發展比較緩慢;當構件循環至7.53萬次時，構件撓度增長迅速，繼續循環4800次，構件底部CFRP發生斷裂(見圖5)，停止試驗，發現梁底兩根鋼筋均發生斷裂。構件極限撓度為41.3 mm，受壓區混凝土未發生壓碎現象。
Blc梁的試驗同B1b梁，在循環到12.88萬次時，構件撓度出現不穩定現象，表明構件被破壞，破壞時的極限撓度為28.5 mm，試件破壞時，其受壓區混凝土未發生壓碎現象。
2.2 混凝土的應變及控制截面應變圖6為各個試驗梁的控制截面應變與循環次數關系圖。由圖6知，構件截面平均應變基本符合平截面假定;加固后構件混凝土應變減小，說明由于CFRP參與受力，材料的受力更趨于合理。
圖中鋼筋應變值偏大的原因主要是由于鋼筋應變片較少，且靠近裂縫，沒有考慮到鋼筋應變分布的不均勻性。
2.3 鋼筋及CFRP的應變圖8為各試驗梁在疲勞卜限荷載下鋼筋及CFRP應變在整個壽命周期中的變化f}}I線。由圖8可知：鋼筋應變發展明顯分為3個階段，與混凝土應變發展規律類似。對比B1b、Blc壽命發現，由于碳纖維U型箍的存在，保證了CFRP不發生剝離，從而提高了受拉區CFRP的工作效率，使其在整個壽命中都能有效地參與受力。同時，從CFRP應變數據還可以發現，隨著損傷的發展，其應變增加，說明CFRP在構件壽命后期更能有效地參與受力。
圖9為Bla試驗梁鋼筋及CFRP在不同損傷情況下的荷載一應變曲線。
圖10給出了由動態應變采集儀采集到的各個梁在整個壽命周期內鋼筋的應變值。
2.4 梁的變形圖11給出了由動態應變采集儀采集到的各試件梁跨中在整個壽命周期內撓度的動態變化值。由圖可以發現，構件的撓度變化同材料的變形規律一樣，也有明顯的二階段變形規律。由圖11可以發現，B0梁未出現第三階段的撓度突變，說明其在經過210萬次循環后，構件未被破壞。
對比Bla與B1b，可以發現：CFRP的剝離是構件破壞的主要模式之一，屬于脆性破壞。由于碳纖維U型箍的存在，限制了受拉區CFRP的滑移，防止了CFRP的剝離，有效地延長了其工作壽命及提高了工作效率，控制了構件撓度的發展。
3、CFRP加固吊車梁疲勞剛度分析構件剛度是工程上判斷梁損傷情況的主要參數。為更好地推廣該技術，嘗試以現有的混凝土疲勞研究結論及規范中采用的剛度計算方法為基礎，采用換算截面法進行CFRP加固構件的疲勞剛度研究，基本假定如下：
(1)梁截面滿足平截面假定。
(2)CFRP材料與混凝土之間粘結良好，無滑移。
(3)不考慮受拉區混凝土的作用，拉力由受拉區鋼筋及CFRP承擔;受壓區混凝土的法向應力圖形為三角形。
(4)鋼筋及CFRP是線彈性材料。
(5)混凝土的疲勞變形模量為E — E e /(e +e ) (1)式中： 為混凝土彈性應變，取荷載上限時混凝土的應變;e 為混凝土殘余應變，其具體表達式參見文獻[1O]。
對中和軸求慣性矩得blh r(z。一h r/2)+ b(027。一h r)。/2一afA (厶。一z0)+a『『A r( 一z0)。 (2)式中： 一E /E{和 I『/一E ，/K(分別為鋼筋、CI~'Rp的彈性模量與混凝土疲勞變形模量的比值。
梁的疲勞剛度為1B 一Eli =÷E [6卜rj一(6 r一6)(z。一h r)。]+0A ( 。一z。) + E A (h— z( )。 (3)4 加固梁疲勞壽命分析鋼筋混凝土構件的疲勞壽命主要取決于鋼筋的疲勞壽命。國內外疲勞試驗的資料表明：影響鋼筋疲勞強度的主要因素為鋼筋疲勞應力幅。目前，國內外關于鋼筋疲勞壽命常采用 N 法，其疲勞壽命曲線方程式如下logN — A + mlog(Aa)式中：N 為疲勞失效時的總循環次數;△ 為鋼筋應力幅;A 為鋼筋s—N 曲線截距;Ⅲ 為鋼筋s—N曲線斜率。
對本試驗中鋼筋的'應力壽命數據統計分析，結果見表2。將本實驗中得到的鋼筋 N 曲線與相關研究得到的 N 曲線對比發現：本實驗得到的鋼筋的壽命較長，其原因主要有以下幾點：①試驗中測量的鋼筋應變為特定點的應變值，沒有考慮鋼筋在長度方向上的應力變化，且實測鋼筋應變點距離構件裂縫較近，所以本分析中鋼筋的應力值偏大;②CFRP在構件壽命后期限制了構件變形的發展，使鋼筋的應力在整個壽命周期內變化不大，達到了提高鋼筋使用壽命的目的;③ 本試驗中鋼筋的受力不是軸心抗拉，而是有一個應力梯度，從而提高了鋼筋的使用壽命。
以上得到的 N 曲線可供工程加固設計及使用時參考。
5、結 論
(1)CFRP加固構件的抗彎疲勞試驗一般有兩種破壞模式：① 破壞始于端部CFRP的剝離，導致構件的破壞，這種破壞模式一般發生在CFRP沒有進行足夠錨固處理的情況下;② 破壞一般始于梁內鋼筋的疲勞斷裂，導致CFRP應力急劇增加而斷裂，繼而破壞構件，這種破壞模式發生在對受拉CFRP進行足夠U型箍錨固處理的情況下。
(2)在有足夠錨固的前提下，加固構件的使用荷載不宜高于桿件極限承載力的6O.1 。
(3)通過粘貼CFRP，使CFRP參與構件受力可以有效地減小鋼筋的應力，鋼筋應力減小為24.1 ～28.2 ;加固后構件裂縫的寬度減小幅度為5O.2 ～66 ，結構的使用性能得到提高。
(4)粘貼CFRP后，構件的疲勞剛度得到提高，提高幅度為14.9 ～16.1 。
(5)進行了CFRP加固梁的疲勞剛度分析，得到一種簡單準確的分析方法，可以滿足工程設計的可靠性要求。
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