預應力碳纖維薄板加固拱形RC梁界面受力特性研究

眭 超,楊 磊,張 凱

（江蘇大學土木工程與力學學院,江蘇 鎮江 212013）

1 前言

碳纖維材料具有自重輕、抗拉強度高 ( 約為鋼材強度的 10～20倍 )、化學穩定性強、柔性好,易于裁剪等優異的性能[1]。近年來，發展的纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP）加固混凝土結構技術，對加固構件正常使用階段的裂縫和變形有顯著改善，是目前土木工程修復加固領域中的研究熱點。當前發達國家已經將建設重點放在建筑物的檢測加固與維修改造上,新建工程項目逐漸退居次要位置[2]。國外已開始大規模使用FRP加固橋梁結構[3-4]，而我國于20世紀60年代至70年代建起的具有代表性的拱橋和連續梁橋目前大多已達到使用年限,繼續服役須對這些橋梁進行加固,以滿足現行規范的要求,因此，未來一段時間國內將出現橋梁加固的熱潮,而拱橋等一批橋梁將是重點對象。

2 試驗方案

2.1 試構件制作

根據混凝土結構規范[6]，結合工程實際，我們一共澆筑了12根鋼筋混凝土拱梁用以研究。

（1）試件尺寸：拱形RC梁設計長度1850mm，端部高200mm，寬100mm，跨中高350mm。

（2）鋼筋籠制作：鋼筋籠底部使用12號三級鋼，頂部使用10號三級鋼，箍筋使用6號一級鋼筋。

（3）混凝土的澆筑：采用C30混凝土。

根據是否粘貼CFL以及是否對CFL施加預應力制作了三組試件。第一組試件不粘貼CFL；第二組試件粘貼CFL，但不施加預應力；第三組試件粘貼CFL，并施加10kN預應力。

2.2 加固材料

2.2.1 碳纖維薄板性能

（1）碳纖維薄板優點

1）強度高、重量輕；2）施工工藝簡單；3）彈性模量高；4）不破壞砼結構；5）厚度薄，不影響剪力力矩；6）耐腐蝕、耐磨擦。

（2）碳纖薄板缺點。是各向異性材料，僅適用于單向受拉。

（3）碳纖維薄板性能檢測[5]。實驗所用的碳纖維布幾何和材料參數為：厚度:0.167mm 寬度:100mm

2.2.2 粘貼碳纖維布膠水

實驗購置配套環氧樹脂膠水，用環氧樹脂A、B膠1：2混合粘貼碳纖維布。

2.3 碳纖維薄板制作與粘貼[7]

對于無預應力碳纖維布，先將拱梁底部清理平整，將膠水充分涂抹于拱梁底部，然后粘貼碳纖維布，再用膠水充分浸漬。48小時后，膠水完全凝固，碳纖維布被制成薄板并牢固粘貼于拱梁底部，制作流程如圖2。借鑒先期國內外已經開展了一些CFL布加固結構的研究和實驗[8]，在采用預應力碳纖維布對結構加固結構的技術中,夾具是實現構件加固效應的重要保障。我們使用團隊自主設計的夾具，通過壓梁法對拱梁施加10kN壓力（如圖3），再將膠水涂抹于拱梁底部，然后粘貼碳纖維布，再用膠水充分浸漬碳纖維布。48小時后，膠水完全凝固，碳纖維布成為碳纖維薄板，卸載夾具，拱梁變形恢復，將預應力施加到碳纖維薄板中。

表1 碳纖維布性能測試數據

2.4 試驗過程

實驗加載裝置如圖4所示。拱形RC跨中布置壓力傳感器測量荷載P，在梁表面布置應變片監測梁的應力應變（如圖4），粘貼碳纖維布后在碳纖維布表面布置應變片監測應變ε的分布。在梁跨中以及兩側端部布置百分表測量撓度δ。應變片所有數據通過靜態電阻應變儀采集，裂縫變化用裂縫觀測儀和DIC同時進行觀測。

圖1 碳纖維薄板制作過程

圖2 實驗過程流程圖

試驗采用200kN油壓千斤頂加載。試驗開始階段，拱梁處于彈性受力狀態，我們采用每三分鐘5kN的逐級加載方法。間隔15分鐘，梁受力穩定后，開始記錄靜態電阻應變儀和百分表的示數，同時，用裂縫觀測儀觀測裂縫是否出現和發展狀況，DIC儀器觀測跨中應變分布和趨勢。實驗過程如圖2。

2.5 試驗結果分析

鋼筋混凝土拱形梁在恒載作用下的受力特性是該實驗研究的基礎[9]。實驗中的撓度變化對比如表2所示，其中6號拱梁為預應力碳纖維薄板加固梁。根據實驗數據記錄，未粘貼CFL的拱梁在10～15kN集中荷載下會出現細微裂縫，而粘貼CFL的拱梁一般在15～25kN集中荷載下才出現裂縫。對于裂縫的擴展，粘貼CFL的拱梁裂縫擴展速度明顯比未粘貼CFL的拱梁慢。在同等大小的集中荷載作用下，粘貼CFL的拱梁撓度變化比未粘貼CFL的拱梁小，但是隨著集中荷載增大，CFL出現剝離，粘貼CFL拱梁撓度變化速度加快，裂縫擴展速度也會加快，當CFL剝離的長度超過CFL總長度1/3時，拱梁破壞速度明顯加快，CFL加固的拱梁相對于未進行CFL加固的拱梁，極限承載力提高15%～20%。拱梁6號為預應力CFL加固，相對無預應力CFL加固的拱梁，使拱梁6號的CFL剝離的集中荷載明顯增大，因此拱梁6號在加載前期裂縫擴展很慢，但是當CFL出現剝離后，拱梁6號裂縫擴展很快，混凝土迅速破壞，相對于無預應力CFL加固的拱梁，拱梁6號極限承載力提升并不明顯。因此小組對拱梁5號的CFL進行了U型加固，由實驗數據可以看出，U型加固的CFL不易剝離，對于拱形梁極限承載力提升較好。

根據試驗情況，每根梁表面3號應變片處裂縫最先出現且比較密集，應變片位置布置如圖4，所以我們對3號應變片處，各梁的應變進行了對比（如圖6）。

在本次實驗當中，我們還采用了二維數字散斑技術，簡稱2D-DIC（如圖7）。

測量的基本問題是相關兩個散斑場，即變形前的參考場和變形后的變形場。數字相關方法DIC從隨機的散斑信號中提取位移和應變信號，所使用的光源可以是激光也可是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然紋理等。

在實驗過程中，我們首先對梁的表面做出了人工散斑的處理。然后給計算機一個初始狀態，也就是0加載狀態，然后在每一級加載穩定之后，通過照相機拍攝梁的狀態圖。最終，把這些圖片整合起來，通過軟件處理能得到每一級加載狀態的場圖，例如50kN加載狀態下場圖（如圖8），也能得出位移和應變數據，與我們的靜態電阻應變儀得出的數據對比。

圖3 壓梁法施加預應力圖

圖4 試驗加載及應變片編號示意圖

圖5 6號粘貼預應力碳纖維RC梁試驗撓度-荷載圖

圖6 3號應變片處各梁應變-荷載圖

圖7 DIC觀測儀觀測圖

圖8 50kN加載場圖

3 試驗結果對比

4 結論

表2 試驗加載數據

本文提出使用預應力碳纖維薄板對拱形RC梁進行加固，提高其承載力，減緩RC梁裂紋擴展。通過性能測試與分組加載試驗，得出預應力碳纖維薄板加固拱形RC梁具有以下特性：

（1）外貼CFL的拱形RC梁極限承載力與CFL/混凝土之間的粘結特性有關；（2）粘貼CFL的拱形RC梁早期應變發展不明顯，裂縫出現較晚，在CFL剝離前受力穩定，在CFL剝離后應變裂縫迅速發展，破壞較快，但最終承壓能力并沒有明顯提高；（3）粘貼預應力CFL后，拱形RC梁的應變裂縫發展更加緩慢，裂縫也出現得更晚，在CFL剝離前受力穩定，在CFL剝離后應變裂縫也迅速發展，破壞較快，而最終承壓能力稍有提高；（4）兩處薄弱點增加碳纖維維護之后，粘貼CFL的拱形梁受力應變和裂縫發展與特性2相同，但對CFL的約束有比較明顯的作用，剝離延緩。

總的來說，CFL對拱形RC梁的應變和裂縫有明顯的約束作用，但對于其承壓能力提高不明顯，需對CFL進行U型加固。

[1]姚錦文,田安國,張三柱.預應力碳纖維布夾具設計研究[J].四川建筑科學研究,2008,34(05):85-88.

[2]白飛云.碳纖維板加固鋼筋混凝土梁的實驗研究[D].合肥:合肥工業大學,2012.

[3]中華人民共和國建設部.JG/T 167-2004結構加固修復用碳纖維片材[S].2004(12).