CFRP布修復隧道中凍融損傷混凝土抗彎構件力學性能研究

賈 良， 聶紅賓

(陜西鐵路工程職業技術學院軌道工程系， 陜西 渭南 714000)

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CFRP布修復隧道中凍融損傷混凝土抗彎構件力學性能研究

賈 良， 聶紅賓

(陜西鐵路工程職業技術學院軌道工程系， 陜西 渭南 714000)

為了進一步研究碳纖維(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)修復隧道中凍融損傷混凝土抗彎構件的力學性能，對CFRP布修復凍融損傷混凝土構件進行抗彎試驗，研究CFRP布全、分包修復不同凍融損傷試件的效果。試驗結果表明：CFRP布能有效提高損傷試件的承載力、延性性能，尤其是全包方式；隨著凍融次數的增加，CFRP布修復試件的承載力逐漸降低，中性軸上移速度越來越快；通過理論計算，得到了不同凍融損傷程度修復構件的抗彎承載力公式，并利用ABAQUS有限元軟件進行模擬，得到的計算值、模擬值與試驗值進行比較，結果吻合較好。

隧道； CFRP布； 凍融循環； 抗彎承載力； ABAQUS有限元

0 引言

我國寒冷地區分布著大量的隧道工程，在寒冷或季節交替明顯的地區，抗凍性是隧道建設中混凝土工程設計的重要指標,同時也是影響混凝土構件耐久性的主要問題[1-2]。在已建成隧道中，混凝土構件由于處于高應力、潮濕和溫度突變等復雜環境中，混凝土結構內部出現不同程度的裂縫[1]。根據目前國內研究現狀看,主要采取措施是在混凝土中加入纖維材料提高結構的抗裂性能或將纖維織物加固在混凝土表面。如張迅等[2]在水底隧道、地鐵管片和氣水分離結構中加入聚丙烯纖維進行加固；文獻[3-5]通過將不同纖維加入到不同混凝土結構中，均取得了一定的效果，但由于摻入纖維在混凝土中接團，未能充分發揮纖維作用，且鋼纖維容易銹蝕；文獻[6-7]將碳纖維織物(CFRP)粘貼在混凝土表面進行研究。采用CFRP布加固，國內大多應用于建筑和橋梁等工程中，但在隧道病害處理中很少應用。由于隧道中凍融循環和潮濕影響，CFRP布很難直接粘貼在構件表面，目前，國內外也很少研究。本文以西安地鐵三號線某標段隧道滲水為背景，對混凝土表面進行處理，將CFRP布用特制的結構專用膠直接貼在結構表面，形成了CFRP布修復凍融損傷混凝土構件，并對其進行抗彎試驗，分析CFRP布不同修復方式下結構的破壞形態，承載力、荷載-應變關系以及撓度等參數的變化，進一步探索隧道中凍融損傷混凝土修復技術。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

西安地鐵三號線軌道工程D3GD-某標包括三號線正線及輔助線、二號線與三號線聯絡線、出入場線全長約28.736 km(單線)。線路起自雁塔區的魚化寨停車場，途中設車站。此次事故位于魚化寨附近，基坑與區間隧道連接處的混凝土襯砌工程暴露在外，風力較大，加之存在大量積水，且西安地處黃土高原，冬季白晝溫差較大，出現了隧道凍融病害，如圖1所示。

(a) 事故現場

(b) 凍融損傷表面

Fig. 1 Freezing-thawing damage of concrete of tunnel lining

1.2 試驗方案

為解決實際工程問題，本文采用CFRP布對凍融損傷試件進行修復。因凍融試驗機容積有限，故試驗取樣試件較小，屬于模型試驗，每組試驗反復3次,試件尺寸參照文獻[1]，為100 mm×100 mm×400 mm(長×寬×高)。水泥采用普通礦渣硅酸鹽水泥,配置C30混凝土,試驗參數及破壞情況見表1。CFRP布修復試件及加載破壞如圖2所示，加載裝置和應變片位置如圖3所示。

表1 試驗參數及破壞情況

Table 1 Testing parameters and damages

修復方式 未凍融凍融次數50100150200未加固11111全包221、21、21、2純彎曲分包1121、21、2剪跨區分包1111、21、2

注：1表示混凝土發生破壞； 2表示CFRP布發生破壞。

(a) 試件

(b) 試件破壞形態

Fig. 2 Testing samples strengthened by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles and loading damage

(a) 加載裝置

(b) 應變片布置

Fig. 3 Loading device and strain gauge arrangement

2 試驗結果

2.1 凍融循環試驗結果

試件分別進行50、100、150、200次凍融循環試驗，其質量和動彈性模量損失以同批4塊試件的平均值為準，且試件各試驗值的誤差不超過5%。試件經過不同凍融循環次數后，發生破壞如圖4所示,質量損失率和動彈性模量損失率見圖5和圖6。圖4表明，未凍融時，試件表面光滑密實； 凍融50次后，試件表面出現類似針孔狀的小孔，表面出現砂漿顆粒； 凍融100次后，混凝土表面進一步被剝蝕，粗骨料裸露表面，部分表面出現微小裂縫，端部有掉渣現象； 凍融150次后，試件整個表面出現大量浮砂，裂縫越來越發育； 凍融200次后，裂縫貫通，部分試件端部斷裂。

由圖5和圖6可知，施工現場利用礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土，經過凍融175次后，質量損失率超過5%;凍融125次后，動彈性模量損失率超過10%。

質量和動彈性模量作為混凝土試件的基本參數，判斷試件破壞均存在一定誤差。

圖4 試件發生凍融破壞

Fig. 4 Freezing-thawing damages of samples

圖5 質量損失率

Fig. 5 Mass loss rate

圖6 動彈性模量損失率

Fig. 6 Loss rate of dynamic-elastic modulus

2.2 抗彎試驗結果與參數分析

2.2.1 抗彎試驗結果

凍融100次和150次后加載時，試件突然斷裂且荷載值很小； 凍融200次后，試件角部已經破碎，無法加載。對試件用CFRP布全包修復后加載，加載時會聽到“噼啪”聲，達到極限荷載時，底部CFRP布被拉斷，會聽到巨大的拉斷聲，試件沒有完全斷裂，承載力和延性得到較大的提高。對純彎段采用CFRP布分包修復時，加載點處混凝土破壞，且往剪跨區開裂； 對剪跨區采用CFRP布分包修復時，CFRP布與混凝土發生剝離破壞。

2.2.2 參數分析

2.2.2.1 CFRP布修復方式對不同凍融損傷試件承載力的影響

根據凍融損傷試驗可知,礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土經過凍融循環150次后結構發生破壞。因此，主要分析CFRP布修復凍融100次試件的承載力，凍融100次后試件承載力值為0.6 kN，CFRP布全、分包修復凍融損傷100次試件的承載力與應變關系如圖7所示,CFRP布全包修復不同凍融損傷試件的抗彎承載力與跨中底部應變關系如圖8所示。

通過圖7可得出，CFRP布全包方式可大幅度提高損傷混凝土構件的承載力，與未修復試件相比，承載力提高12.63倍； 與CFRP布純彎段修復(中間分包)試件相比，承載力提高了48%； 與剪跨段修復(兩端分包)試件相比，承載力提高了81.8%。

通過圖8可得出,隨著凍融循環次數的增加,CFRP布全包修復試件的承載力逐漸下降,但試件損傷到一定程度(凍融150次和200次)后,試件的承載力僅下降7.5%。

圖7 CFRP布修復凍融損傷100次試件的承載力-應變圖

Fig. 7 Bending capacity-strain of samples strengthened by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles

圖8 CFRP布全包修復不同凍融試件承載力-底部應變圖

Fig. 8 Bending capacity-bottom strain of samples strengthened entirely by CFRP sheets

2.2.2.2 CFRP布修復損傷試件平截面分析

對于CFRP布修復試件的承載力而言，全包修復方式的效果最好，但凍融損傷試件經過CFRP布修復后試件的延性需進一步研究。

圖9為CFRP布全、分包修復凍融100次試件平截面處極限應變圖，通過分析可得，CFRP布修復凍融損傷混凝土試件能有效提高試件的延性，與未修復試件相比(極限應變50.724),全包修復試件延性提高了18.48倍,中間分包修復試件提高了13.66倍,兩端分包試件提高了12.47倍，其中CFRP布全包修復試件延性提高最大。

圖9 CFRP布全、分包修復凍融100次試件平截面極限應變

Fig. 9 Ultimate strain of plain sections of samples strengthened entirely or partly by CFRP sheets for 100 freezing-thawing cycles

圖10是CFRP布全包修復不同凍融損傷試件平截面處極限應變圖，通過分析可知：凍融循環對CFRP布修復抗彎試件的平截面有影響，隨著凍融循環次數的增加，逐漸將不滿足平截面假定；加載時，CFRP布修復試件的中性軸上移越來越快，試件的延性也越來越大，凍融200次試件極限應變達到2 500。

圖10 CFRP布全包修復不同凍融試件平截面極限應變

Fig. 10 Ultimate strain of plain sections of samples strengthened entirely by CFRP sheets under different freezing-thawing cycles

2.2.2.3 CFRP布修復凍融損傷試件的荷載與應變分析

為了進一步研究CFRP布修復凍融損傷混凝土構件剪跨區受力情況，在剪跨區支座處布置了2條橫、豎向應變片，當荷載發生變化時，應變也會發生變化，荷載-應變關系如圖11和圖12所示。

圖11 CFRP布全包修復試件荷載與支座處豎向應變的關系

Fig. 11 Relationships between load and vertical strain of support of samples strengthened entirely by CFRP sheets

圖12 CFRP布全包修復試件荷載與支座處橫向應變的關系

Fig. 12 Relationships between load and lateral strain of support for samples strengthened entirely by CFRP sheets

通過對圖11和12進行分析可得，隨著凍融次數的增加，承載力逐漸降低，剪跨區豎向、橫向延性變形也逐漸加大，說明凍融循環使剪跨區混凝土受到一定程度的損傷，試件延性增大；凍融50次后，全包試件的承載力下降，橫向、豎向應變增加較小； 但試件凍融100次后，CFRP布全包修復效果較好，變形增大，說明混凝土受損后很容易變形，主要由CFRP布和混凝土共同受力，協同性較好。

3 全包抗彎構件承載力計算

3.1 混凝土模型簡化

3.1.1 梯形抗壓強度模型

基于GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[8]推薦模型和趙彤模型[9-10]，本文對混凝土梯形應力簡化后模型如圖13所示，簡化后

(1)

(2)

(3)

式(1)—(3)中：fc為混凝土的應力簡化強度； x為上、下某一點到中性軸的距離； α為混凝土的折減系數； xc為合力到中性軸的距離； b為梁截面有效寬度； ζ為受壓區高度修正系數。

圖13 抗彎計算圖

Fig. 13 Bending calculation

3.1.2 凍融損傷混凝土強度模型

利用凍融模型[11-13]對損傷混凝土分析，模型轉換后，

(4)

式中：σ和σc分別為任意時刻的應力和峰值應力；ε和εc分別為任意時刻的應變和峰值應變；A是初始混凝土的彈性模量和割線模量的比值，本文采用C30混凝土，取值1.78；l1、l2和l3均表示凍融修正系數，見表2。

表2 本構關系參數表

Table 2 Constitutive parameters

凍融次數上升段參數l1l2l300002000.003840.005550.00413

經過計算，得到凍融損傷后混凝土的本構關系，普通混凝土試件本構關系

(5)

凍融200次后，混凝土本構關系

(6)

混凝土試件凍融50、100和150次后，本構關系同理可計算得出。

3.2 極限彎矩

根據彈性理論，截面的極限彎矩

Mu=σuA1a1+σu′A2a2=σu(S1+10S2)[14]。

(7)

令Ws=S1+10S2，得

Mu=σuWs。

(8)

(9)

式(7)—(9)中：Ws為塑性截面系數； h0為梁的有效截面高度。

彈性截面系數

(10)

彈性理論計算的彎矩和塑性理論計算的彎矩比值

(11)

極限彎矩Mu分別經過彈性和塑性計算，計算結果相差較大，本次試驗彈性和塑性荷載相差值見表3，差值在20%～30%，為使試件能進入彈塑性階段，又要偏于安全，梁仍然按彈性方法計算，增大系數取下限為1.20[15-16]。

表3 彈、塑性荷載數值表

Table 3 Elastic-plastic load values

項目未凍融凍融次數50100150200極限荷載/kN21.2158.5025.4754.8736.073彈性彎矩/(kN·m)14.564.153.694.3比值/%68.374.576.874.570

3.3 全包修復凍融損傷構件抗彎承載力計算

加固梁的受力模型如圖14所示，根據截面受力平衡條件

(12)

(13)

(14)

式(12)—(14)中fcfs為CFRP布全包修復極限抗拉強度，由CFRP布卷材廠家提供。

利用抗彎承載力公式，計算CFRP布全包修復未凍融、凍融50、100、150、200次試件的抗彎承載力分別為23.66、11.5、7.8、6.9、6.2 kN。與試驗結果進行對比，全包修復凍融損傷試件抗彎承載力誤差控制在8%以內。

圖14 加固梁的受力圖

Fig. 14 Force diagram of strengthened beams

4 CFRP布修復凍融損傷抗彎構件非線性分析

采用ABAQUS有限元軟件對CFRP布修復凍融損傷抗彎試件進行模擬，在前處理模塊中建模，CFRP布采用殼單元S4R，混凝土模型采用實體單元C3D8R，如圖15所示，粘結劑采用內聚力單元C0H3D8，其上、下接觸表面采用tie連接，進行網格劃分。加載時，建立參考點，并建立耦合關系，使分析達到更好的收斂效果[16]。

(a) 混凝土

(b) CFRP布

Fig. 15 Modeling and mesh generation of concrete and CFRP sheet

CFRP布修復凍融損傷混凝土構件有限元模擬結果與試驗中荷載、撓度、應變相比較，見圖16和圖17，分析得出：凍融50次后，橫向應變、撓度變化基本相同；隨著凍融次數的增加，應變越來越大，極限撓度值越來越小。通過ABAQUS對CFRP布修復凍融損傷抗彎試件進行非線性分析，較好地反映出CFRP布修復損傷試件的受力性能。

圖16 試件的荷載-撓度圖

Fig. 16 Load-deflection of samples

圖17 試件剪跨區荷載-橫向應變圖

Fig. 17 Load-lateral strain of cut-span section of samples

5 結論與建議

本文以西安地鐵三號線基坑與區間隧道連接處混凝土襯砌凍融損傷為背景，通過現場調查與工程試驗研究CFRP布修復隧道中混凝土抗彎結構力學性能，得出以下結論。

1)礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土經過凍融175次后，質量損失率超過5%，凍融125次后，動彈性模量損失率超過10%，質量和動彈性模量作為混凝土試件的基本參數，判斷試件破壞存在一定誤差。

2)通過對CFRP布全、分包試件的承載力、平截面及剪跨區變形相比較，得出CFRP布全包為最優修復方式；隨著凍融次數的增加，試件的延性增加，中性軸上移速度也越來越快，逐漸不滿足平截面假定。

3)通過計算和ABAQUS模擬，得到了不同凍融次數后全包試件的承載力公式，經過計算與模擬，得到的理論值、模擬值與試驗值存在一定誤差，經過誤差處理后，較好地反應出試驗結果。

本文利用CFRP布加固技術對隧道中混凝土抗彎構件進行了修復，并進行了理論計算和有限元模擬，但只針對西安地鐵三號線使用的礦渣硅酸鹽水泥配置的C30混凝土進行了探索，并在實際工程應用中取得了良好的效果。混凝土結構凍融損傷嚴重，試件達到破壞后，CFRP布全包試驗效果較好，建議盡量加固有凍融損傷但還沒有達到破壞的試件。

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Study of Mechanical Properties of Freezing-thawing Damaged Concrete Bending Components of Tunnel Strengthened by CFRP Sheets

JIA Liang, NIE Hongbin

(DepartmentofRailEngineering,ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,Shaanxi,China)

The mechanical properties of the freezing-thawing damaged concrete bending components of tunnel strengthened by carbon fiber reinforced polymer (CFRP) are studied. The bending tests are carried out and the repairing effects of tunnel by using CFRP sheet are analyzed. The testing results show that: 1) The bending capacity and ductility performance of damaged components can be improved by using CFRP, especially by using full-covered mode. 2) The bending capacity of damaged components decreases and the lifting speed of neutral axis increases with the freezing-thawing cycle increases. 3) The formula for bending capacity of damaged components is obtained by theoretical calculation; and simulation is carried out by ABAQUS finite element software. The calculated results and simulated results coincide with testing results well.

tunnel; CFRP sheets; freezing-thawing cycle; bending capacity; ABAQUS FE

2015-11-18；

2016-02-25

陜西鐵路工程職業技術學院科研基金項目(編號2014-44)

賈良(1982—)，男，山西朔州人，2011年畢業于蘭州交通大學，巖土工程專業，碩士，講師，主要從事巖土與隧道工程方向的教育與研究工作。E-mail：styjialiang@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.008

U 454

A

1672-741X(2016)07-0819-07