碳纖維布加固鋼筋混凝土梁剝離檢測試驗研究

孫仲橫，許 斌，賀 佳

(1. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2. 華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；3. 華僑大學 福建省結構工程與防災重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

碳纖維增強復合材料(CFRP)加固混凝土結構是一種新型、簡便、高效的加固、修復和改造技術。與傳統材料相比，碳纖維增強復合材料具有質量小，剛度好，比強度高，比模量高，耐高溫及抗疲勞性能好等優越性能。CFRP加固修補混凝土結構以其高強高效、防腐耐久、施工便捷、適用面廣及經濟性好等優勢，在工程界得到廣泛應用。對混凝土梁進行抗彎、抗剪加固，是將CFRP片材粘貼于構件的外表面，以提升構件的對應性能。由于多種材料的復合效果比單純混凝土梁復雜，且CFRP片材端部由于形狀變化易引起應力集中，產生較大的錨固剪應力和正應力，因而經常發生早期的片材端部剝離破壞，試件破壞時碳纖維及混凝土遠未達到其極限強度，材料的利用率較低，達不到預期的加固效果，且破壞發生時較突然，屬脆性破壞。利用傳統的應變測量方法難以在構件仍處于較好的線性行為的狀態下對破壞進行預測，因此，尋找一種能對CFRP加固混凝土梁進行健康監測的方法具有極其重要的意義[1-3]。

近年來，壓電陶瓷在結構健康監測領域受到越來越多的關注[4-5]，在復雜鋼管混凝土界面剝離、核心混凝土損傷等方面得到成功應用[6-11]。本文利用壓電陶瓷對CFRP加固混凝土梁在豎向加載下的損傷發展過程進行監測，基于壓電應力波法對混凝土梁的狀態進行分析，以確定剝離損傷的程度。結果表明，該方法可以有效地監測CFRP加固鋼筋混凝土梁結構的損傷狀態[12]。

1 基本原理

國內外目前應用壓電陶瓷進行結構健康監測的方法主要有波動法和阻抗法。本文采用波動法對構件進行試驗研究。將壓電陶瓷片分別粘貼在CFRP與混凝土梁外側對應位置處，分別作為驅動器和傳感器，根據逆壓電原理對驅動器施加電信號激勵，產生應力波在結構內部傳播。由于正壓電效應，傳感器將接收的應力波轉變為電信號輸出。應力波在傳播過程中遇到CFRP布與混凝土梁的界面剝離缺陷時會發生衍射、反射和透射等現象，波的能量衰減將會加劇，引起信號幅值的衰減、模態變化及傳播時間的延遲等現象。通過分析傳感器在加載全過程中接收信號的變化，實現CFRP加固鋼筋混凝土梁構件剝離損傷發展的過程監測。原理如圖1所示。

圖1 基于波動法的結構損傷檢測原理

2 構件界面剝離損傷監測試驗

2.1 構件設計及加載方案

鋼筋混凝土梁的截面尺寸為100 mm×200 mm，長為1 500 mm。下部主筋采用2根直徑為?14 mm的Ⅲ級螺紋鋼，箍筋采用間距100 mm，直徑為?6 mm的Ⅲ級螺紋鋼雙肢箍，上部構造鋼筋采用直徑為?8 mm的Ⅲ級螺紋鋼?；炷敛捎肅30預拌商品混凝土，試件澆筑完畢后，在室內作養護處理。CFRP布采用東麗UT70-30型，理論厚度為1.4 mm，粘貼長度為850 mm，寬為100 mm。

經計算，試驗梁理論極限彎矩M=18.1 kN·m，相應極限承載力F=80.4 kN。利用兩點加載方式進行加載，如圖 2所示。

圖2 加載示意圖

集中荷載F通過分配梁轉化為2個大小相等的力，分別作用在試驗梁1/3與2/3跨處。試驗加載方式采用在梁頂面放置兩根對稱合金棒，合金棒上放置分配梁，于梁中央用SDS500型電液伺服動靜萬能試驗機加載，采用力控制加載，豎向荷載分別為20 kN，40 kN，60 kN，80 kN，100 kN，直至構件破壞。在加載過程中，每加載到一個荷載等級，則采集一次數據，同一位置進行多次測量。每級荷載后穩壓，以使試件有充分的變形時間，待變形穩定后測讀數據。

2.2 壓電陶瓷片的布設

本試驗中采用尺寸為0.3 mm×15 mm×10 mm伸縮型鋯鈦酸鉛壓電陶瓷貼片。壓電陶瓷片的布置如圖3所示。壓電陶瓷片粘貼于CFRP外表面與混凝土梁外側對應處，編號為S1～S5；背面相對應貼片編號為A1～A5。每加載一級，構件穩定后，依次采用某單一壓電陶瓷片作為信號驅動端，與其位置對應的壓電陶瓷片作為信號傳感端，如A1(S1)作為驅動端，S1(A1)作為傳感端，以此類推。

圖3 壓電陶瓷片監測布置圖

此外，在梁跨中處CFRP布外側對稱布置兩個電阻式應變片(5 mm×3 mm)，測量CFRP布在加載過程中的應變。

2.3 試驗監測方法

試驗采用任意波形/函數發生器產生激勵信號，并用高頻動態數據采集系統采集壓電陶瓷傳感器響應信號。根據波動法的基本原理，任意波形/函數發生器通道口連接驅動器，傳感器與數據采集系統一個通道口相連，采集和存儲數據。

驅動器采用正弦信號進行激勵。正弦激勵信號頻率為10 kHz，激勵信號幅值均為8 V，采樣頻率為102 400 Hz。

3 試驗結果分析

試件在加載過程中，在20 kN豎向荷載下梁外側未能觀察到有明顯裂縫產生；隨著豎向荷載的增加，可以觀察到在CFRP布端部S1、S5處率先出現裂縫，純彎段垂直縫及右側剪跨段斜裂縫陸續出現，并分別向梁頂部和加載中心點擴展；在縱向鋼筋屈服后，各裂縫開始變寬，向上擴展的趨勢減慢，最先出現的裂縫發展較快，當豎向荷載超過102 kN后，CFRP布兩端與混凝土梁發生剝離，受壓區混凝土被壓壞。圖4為S5處CFRP布端部剝離破壞情況。

圖4 S5處豎向荷載下CFRP布端部剝離破壞圖

圖5為40 kN荷載下鋼筋混凝土梁剝離損傷圖。由圖可見，CFRP布兩端混凝土梁剝離破壞比加載中心點處嚴重。

圖5 40 kN豎向荷載下鋼筋混凝土梁剝離損傷圖

3.1 基于信號幅值的分析結果

以S5、S4和S3作為傳感器的檢測結果為例，各工況下的時域圖如圖6所示。由圖可見，隨著豎向荷載的增加，傳感器接收信號的幅值出現較明顯的減小，當荷載增加到一定程度時，幅值幾乎不再改變。這表明簡諧信號幅值對CFRP與混凝土梁之間剝離較敏感。限于篇幅，各檢測位置傳感器接收信號的幅值的比較不再一一列出。

圖6 傳感器接收時域信號圖為定量說明界面剝

為定量說明界面剝離缺陷的敏感性，定義基于信號幅值差值的損傷指標：

(5)

式中：DI為界面剝離缺陷下信號幅值相對于健康狀態下信號幅值的衰減程度；Hn為健康狀態下傳感器接收信號的幅值；Dn為各級加載下壓電陶瓷傳感器接收信號的時域幅值。當DI=0，表示結構處于健康狀態。

圖7為基于信號幅值的DI隨荷載級別的變化情況(僅列出A3、A4、A5)。由圖可知，DI隨著加載的增大而增大，說明信號幅值的衰減程度隨著豎向荷載的增大呈增大的趨勢。在40 kN豎向荷載下，橫向對比相同荷載級別下的A3、A4、A5。A5處DI值達到40%，大于A3、A4兩處。A5位于片材端部應力較大的位置，是可能最先發生剝離損傷的區域，信號幅值變化較其他測量點更明顯。當豎向荷載繼續增加，A5處DI值增長緩慢，A3、A4處增長快速，且在100 kN豎向荷載下達到40%，繼續加載下結構被壓壞。當DI=40%時，CFRP布與鋼筋混凝土梁之間已發生界面剝離損傷；當DI=50%時，認為片材端部已經發生嚴重的剝離現象，不適合繼續承載。這說明定義的DI可以正確識別出結構在CFRP布兩端發生的早期片材端部剝離破壞，且在鋼筋混凝土梁結構整體處于線性階段時，該指標也可以有效監測界面的剝離發展狀況。

圖7 基于信號幅值的絕對差值DI隨荷載級別的變化

3.2 應變數據對比分析

在不同加載級別下，CFRP布應變數據如圖8所示。由圖可見，在0～100 kN，應變與荷載之間呈線性關系，平截面假定仍適用。CRFP布的應變測量難以反映片材端部的剝離破壞情況。當施加荷載為102 kN時，應變值突然降低，試驗梁發生脆性破壞。

圖8 0～102 kN工況下應變片數據圖

4 結論

本文提出了基于壓電驅動與應力波測量的CFRP布加固鋼筋混凝土梁剝離損傷的監測方法，基于所定義的信號時域幅值的剝離損傷指標，通過試驗研究驗證了其可行性，得到如下結論：

1) 以A3—S3、A4—S4、A5—S5檢測區間內裂縫損傷的檢測結果表明，所定義的裂縫損傷指標的增長情況與實際裂縫發展情況吻合良好，基于此指標能監測到初始裂縫的產生及裂縫的發展。隨著加載級別的增大，結構裂縫進一步開展，所定義的檢測區段內的裂縫指標相應增加。利用所定義的裂縫指標可以準確識別鋼筋混凝土段的裂縫的發生和發展過程。

2) 通過對比壓電片監測結果及應變數據可知，即使在鋼筋混凝土梁結構整體仍處于線性階段時，基于壓電應力波測量的方法也可有效監測界面剝離狀況。