卜良桃,陳海飛

( 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

我國現(xiàn)存公路橋數(shù)量眾多，尤其是在鄉(xiāng)道和縣道等公路工程的小型橋梁中，簡支梁應用廣泛[1]。然而，由于通行壓力的日益增長和運營維護的缺失，對于公路橋簡支梁的加固尤為重要。在眾多加固方法中，粘貼碳纖維板是一項安全可靠的技術[2-3]。碳纖維板(Carbon Fiber Plate，簡稱CFP)是以高強碳纖維以及合成樹脂為基材，經(jīng)特定工藝將樹脂浸潤至纖維材料后凝固成的復合材料[4]，因其輕質，施工簡便，具備優(yōu)異的耐疲勞性、抗腐蝕性和耐久性，從而一直被國內外所關注，已經(jīng)在房屋建筑、橋梁工程等領域得到了廣泛應用[5]。目前國內外許多學者已經(jīng)針對碳纖維加固混凝土構件做了大量研究，主要集中在碳纖維板與鋼筋混凝土的界面粘結性能[6-7]及碳纖維材料自身的性能，另一些學者對CFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能進行了初步探索和試驗研究[8-9]。但是已有的研究大多集中在縮尺小構件，且為一次受力的試驗[10]，與實際應用的受力狀態(tài)存在明顯差異，而對于二次受力下CFRP加固鋼筋混凝土足尺梁的研究，特別是加固梁的裂縫和變形，業(yè)內鮮有報道。為此，筆者擬開展貼合實際工程和受力條件的足尺簡支梁二次受力試驗，研究粘貼碳纖維板加固公路橋簡支梁的裂縫和變形性能，為公路橋的維護與加固提供試驗參考和依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試件制作

本文設計了4根足尺鋼筋混凝土矩形截面簡支梁，試件尺寸7.2 m×250 mm×600 mm，混凝土強度等級C25。梁截面配筋示意圖見圖1。共設置為4個試驗組，RCFS-1為對比梁，直接進行抗彎性能一次受力試驗。其他3組試驗梁RCFS-2～RCFS-4的混凝土強度等級、配筋方式與對比梁一致，3組試驗梁采用梁底粘貼碳纖維板、端部設置U形箍的方式進行加固，見圖2。試驗材料特性見表1，試件分組見表2。

圖1 梁截面配筋示意圖(單位：mm)Figure 1 Schematic diagram of beam section reinforcement(Unit:mm)

(a) 梁側面

表1 試驗材料特性Table 1 Characteristics of test materials材料規(guī)格極限強度/MPa彈性模量/MPaΦ6437.2(抗拉)2.1×105鋼筋12518.3(抗拉)2.0×10525545.6(抗拉)2.0×105混凝土C2526.4(抗壓)2.8×104碳纖維板1.2 mm2 800(抗拉)1.65×105

表2 試件分組Table 2 Groups of specimen試件編號加固方式加載方式RCFS-1不加固一次受力直接加載至破壞RCFS-2粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至開裂荷載前,持荷粘貼CFP,結構膠固化而后二次加載直至破壞RCFS-3粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至最大裂縫寬度為0.1 mm,持荷粘貼CFP,結構膠固化而后二次加載直至破壞RCFS-4粘貼CFP加固,尺寸6 800 mm×50 mm×1.2 mm一次加載至最大裂縫寬度大于0.3 mm,持荷粘貼CFP,結構膠固化而后二次加載直至破壞

1.2 試驗方案

試驗加載在吊籃反力架進行，采用兩點加載受力試驗，試驗加載裝置示意圖見圖3、圖4。按照驗算的預估極限荷載，采用分級加載。鋼筋屈服前采取荷載控制，未開裂前試驗梁每次加荷7.8 kN，裂縫出現(xiàn)后每級加荷11.7 kN。鋼筋屈服后采取位移控制加載，每級荷載作用下?lián)隙茸冃卧黾? mm。各級荷載作用穩(wěn)定5 min之后進行觀測，描繪裂縫圖，測量裂縫寬度、長度和走向，測量梁跨中撓度以及截面應變。

圖3 試件加載示意圖Figure 3 Schematic diagram of specimen loading

圖4 吊籃-反力框架加載裝置Figure 4 Load device of basket-frame

2 試驗結果

2.1 試件破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)見圖5，通過圖中的裂縫形態(tài)可知，純彎段梁側面裂縫的條數(shù)基本相同，主裂縫的平均條數(shù)為9條，不同方式粘貼碳纖維板加固后，對梁側面主裂縫間距的影響不大。但加固梁的底部出現(xiàn)更多短裂縫，呈樹根狀向上發(fā)散，初始荷載越大時，樹根狀的短裂縫越明顯，說明碳纖維板對裂縫的發(fā)展有較強的約束作用。采用碳纖維板加固后，通過碳纖維粘貼到梁底混凝土表面后共同工作，界面應力均勻分擔傳遞至梁底區(qū)域的混凝土，相比于未加固梁而言，梁底區(qū)域應力分布更均勻。

(a) RCFS-1

2.2 裂縫形態(tài)

試件裂縫寬度及長度測試結果見表3，荷載-最大裂縫寬度曲線如圖6所示。一次受力后，各試件陸續(xù)出現(xiàn)從梁底沿著兩側面向上延伸的裂縫，前期裂縫開展迅速，初始裂縫出現(xiàn)后，即形成主裂縫。粘貼碳纖維板加固后，隨著二次受力下荷載的增加，主裂縫的長度、寬度繼續(xù)增加，同時在兩側面陸續(xù)出現(xiàn)新開展的短裂縫。但是短裂縫出現(xiàn)后，主裂縫的開展即得到抑制，共同抵抗二次受力作用下的應力和損傷，裂縫寬度曲線中出現(xiàn)平緩段，直至試驗結束。試驗過程中碳纖維板與RC梁共同工作性能良好，粘貼部位界面未出現(xiàn)剝離或滑移。

表3 試件裂縫測試結果Table 3 Crack test results of specimens荷載/kN不同試件的最大裂縫寬度/mm不同試件的梁側面平均裂縫長度/mmRCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-4RCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-41170.130.110.100.112832702673401350.150.120.110.153203182803501500.180.190.140.223283353233501650.350.250.160.243683623583521700.600.400.300.28485413391370

圖6 試件荷載-最大裂縫寬度曲線Figure 6 Load-maximum crack width curves of specimen

RCFS-1加載至170 kN荷載達到破壞，此時對應的RCFS-2、RCFS-3、RCFS-4最大列分寬度分別為0.60、0.40、0.30 mm，且加固后試件裂縫延性空間更大，持荷時間更長。

2.3 撓度變形

試件撓度變形測試結果見表4，荷載-撓度變形曲線如圖7所示，試驗過程中，曲線上呈現(xiàn)3個階段，各階段大致呈直線段：開裂前的彈性階段、變形抑制階段、破壞階段。

表4 試件撓度變形測試結果Table 4 Test results of deflection deformation of specimens荷載/kN不同試件中的跨中撓度變形/mmRCFS-1RCFS-2RCFS-3RCFS-411712.6111.0411.7710.4213514.7413.4913.1712.4415017.2516.7815.3814.0116526.8020.1017.0316.2517084.9524.7420.1617.63

圖7 試件荷載-撓度變形曲線Figure 7 Load-deflection deformation curves of specimen

在開裂前的彈性階段，4根試件原梁設置條件相同，截面尺寸、鋼筋配置、材料強度均相同，因而變形特征基本一致，曲線基本吻合。裂縫出現(xiàn)后，隨著粘貼碳纖維板投入工作狀態(tài)，分擔梁底部拉應力，從而使構件變形得到抑制，截面剛度明顯改善，曲線出現(xiàn)轉折點，第2階段曲線斜率降低。從RCFS-2、RCFS-3到RCFS-4，3個試驗組碳纖維板投入工作的時機不同，越晚粘貼的試件，曲線拐點出現(xiàn)得越晚。

在最終破壞時，RCFS-1最大跨中撓度變形達到84.95 mm，而對應各級荷載下RCFS-2、RCFS-3、RCFS-4分別抑制降低到24.74、20.16、17.63 mm。試驗結果表明，粘貼碳纖維板加固后構件的抗彎剛度顯著提高。

3 對比分析

3.1 裂縫形態(tài)對比

對比梁RCFS-1與加固梁RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4荷載-裂縫曲線前期基本一致，開裂荷載出現(xiàn)的時機接近，說明不同加固方式(初始負載、 粘貼時機)粘貼碳纖維板加固并不會顯著提高開裂荷載，對于初始裂縫的寬度、長度控制效果差異不大。但是在曲線的后段，對應于RCFS-1的極限荷載170 kN時，RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4最大裂縫寬度分別為0.60、0.40、0.30 mm，均顯著小于對比梁。各加固梁的后期承載力提高幅度明顯，裂縫維持時間較長。

試驗結果中可以注意到，初期負載程度越高、碳纖維板投入工作時機更晚的RCFS-4，其加固效果優(yōu)于其他試驗組(RCFS-2、 RCFS-3)。這主要是由于加固采用的碳纖維板，其具有的極限抗拉強度標準值為2 800 MPa，但受拉彈性模量為165 GPa，因此需要較大應力水平和變形才能夠充分發(fā)揮其高強度的性能。RCFS- 4加固時原梁最大裂縫寬度超過0.3 mm，此時應力水平很高。而RCFS-2試件開裂前粘貼碳纖維板，此時碳纖維板的拉伸變形和應變非常小，碳纖維板起到的作用較小，同時鋼筋在截面內的用量大大超過碳纖維板，因此在開裂過程碳纖維板的貢獻程度較小。

3.2 撓度變形對比

未粘貼碳纖維板前，各試件開裂前撓度變形很小，此時與對比梁曲線基本重合。達到開裂荷載后，進入第2階段時，試驗梁RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4的撓度變形比對照組RCFS-1均要小，且初始負載程度越高，相差越明顯。

試件RCFS-2、RCFS-3、RCFS- 4的最大撓度分別達到24.75、20.12、17.63 mm，遠低于RCFS-1的84.95 mm。其中初始彎矩最大、粘貼碳纖維板時機最晚的RCFS- 4，其撓度變化速度卻比RCFS-2、RCFS-3更慢，最終的撓度變形也較小。這主要是由于加固時機越晚，初始負載水平越高，碳纖維板能分擔原梁的內力越多，碳纖維板應力水平越高，降低了RC梁的應力，裂縫的發(fā)展得到抑制，截面的剛度退化也慢，從而能約束梁純彎段變形。

4 有限元模擬

采取ANSYS軟件對本試驗中4根梁進行數(shù)值模擬分析。模型參數(shù)取值為：混凝土彈性模量為2.8×104MPa，泊松比取為0.2，混凝土本構關系參照相關文獻的設置方式[11]，棱柱體抗壓強度取23.5 MPa。鋼筋彈性模量E取2.1×105MPa，極限強度σ取345 MPa。碳纖維板彈性模量E取1.65×105MPa，極限抗拉強度σu取2 800 MPa。

按照試驗設置的加載方式，梁端約束采用鉸支座[12-13]，進行有限元數(shù)值分析，模擬荷載作用下加固梁承載力和撓度變形結果，建立的有限元模型如圖8所示。為簡化試件的計算模型，根據(jù)對稱性取其1/2跨長進行數(shù)值分析。為了避免支座處單元發(fā)生局部破壞，在支座位置加40 mm厚墊板，采用SOLID45單元，支座施加約束直接作用在SOLID45上[14]。

圖8 有限元模型Figure 8 Finite element model

有限元分析計算得到的試件承載力見表5，荷載-位移曲線如圖9所示。根據(jù)模擬計算結果可知，各加固試件有限元計算承載力與試驗測得的極限承載力誤差為90%～94%，吻合程度較好。從圖9可以看出，計算曲線與試驗曲線吻合較好，也說明有限元模型能較好地對碳纖維板加固RC梁進行非線性分析。試驗測試的撓度變形值相較于計算值撓度而言更小，其主要原因是二次受力條件下試件帶裂縫加固時，更利于碳纖維板強度的發(fā)揮，共同工作后其后期強度利用率提高。

表5 加固梁有限元分析結果Table 5 Finite element analysis results of reinforced beams試件編號加固時機極限承載力/kN計算值試驗值計算值/試驗值RCFS-2開裂前加固197.24214.690.92RCFS-3最大裂縫寬度為0.1 mm225.31249.360.90RCFS-4最大裂縫寬度超過0.3 mm253.37268.310.94

(a) RCFS-1

5 結論

通過對碳纖維板加固的公路橋簡支RC梁進行二次受彎性能試驗，得出如下研究結論：

a.負載條件下粘貼碳纖維板加固能顯著改善RC梁的裂縫形態(tài)，提高截面剛度。加固后梁裂縫表現(xiàn)為細而密的特征，主裂縫寬度變小、長度變短，靠近梁底區(qū)域短裂縫增多。梁撓度變形大致呈現(xiàn)彈性階段、變形抑制階段、破壞階段，構件變形曲線均呈現(xiàn)線性變化特征。

b.初始荷載水平和粘貼碳纖維板的時機對加固效果影響顯著，初始荷載水平越高、粘貼碳纖維板時機越晚，對裂縫抑制效果越好，梁的撓度變形更小。

c.采用有限元軟件對試件進行建模分析，模擬結果與試驗現(xiàn)象吻合較好，驗證了碳纖維板加固公路橋簡支RC梁的可靠性，本文試驗成果能為碳纖維加固公路橋鋼筋混凝土梁的設計理論和施工應用提供一定依據(jù)。