CFRP加固對(duì)拱形拱腹混凝土橋梁性能的影響

1?工程概況隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，以大量鋼筋混凝土材料為基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)在各國(guó)家都得到了大量應(yīng)用，并且都具有一定的使用壽命。然而，隨著交通流量的增加、施加荷載的變化以及特定結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨著時(shí)間的磨損消耗，橋梁的承載力不可避免地受到了影響，導(dǎo)致橋梁在達(dá)到預(yù)期壽命前就無(wú)法繼續(xù)正常使用。例如，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，美國(guó)有超過(guò)5萬(wàn)座存在不同程度的結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁需要修復(fù)和加固，而且州和地方橋梁的主要缺陷會(huì)隨著交通負(fù)荷的增加而加劇。破損的鋼筋混凝土（以下簡(jiǎn)稱RC）橋梁外部加固研究中已經(jīng)應(yīng)用了各種創(chuàng)新材料和技術(shù)。傳統(tǒng)的加固方法有更換退化的構(gòu)件、附加外部鋼板、外部后張拉和使用鋼千斤頂?shù)?。這些方法耗時(shí)，也沒(méi)有辦法解決腐蝕的問(wèn)題，增加了構(gòu)件的荷載，并且在加固過(guò)程中需要使用重型機(jī)械升降。在過(guò)去的幾十年里，使用纖維增強(qiáng)聚合物（以下簡(jiǎn)稱FRP）加固結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，因?yàn)镕RP強(qiáng)度高、重量小、易于安裝且能夠滿足耐腐蝕的要求，維護(hù)起來(lái)也較方便。相關(guān)研究表明，F(xiàn)RP作為一種加固材料的有效性高度依賴于混凝土和FRP之間的粘結(jié)強(qiáng)度。碳纖維增強(qiáng)聚合物（以下簡(jiǎn)稱CFRP）加固鋼筋混凝土梁的失效通常是由于混凝土基板的分層造成的?，F(xiàn)有膠粘劑的性能足以實(shí)現(xiàn)FRP與混凝土之間的應(yīng)力傳遞，但較低而產(chǎn)生的高剪切區(qū)裂縫才是產(chǎn)生粘結(jié)失效的主要原因。脫粘現(xiàn)象已經(jīng)被許多研究者廣泛研究，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，建立了許多理論模型來(lái)理解并控制脫粘過(guò)程。此外，一些學(xué)者還對(duì)FRP加固的平拱腹鋼筋混凝土梁的破壞進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。盡管曲面拱腹梁已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但FRP加固對(duì)拱形拱腹鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞影響卻研究的較少。構(gòu)件拱腹的曲率在混凝土基材和膠粘劑之間的界面上產(chǎn)生了直接的橫向拉應(yīng)力，一旦這些拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，CFRP中間體在彎曲或彎曲–剪切裂縫的尖端就會(huì)過(guò)早脫膠。脫粘現(xiàn)象向碳纖維的末端傳播，在應(yīng)變遠(yuǎn)低于碳纖維布的斷裂應(yīng)變時(shí)造成完全分層，導(dǎo)致碳纖維布利用率降低。關(guān)于FRP加固拱形拱腹鋼筋混凝土梁的現(xiàn)有研究和資料非常有限。表1給出了這13根梁的詳細(xì)情況及試驗(yàn)結(jié)果。表1?碳纖維布加固受彎拱腹混凝土梁的試驗(yàn)研究CFRP層壓板抗彎加固系統(tǒng)的性能與不同拱腹曲率的鋼筋混凝土梁的關(guān)系，并得到了以下結(jié)論：當(dāng)曲率度為5?mm/m時(shí)，與采用類似CFRP加固體系加固的平腹梁相比，CFRP層壓板提供的加固利用率會(huì)降低。曲率度是指，如果在曲面上保持1?m長(zhǎng)的直線，那么直線與曲面之間的最大距離為5?mm。此外，還有學(xué)者對(duì)碳纖維布加固混凝土節(jié)點(diǎn)上的彎拱拱腹的性能進(jìn)行了分析，建立了計(jì)算使用階段時(shí)拱腹面應(yīng)變分布的理論模型。Aiello等的試驗(yàn)結(jié)果表明，曲率的存在導(dǎo)致極限承載力降低，導(dǎo)致CFRP片材與混凝土基材脫膠。2?試驗(yàn)方案本研究的主要目的是研究曲率對(duì)用CFRP加固的拱形拱腹RC橋梁性能的影響。本試驗(yàn)方案測(cè)試了5根梁。其中2根是平底梁；一個(gè)未加固（F–1），一個(gè)用CFRP層板加固（F–2）。另外3根是拱形拱腹梁；一個(gè)未加固（C–1），兩個(gè)相同的梁用CFRP層板加固（C–2和C–3）。如圖1所示，彎曲的拱腹梁每米的曲率度為20?mm。圖1?每米曲率度20mm2.1?材料特性以上所有梁都是由相同的混凝土批次和相同的鋼筋（直徑10?mm和12?mm）制作的，并對(duì)這些材料進(jìn)行了測(cè)試，以確定其力學(xué)性能?；炷猎噳K60?d抗壓強(qiáng)度為48.7?MPa，符合美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ASTM的規(guī)定，10?mm和12?mm直徑的鋼筋的平均彈性模量和屈服強(qiáng)度分別為：202?GPa、201?GPa和580?MPa、554?MPa。CFRP層壓板厚度為1.4?mm，寬度為50?mm，彈性模量為165?000?MPa。2.2?試樣細(xì)節(jié)梁的結(jié)構(gòu)和配筋細(xì)節(jié)如圖2所示。所有測(cè)試梁的長(zhǎng)度為2?700?mm，寬度為140?mm。所有梁的跨中截面尺寸均相同（140?mm×260?mm）。因此，拱形拱腹梁在靠近端部的截面尺寸與平面拱腹梁不同。所有的梁都用3根直徑12受拉鋼筋和2根直徑10受壓鋼筋進(jìn)行加固。受拉鋼筋彎曲，以便沿梁提供一致的保護(hù)層。直徑10剪切箍筋的間距為90?mm。（a）（b）（c）圖2?梁的結(jié)構(gòu)和配筋示意（a）平底梁；（b）拱形拱腹梁；（c）平底梁和拱形拱腹梁的截面配筋2.3?碳纖維增強(qiáng)聚合物的應(yīng)用為了便于安裝，將所有加固梁倒置。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用過(guò)程包括3個(gè)主要步驟：表面制備和碳纖維復(fù)合材料粘接。第一步，打磨鋼筋混凝土梁的粘結(jié)表面，得到粗糙表面。表面清除污垢，用刷子在所有加固梁的表面涂上底漆，以密封縫隙和小裂縫。底漆在60?min后固化，形成一種粘稠無(wú)孔的表面。第二步是CFRP復(fù)合材料在梁上的應(yīng)用。CFRP層壓板被切割成50?mm寬，2?000?mm長(zhǎng)的板材。將層壓膠粘劑的兩部分用攪拌器攪拌3~5?min，然后將其涂在CFRP板上，形成3?mm厚的層。最后，將CFRP層壓板放在底漆的頂部，用手壓下，形成一層薄薄的1.5?mm厚的膠粘劑。所有試樣在室溫下放置8?d。2.4?試驗(yàn)過(guò)程將試驗(yàn)裝置顛倒過(guò)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示，這是因?yàn)镕RP板監(jiān)測(cè)梁的拱腹存在一定的局限性。橫梁由兩個(gè)鋼支撐塊從頂部支撐，而液壓器放置在橫梁下方，行程向上。圖3?拱形拱腹梁試驗(yàn)裝置所有梁均在凈跨2?300?mm單調(diào)靜荷載作用下進(jìn)行試驗(yàn)。梁是使用MTS執(zhí)行器加載的，其承載能力為500?kN。測(cè)試過(guò)程中，所有梁的加載速率均為2?mm/min。在兩個(gè)支撐物和跨中部分放置了微激光位移傳感器。2.5?試驗(yàn)結(jié)果與討論平底梁F–1表現(xiàn)為典型的少筋受彎破壞；當(dāng)荷載超過(guò)開裂荷載時(shí)，彎曲裂縫開始擴(kuò)展。內(nèi)部應(yīng)變儀顯示，受拉區(qū)域的鋼筋屈服于68?kN，峰值破壞荷載為78?kN。彎曲拱腹控制梁C–1的破壞模式與F–1相似，由于受拉鋼筋存在彎曲，C–1的峰值荷載低于F–1（73kN）。梁F–2在107?kN時(shí)，中間產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致脫粘（IC）破壞，見表2。C–2梁和C–3梁在88?kN和90?kN時(shí)也發(fā)生了類似的破壞。表2?試驗(yàn)結(jié)果圖4顯示了F–2和C–2的失效模式。與控制梁相比，所有加固梁的撓度（圖5）和裂縫寬度均有所減小，承載能力有所提高。（a）

（b）（c）

（d）（e）圖4?平面和彎曲拱腹梁破壞時(shí)的裂縫形式（a）梁F–1；（b）梁F–2；（c）梁C–1；（d）梁C–2；（e）梁C–3圖5?所有梁的跨中截面的荷載–撓度關(guān)系本試驗(yàn)記錄了CFRP在跨中截面的最大應(yīng)變讀數(shù)。F2梁達(dá)到了43?%的利用率，CFRP最大應(yīng)變?yōu)?7?000?μ?，CFRP層板極限應(yīng)變?yōu)??414?μ?。而C2和C3梁分別達(dá)到了27.2?%和30.6?%的利用率。C2梁和C3梁的最大CFRP應(yīng)變分別為4?622?μ?和5?213?μ?。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，與未加固的控制梁相比，加固梁的承載能力提高了20.5?%~37.2?%。隨著荷載的增加，彎曲裂縫和彎剪裂縫增多，導(dǎo)致混凝土基材與層合板之間的界面應(yīng)力增大。這導(dǎo)致了CFRP從跨中截面開始完全分層，并沿著支座方向傳遞。20?mm/m的曲率度使加固后的鋼筋混凝土梁的承載能力降低15.9?%~17.8?%，這是混凝土基材與涂有層壓膠粘劑的界面上橫向拉應(yīng)力集中導(dǎo)致的。3?結(jié)束語(yǔ)本工程回顧了利用碳纖維增強(qiáng)材料加固拱形拱腹鋼筋混凝土梁橋的現(xiàn)有研究成果并提出了一個(gè)試驗(yàn)方案，以便更加深入地理解曲率對(duì)CFRP抗彎加固拱形拱腹鋼筋混凝土梁橋利用率的影響，并與平拱腹梁做了對(duì)比。得出結(jié)論如下。（1）碳纖維布加固的平腹梁比控制平腹梁的強(qiáng)度提高了37?%。（2）