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碳纤维布加固的钢筋砼吊车梁的抗弯疲劳性能
摘 要：为研究碳纤维布(CFRP)对加固后钢筋混凝土梁的抗弯疲劳性能的影响，进行了三根CFRP加固梁及一根对比梁的抗弯疲劳试验。研究了碳纤维布加固方式、构件使用荷载等参数对碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁抗弯疲劳性能的影响。试验研究表明：采用碳纤维布加固后，构件裂缝的宽度减小了5O.2 ～66 ，发展速度也得到控制，钢筋应力减小24.1 ～28.2 ，构件的刚度提高14.9 ～16.1 。依据试验结果，从现有规范中关于构件刚度计算以及寿命分析的方法出发，进行了CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳刚度、寿命的计算分析，理论分析结果表明，用这种方法计算得到的结果可以满足工程上对精度的要求。最后以试验结果为基础，对CFRP加固梁的疲劳设计提出了合理化建议。
关键词：土木建筑结构;钢筋混凝土吊车梁;结构加固;疲劳试验;碳纤维布
碳纤维复合材料(CFRP)作为一种新型的结构加固材料，因具有质量轻、强度高、耐腐蚀等优点L1 而被广泛应用于工程加固领域。中国工程建设标准化协会也已制定出相应的碳纤维加固规程口](以下简称“规程”)。但规程仅给出了加固构件的短期承载受力性能，对于CFRP加固构件的长期受力性能，即加固构件的抗疲劳性能没有相应的设计规定，使CFRP在桥梁等承受疲劳荷载的构件加固设计时缺乏理论基础，所以对CFRP加固构件的长期受力性能的研究迫在眉睫。对这一课题研究最早的是瑞士，于上世纪9O年代初就进行了初步研究，美国等国家也于上世纪9O年代末进行了研究口 ]，国内目前也有学者进行了部分试验研究口 ]。Barnes[3 通过试验研究认为构件的破坏主要是由于梁内钢筋的疲劳断裂所致，而BaluchL4 在随后的论文中发表观点认为Barnes试验中构件的破坏始于CFRP 的剥离。
Papakonstantinoul5]通过对试验数据的分析发现，在相同荷载下，加固构件的挠度及裂缝的宽度较未加固梁没有明显改善，这与其他试验结论也有出入。基于以上矛盾，作者进行了CFRP加固梁的抗弯疲劳试验，通过试验的方法探讨加固构件的疲劳破坏机理。
1、试件设计
1.1 试件设计原理试验中采用的梁以工程中常见的中级工作制的吊车梁为研究背景，采用T型截面，跨度3 m，为某工业厂房吊车梁的1/2比例缩尺模型。由于本试验将研究重点放在CFRP对梁抗弯加固性能的影响，所以试验中通过分配梁将荷载对称分配于梁三分点处，在跨中形成纯弯段;构件配筋设计时也作相应处理，确保构件不发生弯曲破坏以外的其他破坏模式。
梁的几何参数及配筋参数如图1所示。实测受拉钢筋的屈服强度为409.5 MPa，抗拉强度为578.6 MPa;受压区钢筋、架立筋、箍筋屈服强度为338.3 MPa，抗拉强度为509 MPa;实测混凝土抗压强度为2O.64 MPa;采用L200-C碳纤维布，厚度0.111 mm，抗拉强度3500 MPa，弹性模量235 GPa;胶粘材料采用YZJ—C碳纤维粘结专用结构胶。
1.2 试验方案为模拟工程实际情况，本试验在方案设计时，首先采用静压的方式使构件受弯区主裂缝达到工程容许的最大裂缝宽度(O.2 mm)，再采用CFRP对构件进行加固，为对比加固效果，试验中分别采用不同的加固方式及不同的荷载水平，构件的具体编号及试验方案设计见表1。
在纯弯段上下两层钢筋中每间隔225 mm布置应变片以测量钢筋的应力;在跨中沿截面高度方向布置应变片，测量混凝土应变及截面沿高度方向的应变分布情况;在支座处布置位移传感器测量支座变形，在跨中布置静态位移传感器及拉弦式位移传感器，测量跨中的静态挠度变化，并实时监测梁在疲劳过程中的动态挠度变化情况。
试验中采用静态应变采集仪(DH3818)采集静态数据，采用动态应变采集仪(DHDAS)采集动态应变及动挠度数据。试验在MTS疲劳试验机上进行，试验过程参照相关规范m ，试验加载频率厂一4～6 Hz。
2、试验研究
2.1 试验现象B0梁在疲劳试验前首先进行一次静载试验，分五个等级，每级5 kN;当荷载加至10 kN时，在梁纯弯段及剪跨段产生裂缝，随着荷载的增加，裂缝向上发展，宽度增加;静载试验反复进行两次，待裂缝发展稳定后进行疲劳试验。疲劳循环为1万、2万、10万次时的静载试验发现裂缝高度及宽度增加较快，伴有新裂缝产生，裂缝间距趋于均匀，平均间距为8.6 cm，部分剪跨段主裂缝交?[;在10万至210万次循环之间，没有新裂缝出现，裂缝宽度增加缓慢;至210万次时停止循环，对梁进行静压破坏。当荷载增加到6O kN 时，构件的挠度发展较快，随后采用挠度控制加载，当构件挠度达到60 mm时，挠度呈现出不稳定现象，最终挠度发展到65 mm 时，受压区混凝土压碎，受拉区裂缝间混凝土沿保护层开始剥落，标志构件达到破坏，停止试验。
Bla梁首先采用静压方式，使受弯段主裂缝宽度达到0.2 mm，此时对应的荷载为50 kN，跨中挠度为5.45 mm。之后对该梁进行CFRP加固，并按照规定养护一周后进行疲劳试验。在加固后的静压试验中发现，主裂缝宽度减小至0.1～ 0.12 mm，其他裂缝的宽度也有所减小。循环1万次后，停止加载，进行静载试验，发现裂缝扩展很慢，已有裂缝向上扩展，伴有少许新裂缝。循环至3万次时，裂缝扩展较快，在原有裂缝之间产生新裂缝，并向梁截面核心方向发展，但此时裂缝的宽度增加较小，均在0.15 mm 以内。加载至5.7375万次时，梁端部CFRP连同混凝土保护层一起发生剥离，如图3所示，同时跨中CFRP发生断裂。将疲劳上限调整为6O kN，使钢筋应力与CFRP未脱落前应力相同，继续循环5573次时，梁底钢筋断裂，停止试验，构件极限挠度为38.2mm，此时受压区混凝土没有压碎的迹象。
BIB梁的试验过程及试验参数同Bla梁，只是在Bla加固的基础上采用碳纤维U 型箍锚加固(见图4)，以研究U 型箍对构件抗疲劳性能的作用。研究表明：由于U 型箍的使用，梁底粘结树脂的剪切变形减小，从而使纵向受拉的CFRP更有效地参与受力，提高加固构件的抗疲劳性能。
构件的挠度及混凝土、钢筋、CFRP的应变在初始2万次循环后趋于稳定;在随后的2～7万次疲劳循环中，构件挠度以及材料(钢筋、混凝土及cFRP)的应变发展比较缓慢;当构件循环至7.53万次时，构件挠度增长迅速，继续循环4800次，构件底部CFRP发生断裂(见图5)，停止试验，发现梁底两根钢筋均发生断裂。构件极限挠度为41.3 mm，受压区混凝土未发生压碎现象。
Blc梁的试验同B1b梁，在循环到12.88万次时，构件挠度出现不稳定现象，表明构件被破坏，破坏时的极限挠度为28.5 mm，试件破坏时，其受压区混凝土未发生压碎现象。
2.2 混凝土的应变及控制截面应变图6为各个试验梁的控制截面应变与循环次数关系图。由图6知，构件截面平均应变基本符合平截面假定;加固后构件混凝土应变减小，说明由于CFRP参与受力，材料的受力更趋于合理。
图中钢筋应变值偏大的原因主要是由于钢筋应变片较少，且靠近裂缝，没有考虑到钢筋应变分布的不均匀性。
2.3 钢筋及CFRP的应变图8为各试验梁在疲劳卜限荷载下钢筋及CFRP应变在整个寿命周期中的变化f}}I线。由图8可知：钢筋应变发展明显分为3个阶段，与混凝土应变发展规律类似。对比B1b、Blc寿命发现，由于碳纤维U型箍的存在，保证了CFRP不发生剥离，从而提高了受拉区CFRP的工作效率，使其在整个寿命中都能有效地参与受力。同时，从CFRP应变数据还可以发现，随着损伤的发展，其应变增加，说明CFRP在构件寿命后期更能有效地参与受力。
图9为Bla试验梁钢筋及CFRP在不同损伤情况下的荷载一应变曲线。
图10给出了由动态应变采集仪采集到的各个梁在整个寿命周期内钢筋的应变值。
2.4 梁的变形图11给出了由动态应变采集仪采集到的各试件梁跨中在整个寿命周期内挠度的动态变化值。由图可以发现，构件的挠度变化同材料的变形规律一样，也有明显的二阶段变形规律。由图11可以发现，B0梁未出现第三阶段的挠度突变，说明其在经过210万次循环后，构件未被破坏。
对比Bla与B1b，可以发现：CFRP的剥离是构件破坏的主要模式之一，属于脆性破坏。由于碳纤维U型箍的存在，限制了受拉区CFRP的滑移，防止了CFRP的剥离，有效地延长了其工作寿命及提高了工作效率，控制了构件挠度的发展。
3、CFRP加固吊车梁疲劳刚度分析构件刚度是工程上判断梁损伤情况的主要参数。为更好地推广该技术，尝试以现有的混凝土疲劳研究结论及规范中采用的刚度计算方法为基础，采用换算截面法进行CFRP加固构件的疲劳刚度研究，基本假定如下：
(1)梁截面满足平截面假定。
(2)CFRP材料与混凝土之间粘结良好，无滑移。
(3)不考虑受拉区混凝土的作用，拉力由受拉区钢筋及CFRP承担;受压区混凝土的法向应力图形为三角形。
(4)钢筋及CFRP是线弹性材料。
(5)混凝土的疲劳变形模量为E — E e /(e +e ) (1)式中： 为混凝土弹性应变，取荷载上限时混凝土的应变;e 为混凝土残余应变，其具体表达式参见文献[1O]。
对中和轴求惯性矩得blh r(z。一h r/2)+ b(027。一h r)。/2一afA (厶。一z0)+a『『A r( 一z0)。 (2)式中： 一E /E{和 I『/一E ，/K(分别为钢筋、CI~'Rp的弹性模量与混凝土疲劳变形模量的比值。
梁的疲劳刚度为1B 一Eli =÷E [6卜rj一(6 r一6)(z。一h r)。]+0A ( 。一z。) + E A (h— z( )。 (3)4 加固梁疲劳寿命分析钢筋混凝土构件的疲劳寿命主要取决于钢筋的疲劳寿命。国内外疲劳试验的资料表明：影响钢筋疲劳强度的主要因素为钢筋疲劳应力幅。目前，国内外关于钢筋疲劳寿命常采用 N 法，其疲劳寿命曲线方程式如下logN — A + mlog(Aa)式中：N 为疲劳失效时的总循环次数;△ 为钢筋应力幅;A 为钢筋s—N 曲线截距;Ⅲ 为钢筋s—N曲线斜率。
对本试验中钢筋的应力寿命数据统计分析，结果见表2。将本实验中得到的钢筋 N 曲线与相关研究得到的 N 曲线对比发现：本实验得到的钢筋的寿命较长，其原因主要有以下几点：①试验中测量的钢筋应变为特定点的应变值，没有考虑钢筋在长度方向上的应力变化，且实测钢筋应变点距离构件裂缝较近，所以本分析中钢筋的应力值偏大;②CFRP在构件寿命后期限制了构件变形的发展，使钢筋的应力在整个寿命周期内变化不大，达到了提高钢筋使用寿命的目的;③ 本试验中钢筋的受力不是轴心抗拉，而是有一个应力梯度，从而提高了钢筋的使用寿命。
以上得到的 N 曲线可供工程加固设计及使用时参考。
5、结 论
(1)CFRP加固构件的抗弯疲劳试验一般有两种破坏模式：① 破坏始于端部CFRP的剥离，导致构件的破坏，这种破坏模式一般发生在CFRP没有进行足够锚固处理的情况下;② 破坏一般始于梁内钢筋的疲劳断裂，导致CFRP应力急剧增加而断裂，继而破坏构件，这种破坏模式发生在对受拉CFRP进行足够U型箍锚固处理的情况下。
(2)在有足够锚固的前提下，加固构件的使用荷载不宜高于杆件极限承载力的6O.1 。
(3)通过粘贴CFRP，使CFRP参与构件受力可以有效地减小钢筋的应力，钢筋应力减小为24.1 ～28.2 ;加固后构件裂缝的宽度减小幅度为5O.2 ～66 ，结构的使用性能得到提高。
(4)粘贴CFRP后，构件的疲劳刚度得到提高，提高幅度为14.9 ～16.1 。
(5)进行了CFRP加固梁的疲劳刚度分析，得到一种简单准确的分析方法，可以满足工程设计的可靠性要求。
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