CFRP加固對拱形拱腹混凝土橋梁性能的影響

1?工程概況隨著社會進步和科技發(fā)展，以大量鋼筋混凝土材料為基礎(chǔ)的橋梁結(jié)構(gòu)在各國家都得到了大量應用，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)件隨著時間的磨損消耗，橋梁的承載力不可避免地受到了影響，導致橋梁在達到預期壽命前就無法繼續(xù)正常使用。例如，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，美國有超過5萬座存在不同程度的結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁需要修復和加固，而且州和地方橋梁的主要缺陷會隨著交通負荷的增加而加劇。破損的鋼筋混凝土（以下簡稱RC）橋梁外部加固研究中已經(jīng)應用了各種創(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，也沒有辦法解決腐蝕的問題，增加了構(gòu)件的荷載，并且在加固過程中需要使用重型機械升降。在過去的幾十年里，使用纖維增強聚合物（以下簡稱FRP）加固結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用，因為FRP強度高、重量小、易于安裝且能夠滿足耐腐蝕的要求，維護起來也較方便。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)強度。碳纖維增強聚合物（以下簡稱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現(xiàn)FRP與混凝土之間的應力傳遞，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，并進行了大量的試驗，建立了許多理論模型來理解并控制脫粘過程。此外，一些學者還對FRP加固的平拱腹鋼筋混凝土梁的破壞進行了理論和試驗研究。盡管曲面拱腹梁已經(jīng)得到了廣泛應用，但FRP加固對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力，一旦這些拉應力超過混凝土的抗拉強度，CFRP中間體在彎曲或彎曲–剪切裂縫的尖端就會過早脫膠。脫粘現(xiàn)象向碳纖維的末端傳播，在應變遠低于碳纖維布的斷裂應變時造成完全分層，導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根梁的詳細情況及試驗結(jié)果。表1?碳纖維布加固受彎拱腹混凝土梁的試驗研究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：當曲率度為5?mm/m時，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降低。曲率度是指，如果在曲面上保持1?m長的直線，那么直線與曲面之間的最大距離為5?mm。此外，還有學者對碳纖維布加固混凝土節(jié)點上的彎拱拱腹的性能進行了分析，建立了計算使用階段時拱腹面應變分布的理論模型。Aiello等的試驗結(jié)果表明，曲率的存在導致極限承載力降低，導致CFRP片材與混凝土基材脫膠。2?試驗方案本研究的主要目的是研究曲率對用CFRP加固的拱形拱腹RC橋梁性能的影響。本試驗方案測試了5根梁。其中2根是平底梁；一個未加固（F–1），一個用CFRP層板加固（F–2）。另外3根是拱形拱腹梁；一個未加固（C–1），兩個相同的梁用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，并對這些材料進行了測試，以確定其力學性能?；炷猎噳K60?d抗壓強度為48.7?MPa，符合美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）標準。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?試樣細節(jié)梁的結(jié)構(gòu)和配筋細節(jié)如圖2所示。所有測試梁的長度為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受壓鋼筋進行加固。受拉鋼筋彎曲，以便沿梁提供一致的保護層。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?碳纖維增強聚合物的應用為了便于安裝，將所有加固梁倒置。碳纖維復合材料的應用過程包括3個主要步驟：表面制備和碳纖維復合材料粘接。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，形成一種粘稠無孔的表面。第二步是CFRP復合材料在梁上的應用。CFRP層壓板被切割成50?mm寬，2?000?mm長的板材。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?試驗過程將試驗裝置顛倒過來進行試驗，如圖3所示，這是因為FRP板監(jiān)測梁的拱腹存在一定的局限性。橫梁由兩個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?拱形拱腹梁試驗裝置所有梁均在凈跨2?300?mm單調(diào)靜荷載作用下進行試驗。梁是使用MTS執(zhí)行器加載的，其承載能力為500?kN。測試過程中，所有梁的加載速率均為2?mm/min。在兩個支撐物和跨中部分放置了微激光位移傳感器。2.5?試驗結(jié)果與討論平底梁F–1表現(xiàn)為典型的少筋受彎破壞；當荷載超過開裂荷載時，彎曲裂縫開始擴展。內(nèi)部應變儀顯示，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，中間產(chǎn)生裂紋導致脫粘（IC）破壞，見表2。C–2梁和C–3梁在88?kN和90?kN時也發(fā)生了類似的破壞。表2?試驗結(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)系本試驗記錄了CFRP在跨中截面的最大應變讀數(shù)。F2梁達到了43?%的利用率，CFRP最大應變?yōu)?7?000?μ?，CFRP層板極限應變?yōu)??414?μ?。而C2和C3梁分別達到了27.2?%和30.6?%的利用率。C2梁和C3梁的最大CFRP應變分別為4?622?μ?和5?213?μ?。通過試驗結(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，導致混凝土基材與層合板之間的界面應力增大。這導致了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力集中導致的。3?結(jié)束語本工程回顧了利用碳纖維增強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試驗方案，以便更加深入地理解曲率對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度提高了37?%。（2）