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碳纤维材料加固钢筋混凝土梁疲劳性能分析许吉增

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第14期作者：许吉增

[导读] 目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，碳纤维材料的主要特点为耐腐蚀、施工方便、强度高、质量轻，能够在不对既有结构使用造成影响时施工

        中航建设集团有限公司北京 101400
        摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，碳纤维材料的主要特点为耐腐蚀、施工方便、强度高、质量轻，能够在不对既有结构使用造成影响时施工，所以在桥梁加固中被广泛使用。目前研究大部分为加固梁静载性能，缺乏对碳纤维布加固混凝土梁疲劳性能的研究。以此，本文就对碳纤维材料加固钢筋混凝土梁疲劳性能进行分析。
        关键词：碳纤维；钢筋混凝土；疲劳测试

        引言
        纤维片材由于其比强度高、比模量大、防腐蚀、耐疲劳、与混凝土的粘结性能好以及便于施工等诸多优点而受到重视。迄今已证明了粘贴纤维片材对各种混凝土构件抗弯、抗剪和抗压加固的有效性，并在工程中得到了很好的应用。目前对碳纤维材料的研究主要集中在加固普通钢筋混凝土梁的疲劳性能方面，而对碳纤维材料加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能试验研究较少。鉴于许多混凝土结构在加固前已经存在了不同程度的钢筋锈蚀，为了模拟碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土结构的实际状况，文中对碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能进行了试验研究。试验结果表明，碳纤维布加固可以明显提高梁的疲劳寿命，减小梁的变形，提高梁的疲劳抗裂性能，为碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土结构的长期疲劳性能研究提供了试验依据。
        1 试验加载方式及测试内容
        试验梁静载破坏试验时，采取分级加载，每级荷载增量为10kN，每级荷载持续时间为5～10min。在接近开裂荷载值、极限荷载值时，加载应更谨慎，每级荷载增量为5kN，加载直至试验梁破坏。这样一方面可控制加载速度，另一方面便于观测结构挠度随荷载变化规律，了解结构各个阶段工作情况。试验过程中记录每级荷载作用下的应变和挠度，用放大镜观察裂缝，并随时记录裂缝发展情况。疲劳试验时，先分5级分级加载至疲劳荷载上限，然后卸载，再施加静载到疲劳荷载上限，反复2次，以消除加载系统各部分的间隙和检验加载系统及数据采集系统是否正常。然后以频率350次min进行疲劳试验。加载形式为等幅加载，采用载荷控制。当疲劳次数达到10万，100万，200万时，停止疲劳荷载，进行静载试验。采用千斤顶和传感器分级加载到疲劳荷载上限，量测混凝土和钢筋的应变、梁的挠度和裂缝宽度等。
        2 碳纤维材料加固钢筋混凝土梁疲劳性能分析
        2.1 试验方法
        本文试验使用浸泡通直流电方法使钢筋锈蚀速度得到提高，对受力主筋理论锈蚀率控制为6%-7%。使待锈蚀钢筋混凝土在3%NaCI溶液中浸泡，待锈钢筋利用导线和直流电源正极连接，不锈钢片和电源负极连接。利用法拉第定律对钢筋锈蚀量进行控制，使直流电源输出电流为恒流1A，所有梁都通过独立电源进行供电，持续11d。在完成加载试验之后，使锈蚀主筋取出，将钢筋表面锈蚀屋洗掉之后对剩余钢筋质量称重，得出表5钢筋实测锈蚀率，计算之后得出各个试验梁主筋的实际锈蚀率和理论值差距都不超过0.5%。静力加载和疲劳加载试验都利用三分点两点加载，纯弯段长度为500mm。为了对疲劳荷载上下限进行确定，在疲劳实试验之前实现非加固梁L1的静力加载，实测L1屈服荷载和极限荷载分别为70kN、83kN。疲劳荷载峰值为Pmax=52kN，为L1极限荷载的62%。Pmin=38kN，为L1极限荷载45%，应力比为0.73，中值设置为45kN，循环5万次，加载频率为1Hz，正弦波为疲劳加载。在疲劳加载之后实现静力加载，对试验梁极限荷载与破坏形态进行测试。静态测试使用三分点两点进行加载，全部试验梁都是单调静力加载。在正式加载之前要持续5min加20kN荷载，之后卸载20min之后开始正式加载，使加载系统各间隙消除。使用分级加载方案，使用每级递增10kN方案加载前50kN，之后递增5kN。与屈服荷载接近的时候调小增量，直到梁满足极限荷载破坏之后使加载停止。每级加载之后使梁应变、挠度稳定之后对数据收集。在静力加载过程中，利用DH3816静态应变测试系统进行收集。
        2.2 混凝土梁中钢筋的加速锈蚀
        钢筋混凝土试验梁浇注成型养护30d后，在拟锈蚀梁底部伸出的钢筋端部焊接200mm长的电线以便与通电电线相连；用环氧树脂包裹电线和钢筋端部的连接部位，以防通电过程中连接部位锈蚀脱开，导致通电过程意外中断。将梁倒置于制备好的水池中梁底朝上，在水池中注水，待梁完全湿透后，在水中加入适量的食盐，制备约5％的NaCl溶液，液面以不超过拟锈蚀钢筋底面为准。连接直流稳压稳流电源与钢筋端部的连接电线以及用作阴极的铜片，开通电源对钢筋进行锈蚀。将外加电流控制在0．2mA/cm2左右。在锈蚀过程中，定期检查并调整通过钢筋的电流，确保电流稳定。根据Faraday定理确定不同拟锈程度钢筋的通电时间。为了获取精确的钢筋锈蚀率，对破坏后的钢筋混凝土梁进行破型，取出里面的钢筋，采用游标卡尺量测钢筋断口处的截面直径，从而确定钢筋截面锈蚀率。
        2.3 受压区混凝土应变
        在疲劳荷载作用之后，通过静载得出不同荷载时试验梁混凝土应变。通过试验可以看出来，在疲劳荷载作用后，受压区混凝土应变为线性分布。简单来说，混凝土梁开裂之后利用多次重复荷载的作用，截面平均要满足平截面假定，压区边缘混凝土应力比静载弯曲抗压强度要小，根据截面高度应力为三角形分布。通过多次疲劳荷载后，未加固梁混凝土残余压的应变是最大的，之后为损伤加固梁，最小的为完好加固梁。在荷载作用相同的时候，未加固梁混凝土压应变是最小的。碳纤维布粘结层数相同，损伤加固梁混凝土压变大于完好混凝土压应变10%-20%。无论是损伤加固梁或者完好加固梁，黏贴两层碳纤维布加固梁混凝土压应变比一层加固梁要小。
        2.4 裂缝
        试验结果表明：未加固梁破坏时表现为钢筋疲劳脆性断裂后梁迅速发生大变形并丧失承载能力，加固梁破坏时表现为钢筋脆性疲劳断裂后疲劳上限稳定不了，梁承载能力有明显降低现象，但仍具有一定承载能力。未加固梁破坏截面处梁顶混凝土压碎，而碳纤维布加固梁破坏时混凝土均未压碎，说明碳纤维布减缓了加固梁跨中截面中和轴的上移，钢筋疲劳断裂时跨中截面梁顶混凝土压应变仍较小。梁中的数字代表疲劳加载次数，单位为万次，其中“0”代表第一次静载，图中加粗的裂缝为试验梁破坏时的主裂缝，裂缝均为经过预定次数疲劳加载后，停止疲劳加载，加静载至疲劳荷载上限值时，观察到的试验梁裂缝。经碳纤维布加固后梁的裂缝分布更加均匀、密集，可见用碳纤维布加固的混凝土梁的抗裂性能得到极大的改善，这对于腐蚀环境下承受疲劳荷载的混凝土结构具有十分重要的意义。
        3 结语
        （l）用CFRP布加固后的钢筋混凝土梁，其强度、刚度以及限制裂缝开展方面较未加固前有较大幅度的提高，经过200万次疲劳荷载后抗弯刚度仍大于未用CFRP布加固者32.6%。（2）3类梁的疲劳强度均满足200万次的疲劳加载。若取裂缝宽度达0.25mm时的加载次数为试验梁的正常使用疲劳寿命，则n、班类梁的正常使用疲劳寿命分别比I类梁提高29.1写和49.4%。（3）在梁体受拉区粘贴CFRP布，可提高梁体在经过疲劳加载后的抗弯极限承载能力。在本次试验中，相比工类梁，11、m类梁的抗弯极限承载能力分别提高了19.5%和32.5%。I类梁的破坏模式是受压区混凝土被压碎，经过CFRP布加固后，加固梁（H、111类梁）的极限抗压强度有所增强，其破坏模式为粘结破坏。
        在2016年滨河家园车库项目中，得到了应用，而且效果显著。

        参考文献：
        [1]万秋实，史欣鑫，宇翔.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J]. 辽宁科技大学学报，2019，042（01）：75-80.
        [2]李献勇，王瑞，徐卉.碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁力学性能研究[J].河南科学，2019，37（08）：1270-1275.