凍融循環(huán)及持載對(duì)CFRP加固高強(qiáng)混凝土梁變形性能影響

1、凍融循環(huán)及持載對(duì) CFRP加固高強(qiáng)混凝土梁變形性能影響凍融循環(huán)及持載對(duì)CFRP加固高強(qiáng)混凝土梁變形性能影響摘要：通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)與持載 對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP加固高強(qiáng)鋼筋混凝土梁變形 性能的影響。分析了不同環(huán)境作用下試驗(yàn)梁的承載力、剛度 及破壞形態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：在凍融循環(huán)單獨(dú)作用下， 試驗(yàn)梁的性能變化很?。粌鋈谂c持載耦合作用時(shí)，兩者均對(duì) 梁的性能造成不利影響，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，承受 持載梁的CFRP混凝土界面黏結(jié)性能有所下降；在凍融循環(huán) 作用下，CFRP混凝土界面存在應(yīng)力時(shí)會(huì)增大界面的劣化程 度，從而引起加固梁性能的下降關(guān)鍵詞：CFRP凍融循環(huán)；持載；高強(qiáng)

2、混凝土梁；極限承 載力；變形性能中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-2049 （ 2017）02-0026-07Abstract : The four-point bending test was conducted to investigate the influence of freeze-thaw cycles and sustained loads on the deformation performance of high strength concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced pol

3、ymer （ CFRP . The bearing capacity ， stiffness and failure mode of the test beam underdifferent environmental conditions were analyzed. The results show that the performance of test beam changes little under the action of freeze-thaw cycles. Both of the two factors have negative effects on the perfo

4、rmance of beam under the coupling action of freeze-thaw and sustained load , and the bond behavior of CFRP-concrete interface of beamunder sustained load decreases with the increase of freeze-thaw cycles. The stress of CFRP-concrete interface will increase the deteriorationdegree of the interface un

5、derfreeze-thaw cycles , and the performance of strengthened beam will decrease.Key words : CFRR freeze-thaw cycle ; sustained load ; high strength concrete beam ； ultimate bearing capacity ; deformation performance0引言CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于工程中，迄今為止已有研究？ C實(shí)了 CFR功口固混凝土梁在無(wú)復(fù)雜環(huán)境作用下的有效 性1。然而，在北方近海工程中，CFRP加固后的鋼筋

6、混凝土梁長(zhǎng)期處于凍融循環(huán)與持載耦合作用下，這將影響加固梁黏結(jié)界面及混凝土材料的長(zhǎng)期性能，因此對(duì)復(fù)雜環(huán)境作用下CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究十分必要。目前對(duì)CFRP加個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的研究大多局限于試塊2-9的單剪或雙剪試驗(yàn)，而 CFRP加固混凝土梁的實(shí)際受力更復(fù)雜，單 純的剪切試驗(yàn)研究結(jié)論能否應(yīng)用到梁等構(gòu)件中不得而知。少數(shù)梁試驗(yàn)即使采用鋼筋混凝土梁進(jìn)行研究10-17，其作用環(huán)境也多為凍融循環(huán)或持載單一因素，研究很少涉及高強(qiáng)混凝土和復(fù)雜環(huán)境的耦合作用由試塊凍融與持載耦合作用下的雙剪試驗(yàn)研究可知，耦合作用時(shí)CFRP混凝土界面性能劣化程度更明顯，因此針對(duì)單 一環(huán)境作用下 CFRP加固混凝土梁的

7、研究并不能合理分析實(shí) 際工程中加固梁的性能變化。曹大富等18的研究表明強(qiáng)度高的混凝土梁抗凍效果明顯高于強(qiáng)度低的混凝土梁?；诖爽F(xiàn)狀，本文利用自行設(shè)計(jì)的持續(xù)加載儀器對(duì)梁施加持載，對(duì) 施加了持載的 CFRP加固高強(qiáng)鋼筋混凝土梁在凍融循環(huán)作用 下的性能進(jìn)行研究，以探討凍融、持載對(duì)加固高強(qiáng)混凝土梁 剛度、承載力、破壞形態(tài)等方面的影響1試驗(yàn)概況1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)中混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60,配合比見(jiàn)表1。實(shí)測(cè)混凝土 28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為 71.43 MPa采用日本東麗 1300碳纖維布，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。采用大連凱華公司JGN型底涂膠和浸漬膠，浸漬膠抗拉強(qiáng)度為40 MPa抗壓強(qiáng)度為75 MP

8、a，彈性模量為 2 500 MPa1.2試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)鋼筋混凝土梁截面尺寸為 80 mmK 120 mm梁長(zhǎng) 900 mm, 計(jì)算跨度為800 mm上部架立鋼筋采用 26，下部受拉鋼筋 采用2XCwsya.tif ，JZ8，箍筋采用680鋼筋混凝土梁 的尺寸及配筋如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)Fig.1KG2.7mmDimension and Reinforcement of Concrete Beam ( Unit : mmHL)TS)WT5BZST5BZHT5SS養(yǎng)護(hù)28 d后，打磨掉混凝土梁上待貼CFRP布位置處的浮漿。將760 mm70 mm的CFRP布條粘貼在梁底部，所有試 驗(yàn)梁均粘貼2層。為防止CF

9、RP布與混凝土界面發(fā)生端部滑 移，在端部分別粘貼 2層70 mm寬的CFRP布條。CFRP布粘 貼位置如圖2所示，粘貼方法參照文獻(xiàn) 19。1.3持續(xù)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁有3種持載等級(jí)：L0 (0 kN), L30 (9 kN), L60 (18 kN),分別為未粘貼CFRP布混凝土梁極限承載力的0% 30%60%持載通過(guò)自行設(shè)計(jì)的持載器施加到混凝土梁上(圖3),用夾式引伸計(jì)測(cè)量2個(gè)加載點(diǎn)處混凝土梁至持載器底板的豎 向位移，加載到預(yù)定荷載時(shí)停止加載并記錄夾式引伸計(jì)的讀 數(shù)；卸載并重復(fù)上一步驟，當(dāng)相鄰2次加載結(jié)束且?jiàn)A式引伸計(jì)讀數(shù)相差小于5%寸停止重復(fù)，此操作可消除梁與支座接觸不良而造成的誤差。再次加

10、載到預(yù)定荷載，擰緊螺母后卸載， 調(diào)整螺母使夾式引伸計(jì)的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)值1.4凍融循環(huán)試驗(yàn)凍融試驗(yàn)采用快凍法進(jìn)行，凍融前將試驗(yàn)梁浸泡5 d。平均每次凍融循環(huán)時(shí)間為 3 h，混凝土試件中心溫度上限和下 限分別為（82）C和（-17土2）C，凍融循環(huán)在清水中進(jìn) 行，凍融循環(huán)次數(shù)取 100 , 200, 300三個(gè)等級(jí)1.5試驗(yàn)梁編號(hào)試驗(yàn)采用12根梁，分別作用于不同環(huán)境下，試驗(yàn)參數(shù)設(shè) 計(jì)如表3所示1.6加載試驗(yàn)采用100 t電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載， 加載速度控制為0.2 mm min-1。試驗(yàn)中主要采集以下數(shù)據(jù)： 通過(guò)10t荷載傳感器測(cè)量施加在試驗(yàn)梁上的實(shí)際荷載；通過(guò)線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器（

11、LVDT測(cè)量混凝土梁跨中撓度； 通過(guò)粘貼在CFRP布上的應(yīng)變片對(duì) CFRP片材的應(yīng)變進(jìn)行測(cè) 量，每根試驗(yàn)梁CFRP表面粘貼13個(gè)應(yīng)變片；通過(guò)粘貼在 混凝土梁側(cè)面的5個(gè)應(yīng)變片來(lái)測(cè)量梁的側(cè)面變形情況；通過(guò)預(yù)埋應(yīng)變片測(cè)量混凝土中縱向受力鋼筋的應(yīng)變，判斷鋼筋屈服情況；用Supereyes超眼電子顯微鏡測(cè)量混凝土梁側(cè) 面的裂縫寬度，觀察混凝土裂縫發(fā)展情況，并記錄混凝土開(kāi) 裂荷載及梁達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時(shí)的荷載。除裂縫寬度 外，所有數(shù)據(jù)均由動(dòng)態(tài)IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。試驗(yàn)梁 測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1極限承載力表4為持載和凍融循環(huán)作用下各試驗(yàn)梁的試驗(yàn)結(jié)果。圖5為試驗(yàn)梁的極限荷載曲線(xiàn)。由圖

12、5可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，L0持載梁的極限承載力并未下降，這是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土耐凍性強(qiáng)，凍融循環(huán)對(duì)不持載梁的侵蝕較小，且凍 融過(guò)程中混凝土?xí)^續(xù)水化使得其強(qiáng)度得到一定程度的增 強(qiáng)2 ; L30，L60持載梁的極限承載力有明顯下降，說(shuō)明持 載會(huì)顯著增大凍融循環(huán)對(duì)CFRP加固梁的侵蝕程度；L60較L30持載梁的極限承載力下降更顯著，其原因主要為L(zhǎng)60持載梁在凍融循環(huán)過(guò)程中是帶裂縫工作的，裂縫處的混凝土及環(huán)氧樹(shù)脂膠層直接與凍融溶液接觸，裂縫中溶液結(jié)冰膨脹使得附近CFRP混凝土界面應(yīng)力增加，從而使其受凍融循環(huán)的 侵蝕更加充分100次凍融循環(huán)時(shí)，L0，L30持載梁極限承載力相近，且 較初始時(shí)都未

13、曾下降，表明在短期凍融循環(huán)下，小于開(kāi)裂荷 載的持載等級(jí)對(duì)梁的承載力影響很??；L60持載梁極限承載力比L0持載梁降低4%且較初始時(shí)也有所下降，表明無(wú)論 是否處于凍融循環(huán)下，較高等級(jí)的持載均對(duì)梁的承載力有明 顯的不利影響與凍融前相比，凍融循環(huán) 200次時(shí)，L30持載梁極限承載力下降5.5%, L0持載梁極限承載力沒(méi)有下降，說(shuō)明凍融循 環(huán)200次以后，低等級(jí)持載也會(huì)顯著增大凍融循環(huán)對(duì)梁的侵 蝕。這與L60持載梁通過(guò)裂縫增大侵蝕的機(jī)理不同。由于承 受持載，在梁有效長(zhǎng)度內(nèi)CFRP混凝土界面始終有切應(yīng)力作用，切應(yīng)力與凍融循環(huán)共同作用時(shí)會(huì)加速CFRP混凝土界面的裂化2，5，從而使梁承載力下降圖6為試驗(yàn)梁出現(xiàn)

14、10條裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，持載等級(jí)對(duì)梁裂縫的開(kāi)展影響顯著。在0，100，200，300次凍融循環(huán)作用下，L60持載等級(jí) 的試驗(yàn)梁F1值分別下降了 8% 15.4%，15.2%，18.9%。結(jié)果 表明，持載作用會(huì)加速加固梁裂縫的開(kāi)展，使得梁的延性變 差2.2跨中撓度圖7為各持載等級(jí)試驗(yàn)梁在經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)后的荷載-撓度曲線(xiàn)。由圖 7可以看出：經(jīng)受相同次數(shù)凍融循環(huán)的 試驗(yàn)梁在荷載大于15 kN后（由表4可知15 kN時(shí)所有試驗(yàn) 梁都已開(kāi)裂），承受荷載相同時(shí)，持載等級(jí)越高的試驗(yàn)梁其 跨中撓度越大；未受凍融循環(huán)時(shí)，不同持載等級(jí)梁的荷載-撓度曲線(xiàn)相差不大。 這說(shuō)明持載對(duì)

15、梁剛度的影響在凍融循環(huán) 作用下更明顯，其原因?yàn)閮鋈跁r(shí)承受持載越大，梁的CFRP-混凝土界面劣化情況越嚴(yán)重，使得在相同荷載作用下，持載大的梁裂縫發(fā)展更快，CFRP更容易剝離。未受凍融循環(huán)作用 時(shí)，持載對(duì)梁的剛度影響較緩慢，試驗(yàn)中施加持載的時(shí)間不 足以對(duì)梁的剛度產(chǎn)生顯著影響由圖7 (b)(d)可以看出：100, 200次凍融循環(huán)時(shí)，相同凍融循環(huán)次數(shù)各持載等級(jí)的試驗(yàn)梁在加載前期荷載-撓度曲線(xiàn)幾乎相同，說(shuō)明凍融循環(huán)200次及以下時(shí)，開(kāi)裂荷載前梁的剛度沒(méi)發(fā)生變化；300次凍融循環(huán)時(shí)，各持載等級(jí)的試驗(yàn)梁在加載前期荷載-撓度曲線(xiàn)便不同，說(shuō)明凍融循環(huán)300 次時(shí)，開(kāi)裂荷載前梁的剛度已發(fā)生變化圖8為持載等級(jí)L6

16、0的各試驗(yàn)梁開(kāi)裂前荷載-撓度曲線(xiàn)。F0, F100, F120, F300 分別為凍融循環(huán) 0, 100, 200, 300 次的試驗(yàn)梁編號(hào)。加載至2 kN后數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，取212 kN 部分進(jìn)行試驗(yàn)梁線(xiàn)性階段剛度分析，結(jié)果如表5所示。本文將試驗(yàn)梁出現(xiàn)裂縫之前的剛度稱(chēng)為開(kāi)裂前剛度。由表5可見(jiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)越多，試驗(yàn)梁開(kāi)裂前剛度降低的程度越大，凍 融循環(huán)300次后開(kāi)裂前剛度已降低 38.2%。這說(shuō)明凍融循環(huán) 對(duì)承受L60等級(jí)持載梁的開(kāi)裂前剛度有顯著影響2.3 破壞形態(tài)所有試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)及破壞過(guò)程中裂縫的發(fā)展情況大致相同。取凍融循？ h200次的梁進(jìn)行分析，其破壞形態(tài)如圖9所示。加載初期，梁處于

17、彈性階段，隨著荷載的增加在純彎段首先出現(xiàn)幾條豎向裂縫，且裂縫出現(xiàn)于距離梁底面 3cm左右位置，繼而向梁上下 2個(gè)方向擴(kuò)展。這是因?yàn)榱旱酌嬲迟N有CFRP布，約束了附近混凝土的開(kāi)裂。當(dāng)荷載繼續(xù)增加 時(shí)，在剪彎段出現(xiàn)斜裂縫，靠近加載點(diǎn)處的斜裂縫發(fā)展為主 裂縫，破壞是由主裂縫處CFRP剝離引起的，破壞形態(tài)屬于中部彎剪裂縫引起的界面剝離破壞20。由圖9可知，凍融循環(huán)均為200次時(shí)，承受持載越大的梁破壞時(shí)剝離 位置距離跨中越近。 這說(shuō)明200次凍融循環(huán)對(duì)加固梁抗彎性 能的影響大于對(duì)抗剪性能的影響。持載L60梁跨中裂縫數(shù)量明顯少于持載L0，L30，說(shuō)明帶裂縫凍融的梁延性顯著降低 對(duì)比所有試驗(yàn)梁破壞后 CFR

18、P布粘下混凝土的厚度情況，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為 F200L30, F200L60, F300L30, F300L60 的梁 CFRP 布粘下的混凝土明顯少于其他梁。這說(shuō)明凍融循環(huán)達(dá)到200次后，持載與凍融耦合作用會(huì)對(duì)CFRP混凝土界面造成較為明顯的不利影響，使得膠層與混凝土的黏結(jié)力減弱，CFRP-混凝土界面更容易剝離。這也是破壞形態(tài)相同的情況下這4根梁極限承載力低的原因之一運(yùn)用MATLAB計(jì)算后，各試驗(yàn)梁剝離截面彎矩計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表 6所示由表6可知，未經(jīng)受凍融循環(huán)的加固梁應(yīng)用上述公式計(jì)算 結(jié)果偏安全，而經(jīng)受凍融循環(huán)后，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果低于試驗(yàn) 值的情況。這是因?yàn)槲词軆鋈谘h(huán)的加固梁CFRP混凝

19、土界面強(qiáng)度高，界面剝離擴(kuò)展速度慢，使得梁截面各材料可以繼續(xù)受力，因此試驗(yàn)值會(huì)高于采用設(shè)計(jì)值得到的計(jì)算結(jié)果。經(jīng) 受凍融循環(huán)的試驗(yàn)梁，其CFRP混凝土界面強(qiáng)度較弱，剝離發(fā)生時(shí)迅速延伸，截面混凝土受壓區(qū)高度變小，從而使得試 驗(yàn)得到的界面彎矩低于計(jì)算值3結(jié)語(yǔ)（1 ）在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，持載等級(jí)越高的梁極限承載力與剛度下降越大。L0，L30，L60持載梁凍融循環(huán)300次后承載力分別下降 0% 6.76%，7.76%，凍融循環(huán)作用下裂 縫的存在會(huì)顯著增加梁性能的劣化程度（2）持載等級(jí)為L(zhǎng)60的加固梁在經(jīng)受300次凍融循環(huán)后， 其開(kāi)裂前剛度下降 38.2%，可見(jiàn)凍融循環(huán)對(duì)持載梁開(kāi)裂前剛 度有較大影響（3）

20、凍融循環(huán)200次時(shí)，L60持載梁跨中裂縫數(shù)量明顯少 于持載L0，L30，可知持載等級(jí)高的梁經(jīng)受凍融循環(huán)后延性 顯著降低（4）加固梁經(jīng)受凍融循環(huán)以后，采用材料設(shè)計(jì)值計(jì)算得到的剝離荷載偏小，甚至?xí)陀谠囼?yàn)值。建議進(jìn)一步研究?jī)?融循環(huán)后加固梁各材料強(qiáng)度的下降規(guī)律，以得出合理的用于計(jì)算加固梁剝離荷載的模型參考文獻(xiàn)：1 張益多，劉榮桂.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用綜述J. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003, 24（6）： 91-94.ZHANG Yi-duo , LIU Rong-gui.Survey on Research and Application of Strengthening Techn

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