随着我国经济的快速发展, 采用钢筋混凝土的桥梁、吊车梁、高速铁路等结构或构件长期承受疲劳荷载的作用, 当这些结构或构件在疲劳荷载作用下发生不同程度的损伤后, 则需要加固。碳纤维增强复合材料 (CFRP) 布因其质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀和施工操作方便等优点广泛应用于钢筋混凝土结构加固中。若混凝土受弯构件发生疲劳损伤, 采用CFRP布加固后, 仍需要承受疲劳荷载, 则二者界面的疲劳粘结性能对加固后构件的受荷效果起着决定性作用。

　　 目前, 国内外学者对CFRP布-混凝土界面的静力粘结性能研究较成熟^[1,2,3];疲劳荷载下CFRP布加固钢筋混凝土构件的研究主要针对构件的整体疲劳性能^[4,5,6,7,8], 对疲劳荷载下构件的疲劳粘结性能研究甚少^[9], 尤其是对已产生疲劳损伤的钢筋混凝土受弯构件进行CFRP布加固后的疲劳粘结性能研究, 尚未见相关报道。本课题组已进行CFRP布加固的不同损伤程度钢筋混凝土 (RC) 梁, 在静力荷载作用下, CFRP布-混凝土界面粘结性能的试验研究, 分析了损伤参数对二者粘结性能的影响, 结果表明, 加固梁的剥离荷载与原RC梁损伤程度呈反比, 而与预应力度呈正比^[10]。本文针对产生疲劳损伤的RC梁进行CFRP布加固, 再对其进行疲劳荷载试验, 研究不同荷载幅值和不同损伤程度对CFRP布-混凝土界面粘结层疲劳性能的影响。

　　 本试验选用文献[11]中已产生不同程度疲劳损伤的两根矩形截面和两根T形截面RC梁为加固对象, 研究不同损伤程度对加固梁界面粘结性能的影响。各RC梁的截面尺寸及配筋如图1所示。RC梁的长度为4 300mm, 计算跨度为4 000mm, 受压和受拉纵向钢筋采用HRBF500, 混凝土强度等级为C50。加固前RC梁的损伤程度为最大裂缝宽度达0.2mm, 受拉钢筋的最大应力达270.7MPa, 远小于其强度标准值500MPa;试验结束后卸载, 钢筋应力基本恢复至0, 裂缝闭合。加固时, 在各RC梁底部, 粘贴一层宽度等于梁底面宽, 长度为3 800mm的CFRP布, 如图2所示。CFRP布厚度为0.11mm。加固所用材料参数见表1。

　　 本试验试件已在前期疲劳试验下产生不同程度的损伤, 为了研究损伤程度对加固后试验梁粘结层疲劳性能的影响, 需确定各试件损伤程度。根据已有研究成果^[10,11,12], 定义梁损伤参数ψ与试验梁相对刚度ΔB有关, 见公式 (1) 。损伤参数ψ随试验梁刚度的减小逐渐增大, 当试验梁破坏时, 定义ψ为1, 即ψ∈ (0～1) 。

　　 本试验中, B₀为试验梁无损伤时的初始抗弯刚度, 采用公式 (3) 计算:

　　 式中:E_c为混凝土弹性模量;I₀为试验梁换算截面惯性矩。

　　 B_n为试验梁经n次疲劳荷载作用后的抗弯刚度, 根据结构力学中简支梁跨中挠度的计算方法, 由试验梁跨中挠度反推出抗弯刚度:

　　 式中:P_max为最大疲劳荷载^[11];l₀为试验梁计算跨度;f_n为n次疲劳试验后试验梁的跨中最大挠度^[11], 本试验中n=250万。

　　 各试件的刚度损伤参数计算值见表2。

　　 疲劳试验中采用分配梁对试验梁进行三分点加载, 加载示意图见图2。将试验的参数变量设计为两个, 分别为加固前试验梁的损伤参数和试验疲劳幅值, 具体的参数设置情况见表3, 其中疲劳幅值T的计算公式如下:

　　 式中:P_max和P_min分别为最大和最小疲劳荷载;P_u为极限荷载。

　　 四根试验梁在疲劳荷载作用下有相似的破坏过程:1) 初始加载至最大疲劳荷载时, 试验梁两加载点之间出现多条裂缝, 裂缝均为试验梁原损伤裂缝的重新开展, 且裂缝的形态表现为中间宽、两端窄, 说明CFRP布对试验梁底部混凝土有一定的约束作用。2) 疲劳试验过程中, 裂缝均呈一张一合状, 有向上发展的趋势且有新的裂缝产生, 这一现象在两加载点处最为明显。主裂缝出现在加载点附近, 其裂缝宽度随加载次数的增加不断增大, 当加载次数达到一定数值时, 在主裂缝根部两侧的CFRP布出现局部可视剥离, 并随着加载次数的增加向两端发展。3) 加载达到试验梁疲劳寿命时, 加载现场产生剧烈噼啪声, CFRP布迅速剥离或者断裂, 见图3。

　　 各试验梁具体破坏模式为:1) JGL-1梁在加载次数达到100万次时, 两加载点之间的底部出现交叉状斜裂缝, 最大裂缝宽度为1mm, CFRP布出现局部可视剥离, 剥离长度为382mm;加载次数达到142万次时, CFRP布从试验梁的一端完全剥离。2) JGL-2梁在加载次数达到119.3万次时, 两加载点处出现多条裂缝, 最大裂缝宽度为1.2mm, CFRP布出现局部可视剥离, 剥离长度为250mm;加载次数达到132万时, 剥离长度达到286mm, 剥离快速向两端发展, 并伴有剧烈的噼啪声, 最终CFRP布在加载点处断裂。3) JGL-3梁在加载次数达到50万次时, 试验梁底部出现交叉状斜裂缝, 最大裂缝宽度为1.02mm, CFRP布出现局部可视剥离, 剥离长度为310mm;加载次数达到55万次时, 剥离长度达到421mm, CFRP布和试验梁在加载点处发生断裂破坏。4) JGL-4梁在加载次数达到3.98万次时, 距试验梁跨中40cm处裂缝突然增大到0.8mm, CFRP布出现局部可视剥离, 剥离长度为956mm;加载次数达到4万次时, 剥离长度达到1 334mm, CFRP布发生断裂破坏。

　　 在试验过程中, 测出了四根试验梁在不同加载次数时的CFRP布剥离长度, 为了研究初始损伤和疲劳幅值对CFRP布剥离扩展速率的影响, 定义CFRP布剥离扩展速率, 见公式 (6) , 并计算出各试验梁的扩展速率, 见表4。

　　 通过表4对比分析可知, 当试验加载疲劳幅值相同时, 刚度损伤参数越大, 剥离扩展速率越快, 构件疲劳寿命越短;当试验梁刚度损伤参数相同时, 疲劳幅值越大, 剥离扩展速率越快, 构件疲劳寿命越短;当疲劳幅值超过0.6时 (JGL-4梁) , 试验梁的疲劳寿命急剧下降, 发生脆性疲劳粘结破坏。

　　 图4为不同刚度损伤参数和疲劳幅值的两组试验梁, 加载点处 (CFRP布应变最大处) 的CFRP布应变随加载次数的变化曲线。

　　 从图4可以看出, 当试验加载的疲劳幅值小于0.5时 (图4 (a) 的JGL-1, JGL-2梁) , 加载点处CFRP布的应变随加载次数变化可以分为三个阶段:第一阶段是CFRP布-混凝土界面粘结性能的退化和初始剥离裂缝形成的阶段, CFRP布应变随加载次数的增加而较快增长;第二阶段是剥离裂缝稳定发展阶段, CFRP布应变随加载次数的增加速率变缓;第三阶段是剥离破坏阶段, CFRP布应变随加载次数的增加迅速增大, 达到剥离破坏时CFRP布最大应变约0.007。当试验加载的疲劳幅值大于0.5时 (图4 (b) 的JGL-3, JGL-4梁) , CFRP布应变随加载次数变化第一阶段则不明显, 仅表现出第二阶段剥离裂缝稳定发展和第三阶段剥离破坏, 达到剥离破坏时CFRP最大应变约0.011。

　　 通过图4中的两组曲线可知, 相同加载次数时, JGL-1梁的CFRP布应变远小于JGL-2梁, 如加载次数为10万次时, JGL-1梁的CFRP布应变仅为0.001 7, 而JGL-2梁的CFRP布应变达到0.007;说明在相同疲劳幅值的作用下, 试验梁损伤程度越小, 加固后CFRP布的应变越小。JGL-4梁的CFRP布应变远大于JGL-3梁, 如加载次数为1万次时, JGL-3梁的CFRP布应变仅为0.003 8, 而JGL-4梁的CFRP布应变达到0.010 4, 接近拉断;说明损伤程度相同的试验梁, 相同加载次数时, 施加的疲劳幅值越大, CFRP布的应变越大, 即疲劳幅值的大小是影响CFRP布加固试验梁疲劳寿命的最重要因素。

　　 图5为不同刚度损伤参数和疲劳幅值的两组试验梁的跨中位移随加载次数变化曲线。从图5中可以看出, JGL-1, JGL-2梁的挠度曲线表现为三个阶段, 出现可视剥离前挠度较慢增长, 出现可视剥离时挠度突增, 出现可视剥离后挠度较快增长;而JGL-3, JGL-4梁的挠度曲线仅表现出了前两个阶段。说明当试验加载的疲劳幅值小于0.5时, 试验梁的挠度在可视剥离出现后增长较快, 具有一定的延性;当试验加载的疲劳幅值大于0.5时, 试验梁在可视剥离出现后马上发生破坏, 表现为明显的脆性破坏, 和图4的变化规律一致。

　　 从图5可知, JGL-1, JGL-2梁在出现可视剥离前的跨中挠度随加载次数增长速率分别为2.63×10^-3, 2.64×10^-3mm/万次, 二者基本一致, 说明初始损伤对于CFRP布加固RC梁在疲劳荷载作用下挠度变化影响不大。JGL-3, JGL-4梁在出现可视剥离前的跨中挠度随加载次数增长速率分别为5.75×10^-3, 0.14mm/万次, JGL-4梁的挠度增长速率明显快于JGL-3梁, 说明疲劳幅值越大, 试验梁刚度退化越快。

　　 图6为四根试验梁疲劳试验加载至不同次数时CFRP布应变分布情况, 图中横坐标1233, 2 567mm, 分别对应试验梁两加载点 (三分点) 。CFRP布应变分布整体趋势表现为:端部应变最小, 加载点处的应变最大。在两加载点之间区域, CFRP布应变不是水平的, 而是出现大小突变的现象, 分析其原因是由试验梁初始损伤裂缝所引起的, 裂缝处CFRP布应变较大, 裂缝之间CFRP布应变相对减小。CFRP布应变变化的整体趋势表现为:CFRP布应变随加载次数增加而增长, 可视剥离出现之前应变增长相对缓慢, 可视剥离发生时应变突增。

　　 本文通过分析四根CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁的疲劳试验结果, 得出以下主要结论:

　　 (1) CFRP布加固试验梁的破坏过程为:主裂缝根部处的CFRP布出现局部可视剥离, 并逐渐向两侧发展;当加载达到疲劳寿命时, 加载现场产生剧烈噼啪声, CFRP布迅速剥离或者断裂。

　　 (2) 试验梁初始损伤程度和疲劳幅值越大, CFRP布-混凝土界面粘结性能退化速度越快, 疲劳寿命越短。

　　 (3) 疲劳幅值越大, CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁挠度增长越快;初始损伤对加固后试验梁在疲劳荷载作用下的挠度变化几乎没有影响。

　　 (4) 根据本文试验及分析结果, 若损伤钢筋混凝土梁经CFRP布加固后再使用, 建议其损伤程度不应超过0.4, 疲劳荷载幅值不应超过0.4。

　　 (5) CFRP布应变随加载次数增加而增长, 可视剥离出现之前应变增长相对缓慢, 可视剥离发生时应变突增。