近年来, 由于建筑结构服役期的增长和不良环境的侵蚀, 通过试验检测发现许多建筑结构在未达到设计使用年限就已经出现承载力下降的现象, 因此通过结构加固技术修复建筑结构得到了研究学者的广泛关注。传统的结构加固技术方式仍在结构加固领域发挥着巨大的作用, 如加大截面法、预应力加固法、改变结构传力途径加固法和外包钢加固法等^[1]。

　　 碳纤维增强复合材料 (CFRP) 是一种轻质高强和耐腐蚀的新型材料^[2]。目前, 利用CFRP进行建筑结构加固得到了诸多国内外学者的充分肯定, 但是加固的方式多以粘贴方式为主, 文献[3]通过完成6根预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的抗弯试验, 得出CFRP板加固可以提高构件的抗弯承载力和抗裂度。文献[4]通过CFRP板加固钢梁试验, 表明采用CFRP板进行结构加固可以提高结构的抗弯承载力和刚度, 同时在一定程度上也提高了构件的延性。文献[5]对CFRP粘贴加固RC梁进行疲劳性能试验研究, 用于评价复合材料对梁的加固效果, 试验表明采用CFRP加固RC梁比钢板加固效果好, 体现了在耐久性能方面复合材料用于加固的优越性。随着CFRP复合材料研究的不断深入, 有相关学者也已展开CFRP与混凝土粘结性能的试验研究, 文献[6]通过对循环荷载作用下CFRP与混凝土的粘结性能进行试验研究, 发现复合材料的粘贴长度和厚度等因素对两者的粘结性能有较大影响。文献[7]通过研制CFRP-PCs复合筋并对采用此复合筋加固的RC梁的抗弯性能进行研究发现, 采用该种复合筋加固RC梁比单一采用预应力CFRP筋加固的RC梁的抗弯强度和刚度大。

　　 采用CFRP加固钢筋混凝土梁, 对于加固后碳纤维板在工作期间的受力状态和性能监测是亟需解决的问题。由于电阻应变片易受周围环境的干扰, 在结构健康监测上不适宜长期使用。光纤光栅 (Optical Fiber Bragg Grating, 简称OFBG) 是一种通过反射波长感知外界应力应变, 从而获取监测信息且性能优良的传感元件。因其具有较强的抗电磁干扰能力、较高的灵敏度、易于埋设以及能够在恶劣环境下工作等诸多优良性能, 逐渐被应用到各个领域^[8,9,10]。但是光纤光栅也存在着质地脆弱等缺点, 若不进行必要的封装, 在使用过程中极易破坏从而导致结构健康监测失效。文献[11]通过试验研究发现, 将光纤光栅嵌入纤维增强复合材料 (FRP) 之中, 可以研制出具有较高强度和智能监测性能的FRP-OFBG复合筋材。文献[12]通过在CFRP板材中埋入光纤光栅传感器, 也研制出具有智能监测特性和满足结构监测需求的碳纤维板复合材料。

　　 本文对1根未加固矩形截面钢筋混凝土梁以及5根智能碳纤维 (CFRP-OFBG) 板嵌入式加固矩形截面钢筋混凝土梁进行试验研究, 通过对试验梁的各个阶段承载力数值对比分析以及通过试验监测CFRP-OFBG板的中心波长变化推算CFRP-OFBG板的应变值, 最后将CFRP-OFBG板测得的中心波长变化与同一位置处CFRP-OFBG板的应变进行绘图分析, 研究CFRP-OFBG板加固钢筋混凝土梁的适用性。

　　 为实现CFRP加固结构健康监测的要求, 需要对CFRP-OFBG板进行研制。CFRP-OFBG增强材料采用双向正交的CFRP, 其增强基体采用环氧基脂树脂, 由于锗硅光纤布拉格光栅的抗干扰性强以及灵敏度高等特性, 将其作为智能监测的传感材料。在CFRP板中埋入光纤光栅传感器时, 光纤光栅应与CFRP丝方向平行, 以防止在光纤光栅附近形成富树脂区, 从而最大程度地减少传感器周围的非均匀应力区, 减少光纤光栅的测量精度损失。CFRP-OFBG板的制作过程与传统的CFRP板制作过程相同, 如图1所示。CFRP-OFBG板的制作工艺与普通的CFRP板的拉挤成型工艺相似, 不同之处在于对光纤光栅写入位置的控制。为保证光纤光栅更好地与CFRP-OFBG板协调变形, 在CFRP-OFBG板加热成型前的分纱板处, 应注意控制光纤光栅位于各束CFRP丝的中部。

　　 通过拉伸试验测得的CFRP-OFBG板的实测参数见表1, 通过GM8037高分辨率光纤光栅传感器测得的锗硅光纤布拉格光栅参数见表2。

　　 通过CFRP-OFBG板的应变传感性试验得知, CFRP-OFBG板不仅具有较高的抗拉强度, 而且传感灵敏度很高, 是一种良好的应变传感元件, 其应变传感灵敏度均值为1.281pm/με, 受拉破坏的CFRP-OFBG板波长变化均值为13.835 0nm, 极限应变均值为10 186με。

　　 本次试验共制作1根未加固矩形截面钢筋混凝土梁试件 (编号为L0) 和5根CFRP-OFBG板嵌入式加固矩形截面钢筋混凝土梁试件 (编号为JGL1～JGL5) , 截面尺寸均为150mm×250mm, 实际长度为2 600mm, 计算跨度为2 400mm。受压区架立钢筋均为26, 纵向受拉钢筋均为28。本次试验荷载通过分配钢梁进行两点加载, 试验梁纯弯段长度为600mm, 剪弯段长度为900mm。为了防止加载过程中剪弯段发生剪切破坏, 对剪弯段箍筋加密为6@100, 纯弯段箍筋为6@200。混凝土强度等级为C30, 混凝土保护层厚度为30mm。试验以CFRP-OFBG板嵌贴长度、宽度和CFRP-OFBG板距混凝土下表面距离三个变量作为试验参数。加固所用CFRP-OFBG板的厚度均为2mm, 分别在梁两侧进行加固, 其中各试件CFRP-OFBG板板条宽度、嵌贴长度、嵌入位置见表3, 试件尺寸及加载示意见图2。

　　 试验采用CFRP-OFBG板嵌入式加固的加固工艺, 嵌入式加固相对于外贴加固而言, 避免了找平、打磨等工序, 开槽宽度为碳纤维板厚的1.5～2.0倍, 本次试验所用CFRP-OFBG板厚为2mm, 开槽宽度设为3mm, 开槽深度统一为25mm。具体操作步骤为:1) 用云石机在梁底开槽;2) 清理槽内碎石等杂质并用酒精清洗槽内表面;3) 在清洁容器内, 按照环氧树脂与固化剂质量比2∶1配置好JN-C3P结构粘结胶;4) 在槽内注入胶体 (无需注满) , 随后嵌入CFRP-OFBG板, 使胶体和CFRP-OFBG板充分接触, 然后再向槽中注满胶体并抹平。养护7d后进行试验, 嵌贴完成的试件见图3。

　　 测量的内容主要有:试验梁跨中、加载点的钢筋应变和CFRP-OFBG板的应变, 跨中混凝土自上而下的应变。试验采用电阻应变片来采集受拉钢筋、混凝土的应变, 用CFRP-OFBG板测量其自身的应变。在试验梁底部左右加载点相应位置处的受拉钢筋跨上各粘贴一个应变片, 在跨中位置的梁底部和顶部各粘贴两个应变片, 在跨中和左右加载点各布置一个CFRP-OFBG板测点。试验梁跨中位置及左右加载点混凝土底面各布置一个位移计, 用以测量加载过程中试验梁的位移变形;试验梁左右支座位置处混凝土顶面各布置一个位移计, 用以测量两端支座的竖向位移。测点布置图见图4。

　　 试验采用50t液压千斤顶进行加载 (图5) , 试验加载现场实景如图6所示。为了在试验过程中采集到某一时刻荷载作用下对应的应变和位移值, 在分配钢梁上表面加载点处放置70t荷载传感器。将荷载传感器、位移计和应变片通过导线连接至泰斯特数字采集仪TST-3826, 该采集设备与电脑连接后可以实现连续采集, 直接操作电脑便可以采集数据并导出, 采集数据的频率为1s/次, 数据采集设备如图7所示。

　　 正式试验之前, 应首先以计算的开裂荷载的10%对试验梁进行预加载, 以检查各试验仪器是否正常工作及试验梁是否安放稳定与对中。加载完毕后缓慢卸载, 根据预加载的结果调整各试验仪器。正式加载时, 根据事先计算的破坏荷载值分级加载, 本次试验均采用分级加载, 每加载一级后持荷3min, 然后对所有数据进行采集。其中具体加载步骤如下:1) 从开始加载至临界混凝土开裂时, 按每级增加3kN荷载加载;2) 从混凝土开裂后到各控制截面附近出现宽度达到0.5mm的裂缝时, 按每级增加2kN荷载加载;3) 加载至裂缝宽度为0.5mm后不再记录裂缝, 一直持续加载直至试验梁最终破坏。

　　 试验的加固方式为在梁侧纵向钢筋高度处附近采用开槽嵌入CFRP-OFBG板, 破坏了该处混凝土保护层的完整性。根据实际试验得出的现象进行分析, 讨论开槽后该部分混凝土对梁内钢筋的影响。钢筋的粘结性主要取决于钢筋与混凝土间的粘结应力, 即钢筋与混凝土接触面上所产生的沿钢筋纵向的剪应力, 影响其粘结强度的因素主要有混凝土的强度、混凝土保护层厚度、钢筋的形状以及箍筋配置等^[13]。试验表明, 未加固试件L0发生了受拉钢筋屈服、受压区混凝土压碎的破坏模式, 而纵向钢筋周围的混凝土保护层未发生脱落, 说明钢筋与混凝土间的粘结性能良好。对于加固试件而言, 虽然在梁侧开槽导致混凝土完整性破坏, 但试验结果表明梁破坏时, 钢筋周围的混凝土保护层未发生脱落或是CFRP-OFBG板被挤压向外的现象。说明即使梁侧开槽使混凝土受损, 降低了其完整性, 但此部分混凝土也能保证钢筋具有良好的粘结性能。

　　 总结部分加固梁试验结果可知^[14,15,16], 嵌入式加固梁的破坏模式有下列三种:1) 第一类是弯曲破坏, 包括CFRP-OFBG板拉断 (A) 、受拉筋屈服、受压区混凝土压碎 (B) 、受拉筋未屈服、受压区混凝土压碎 (C) 三种形式, 当CFRP-OFBG板端部锚固可靠时, 梁才可能发生弯曲破坏;2) 第二类是剪切破坏, 即加固梁在未达到抗弯承载力之前因抗剪承载力的不足而发生剪切破坏;3) 第三类是粘结界面失效破坏, 即加固梁由于CFRP-OFBG材料与混凝土之间的粘结界面强度不足而剥离破坏, 包括由胶层与混凝土的界面抗剪强度不足引起的胶层-混凝土界面破坏 (D) 、由混凝土抗拉强度过低造成CFRP-OFBG板端部混凝土开裂引起的剥离破坏 (E) 和由CFRP-OFBG板-胶层界面抗剪强度过低引起的CFRP-OFBG板-胶层界面破坏。就本次试验测试结果而言, 其中有受拉钢筋屈服、受压区混凝土压碎 (B) 破坏模式和CFRP-OFBG板端部混凝土开裂引起的剥离破坏 (E) 。将各试件破坏特征汇总于表4。

　　 通过数据采集仪器可得到各试件的承载力数据, 结果见表5。

　　 由表5可知, 在梁配筋率、嵌贴长度和嵌贴位置均相同的情况下 (试件JGL1, JGL2, JGL3) , 梁的开裂荷载数值变化不大, 而梁的屈服荷载以及极限荷载随着CFRP-OFBG板宽的增加而提高, 说明在一定的板宽范围之内, 增加CFRP-OFBG板宽, 可以提高试件在使用阶段的承载能力, 试件JGL1, JGL2, JGL3相对于未加固试件L0极限荷载分别提高58.82%, 100.00%和117.65%。极限荷载受CFRP-OFBG板宽影响较大, 随着CFRP-OFBG板宽增加, 试件极限荷载提高, 但是CFRP-OFBG板宽提高到一定程度后, 试件极限荷载提高的幅度变小, 即加固效果随之下降。当CFRP-OFBG板嵌贴长度较短时 (试件JGL4) , 加载过程中极易发生剥离破坏, 此时试件承载力均未达到极限承载力, 但相对于未加固试件, 试件JGL4承载力仍有小幅度的提高 (提高29.41%) 。在梁配筋率、CFRP-OFBG板宽和CFRP-OFBG板嵌贴位置均相同的情况下 (试件JGL3, JGL4) , 嵌贴长度在2 200mm附近时, 试验梁能达到理想的破坏类型。在梁配筋率、CFRP-OFBG板宽和CFRP-OFBG板嵌贴长度均相同的情况下 (试件JGL3, JGL5) , CFRP-OFBG板嵌贴位置越接近受拉钢筋位置, 加固效果越好, 相对于未加固试件L0, 试件JGL3极限荷载提高117.65%, 而试件JGL5极限荷载提高108.82%。综上所述, 侧面嵌入式加固可以有效提高钢筋混凝土梁的抗弯性能, 是一种可靠的梁加固方式。

　　 CFRP-OFBG板中含有光纤光栅, 光纤光栅带有测量光纤和传输光纤, 其测量光纤的折射率会因为外在环境改变出现周期性变化。根据模耦合理论λ_B=2nΛ (λ_B为光栅的中心波长, Λ为光栅周期, n为光纤的有效折射率) 可知, 当外界应力改变时, 中心波长就会发生变化。也就是说可以通过光纤光栅中心波长的变化来表征外界信息的变化, 光纤光栅传感原理如图8所示。可以看出, 宽谱光源将有一定带宽的光通过环形器射入到光纤光栅中, 由于光纤光栅对光波进行选择后, 被选择的光被反射回去, 再返回到环形器接到解调装置中来测量光纤光栅的反射波长新值, 基本原理是当光纤光栅探测外界温度、压力或应变变化时, 利用自身光纤栅距改变来对这些变化产生反馈效应, 解调装置随即检测波长变化推导出外界所测变化。

　　 光纤光栅的中心波长变化量Δλ_B和纵向应变变化量Δε的关系为:

　　 式中:P_ε为光纤弹光系数, 其中n为光纤的有效折射率, ε为纵向应变;1-p_ε为光纤光栅波长纵向应变灵敏系数; (1-p_ε) λ_B为光纤光栅纵向应变灵敏度。

　　 针对本文采用的锗硅光纤布拉格光栅的应变传感灵敏度, 文献[17]通过试验测量出中心波长为800nm的光纤光栅应变传感灵敏度为0.64pm/με, 中心波长为1 550mm的光纤光栅应变传感灵敏度为1.209pm/με。表6给出了不同中心波长的光纤光栅对应的应变传感灵敏度^[18]。各加固试件CFRP-OFBG板波长-应变数据见图9。

　　 通过图9可以看出, 光纤光栅波长值和碳纤维板应变值拟合后直线斜率均在0.001 2左右, 即CFRP-OFBG板的灵敏度系数约为1.2pm/με, 与第2节提到的CFRP-OFBG板的应变传感灵敏度1.281pm/με比较接近, 说明研制的CFRP-OFBG板可以用于测量碳纤维板的应变, 且具有一定的精度。

　　 本文采用自行研制出的CFRP-OFBG板对钢筋混凝土梁进行嵌入式加固, 并对其进行试验研究。通过试验得到了试验梁的不同破坏模式以及对应的试验现象, 分析了加固梁承载力的变化情况, 同时将光纤光栅测得的波长变化与相应位置的应变片测得的应变值进行绘图分析, 结果呈线性关系, 且拟合得到的CFRP-OFBG板的灵敏度系数约为1.2pm/με, 与CFRP-OFBG板应变传感试验测得的应变传感灵敏度1.281pm/με吻合良好。结果证明了CFRP-OFBG板在智能监测方面有良好的适用性, 为今后结构加固健康监测和结构加固可靠性分析提供了广泛的应用前景和价值。