摘　要 ：碳纖維材料的主要特點為耐腐蝕、施工方便、強度高、質量輕，能夠在不對既有結構使用造成影響時施工，所以在橋梁加固中被廣泛使用。目前研究大部分為加固梁靜載性能，缺乏對碳纖維布加固混凝土梁疲勞性能的研究。以此，本文就對碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁疲勞性能進行分析。

　　關鍵詞 ：碳纖維;鋼筋混凝土;疲勞測試

　　Abstract : The main characteristics of carbon fiber materials are corrosion resistance, convenient construction.high strength, light weight, and can be constructed without affecting the use of existing structures, so they arewidely used in bridge reinforcement. Most of the current researches focus on the static load performance of rein-forced beams, and there is a lack of research on the fatigue performance of reinforced concrete beams with carbon fiber sheets. Based on this, this paper analvzes the fatigue performance of carbon fiber reinforced concrete beams.

　　Key words : carbon fiber: reinforced concrete: fatigue test

　　我國基礎設施的建設比西方國家的起步要晚，在20世紀80年代逐漸暴漏鋼筋銹蝕問題。在1994年，鐵道部調查了全國范圍內的鋼筋混凝土結構，結果表示有600多座橋梁在正在運營過程中都出現了病害，占據所有橋梁的18.8%。為了使病害結構服役期延長，補強和加固為有效、經濟的方法。在碳纖維片材(CFRP)補強加固技術不斷推廣的過程中，國內外學者研究了CFRP加固混凝土構件性能和鋼筋混凝土構件疲勞性能。因為橋梁、道路承受動負荷，本文就對CFRP加固鋼筋混凝土梁疲勞性能進行分析，以此為動荷載條件下的CFRP加固領域使用提供基礎。

　　1試驗概況

　　1.1試驗梁材料

　　本文中試驗構件混凝土使用的是商品混凝土，強度等級為C30。同批澆筑有150mm×150mm×150mm的立方體試塊，在同等條件下對構件和試塊進行養護，并且設置鋼筋為拉伸試驗，對極限強度與屈服強度進行測定。對計算過程中混凝土試塊與鋼筋的實測平均值進行計算，表 1 為混凝土的力學性能，表2為鋼筋力學性能。

　　1.2 構件設計

　　本文制作7根試驗梁，都是矩形截面簡支梁，使各梁尺寸一樣，全部試件配筋都相同。根據模型設計原則，試件截面尺寸b×h=150mm×250mm，凈跨為2000mm，跨度為2200mm。商品混凝土配合比水泥∶砂∶水∶粉煤灰∶石=1∶2.42∶0.46∶0.18。受拉鋼筋使用R235 鋼筋，架立鋼筋 和 箍 筋 設計為HRB335鋼筋，箍筋間距剪跨距為100mm，純彎區設計為 200mm。配置大量箍筋，提高梁加固抗剪承載力，避免梁出現抗彎破壞[1]，圖1為試驗梁鋼筋的布置。

　　對實際橋梁來說，正常使用時疲勞荷載上下限為：基于荷載作用主梁承受荷載為上下限荷載，在設計活載、恒載作用背景下主梁承受上限荷載。所以，在試驗之前利用統計分析數量的13~20m跨徑簡支梁橋，對橫載、活載共同作用背景下橋梁承載能力占比計算。之后，以實橋狀態下疲勞上下限占據極限荷載比例對試驗梁疲勞加載上下限進行分析。

　　1.3試驗梁加固

　　在試驗過程中使用200gCFS-3.55-220-012-150碳纖維布作為加固材料，膠粘材料使用HCJ碳纖維粘結專用結構膠，結構膠主要包括：

　　(1)基底樹脂。利用此膠滲透混凝土表面，使粘結強度得到提高。

　　(2)找平材料。對混凝土表面進行修補，從而使粘結質量得到提高。

　　(3)粘結樹脂。對碳纖維布進行粘結[2]。

　　1.4試驗方法

　　本文試驗使用浸泡通直流電方法使鋼筋銹蝕速度得到提高，對受力主筋理論銹蝕率控制為6%-7%。使待銹蝕鋼筋混凝土在3%NaCi溶液中浸泡，待銹鋼筋利用導線和直流電源正極連接，不銹鋼片和電源負極連接。利用法拉第定律對鋼筋銹蝕量進行控制，使直流電源輸出電流為恒流1A，所有梁都通過獨立電源進行供電，持續11d。在完成加載試驗之后，使銹蝕主筋取出，將鋼筋表面銹蝕屋洗掉之后對剩余鋼筋質量稱重，得出表5鋼筋實測銹蝕率，計算之后得出各個試驗梁主筋的實際銹蝕率和理論值差距都不超過

　　0.5%。靜力加載和疲勞加載試驗都利用三分點兩點加載，純彎段長度為500mm。為了對疲勞荷載上下限進行確定，在疲勞實試驗之前實現非加固梁L1的靜力加載，實測11屈服荷載和極限荷載分別為70kN.83kN疲勞荷載峰值為Pmax=52kN，為L1極限荷載的62%。

　　Pmin=38KN，為L1極限荷載45%，應力比為0.73，中值設置為45kN，循環5萬次，加載頻率為1Hz，正弦波為疲勞加載"。

　　在疲勞加載之后實現靜力加載，對試驗梁極限荷載與破壞形態進行測試。靜態測試使用三分點兩點進行加載，全部試驗梁都是單調靜力加載。在正式加載之前要持續5min加20kN荷載，之后卸載20min之后開始正式加載，使加載系統各間隙消除。使用分級加載方案，使用每級遞增 10kN方案加載前50kN，之后遞增5kN。與屈服荷載接近的時候調小增量，直到梁滿足極限荷載破壞之后使加載停止。每級加載之后使梁應變、撓度穩定之后對數據收集。在靜力加載過程中，利用DH3816靜態應變測試系統進行收集[4]。

　　2試驗結果分析

　　2.1剛度分析

　　圖2為疲勞荷載梁剛度曲線，各個試驗梁剛度在疲勞次數不斷增加過程中不斷的降低，但是趨勢具有明顯的區別。L2與L4未加固梁在剛開始加載混凝土裂縫發展比較快，受拉區混凝土迅速的推出，降低截面慣性矩，促進了抗彎剛度的下降速度。在裂縫發展不斷穩定的時候，下降趨勢逐漸平緩，直到到后期疲勞加載。因為鋼筋和混凝土粘結出現退化，降低了剛度。此趨勢主要體現在腐蝕量L4 中，主要是由于鋼筋腐蝕之后鐵銹會對混凝土、鋼筋的化學膠著力造成破壞，并且使其摩擦力得到降低，以此加劇粘結退化。

　　在各梁底粘貼一層碳纖維布加固，抗彎剛度不斷的提高。因為碳纖維布使混凝土受拉區裂縫造成了限制，使中和軸上移減緩。后期在鋼筋、鋼筋腐蝕和混凝土粘結力退化之后，此部分應力能夠通過碳纖維布承受，以此具有均勻的剛度衰減，避免出現階段性[5]。

　　在L7 梁底粘貼兩層碳纖維布，此試驗過程中的剛度不斷降低。表示碳纖維布用量不斷的增加，降低了受拉鋼筋應力，減緩彎曲裂縫處鋼筋應力，使銹蝕鋼筋混凝土梁彎曲剛度得到提高。在疲勞加載完成之后卸載，試驗梁擾度不改變之后，對各試驗梁殘余撓度進行收集。圖3為跨中塑性撓度變形值，銹蝕不加固梁L4塑性變形是最大的，碳纖維加固梁塑性變形值比較小。以此表示，碳纖維布加固銹蝕混凝土梁能夠使梁恢復力得到提高，以此降低塑性變形。

　　2.2受壓區混凝土應變

　　在疲勞荷載作用之后，通過靜載得出不同荷載時試驗梁混凝土應變。通過試驗可以看出來，在疲勞荷載作用后，受壓區混凝土應變為線性分布。簡單來說，混凝土梁開裂之后利用多次重復荷載的作用，截面平均要滿足平截面假定，壓區邊緣混凝土應力比靜載彎曲抗壓強度要小，根據截面高度應力為三角形分布。混凝土壓應變和荷載關系如圖4所示，通過多次疲勞荷載后，未加固梁混凝土殘余壓的應變是最大的，之后為損傷加固梁，最小的為完好加固梁。在荷載作用相同的時候，未加固梁混凝土壓應變是最小的。碳纖維布粘結層數相同，損傷加固梁混凝土壓變大于完好混凝土壓應變10%-20%。無論是損傷加固梁或者完好加固梁，黏貼兩層碳纖維布加固梁混凝土壓應變比一層加固梁要小。

　　在疲勞荷載循環次數不斷增加的過程中，未加固梁混凝土壓應變增加是最快的，粘貼一層碳纖維布加固梁混凝土增加速度比兩層要大，但是損傷、完好兩個加固梁混凝土的壓應變增加速度是一樣的，表示碳纖維布粘貼能夠對混凝土裂縫開展進行約束。

　　2.3鋼筋應變

　　表5為試驗梁基本情況，圖5為疲勞荷載后試驗梁鋼筋的應變曲線，通過圖5表示，在疲勞荷載作用之后，I類梁鋼筋拉應力是最大的，Ⅱ類梁鋼筋拉應變降低7%~9%，Ⅲ類梁鋼筋拉應力減少11%~14%。

　　在疲勞試驗開始到疲勞荷載循環次數為10萬次過程中，受拉區鋼筋拉應力增長速度比較快;在循環次數為10-100萬次過程中，受拉區鋼筋應變增長速度其次;疲勞荷載循環次數超過100萬次之后，受拉區鋼筋受力穩定。通過200萬次疲勞加載之后，試驗梁鋼筋應變都在不斷的增加"。

　　2.4鋼筋混凝土梁變形

　　在混凝土梁疲勞性能分析過程中，撓度為主要指標。通過測試結果表示，梁撓度在疲勞荷載循環次數不斷增加的過程中而增加，未加固梁撓度增長速度是最大的。粘貼兩層碳纖維布的加固梁撓度增加速率比一層要小，粘貼層數相同的碳纖維布損傷加固梁撓度增長速度比完好梁要大。次數相同疲勞荷載之后，和未加固梁撓度相比，完好加固梁撓度減少40%-60%，損傷加固梁撓度增加15%-26%;和未加固梁對比，損傷梁加固后降低25%-30%，表示梁損傷開裂之后，粘貼碳纖維布能夠使試驗梁疲勞抗變形能力得到提高，兩層碳纖維布加固梁撓度有所降低。以此表示，碳纖維布層數得到增加，能夠使混凝土梁抗疲勞度性能得到提高。兩層碳纖維布加固梁撓度和一層差值對比，完好梁比損傷梁要小，表示損傷梁能夠充分使用多層碳纖維布抗拉作用。假如試驗梁擾度在疲勞荷載次數不斷增加過程中的增加系數表示為：

　　通過實驗結果表示，未加固梁、完好加固梁、損傷加固梁的撓度增大系數為1.5、1.21、1.3。出現此結果主要是因為碳纖維布抗拉作用，試驗梁中性軸的上升比較緩慢，混凝土梁疲勞應力幅度比較小，降低混凝土浪卡強度，鋼筋和混凝土粘結力退化并不顯著，加固梁撓度在疲勞次數不斷增加的過程中變化較為緩慢。所以，黏貼碳纖維能夠使混凝土結構疲勞抗變形能力得到提高，以此使混凝土梁疲勞承載能力提高。

　　2.5裂縫

　　通過 10 萬次疲勞荷載之后，梁體裂縫為 10 道，50萬次疲勞荷載之后增加裂縫 3 道，之后裂縫數量不同，都是彎曲裂縫。在100萬次疲勞荷載之后，跨中附近裂縫為182mm梁高處。通過碳纖維布加固之后，混凝土裂縫數量不斷增加，間距越來越密，縮小裂縫長度。通過試驗結果表示，利用碳纖維布加固混凝土梁能夠改善抗裂性能，此對腐蝕背景下承受疲勞荷載混凝土結構意義重大。

　　3結語

　　通過文章研究結果表示，碳纖維布能夠使鋼筋混凝土梁疲勞性能得到提高，避免碳纖維脫落剝離破壞，具有良好的粘結劑疲勞性能?；谄诤奢d作用，因為碳纖維布受拉，鋼筋混凝土加固梁鋼筋能夠有效的改善，延長梁的疲勞性能。還會增加碳纖維布加固梁裂縫數量，使裂縫間距越來越密，縮小裂縫寬度，改善加固梁疲勞抗裂性能。

　　參考文獻

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　　[5]陳愛玖，韓小燕，楊粉，等預應力碳纖維布加固鋼筋再生混凝土梁受彎承載力研究[J.土木工程學報，2018，51(11)：108-116.

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文章名稱： 碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁疲勞性能分析

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