碳纤维布加固超役混凝土电杆的破坏机理及力学性能.pdf

第 3 5卷第 4期 2 0 1 3年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l ．Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo I ． 3 5 N O ． 4 Aug．2O l 3 d o i ： 1 0 ． 1 1 8 3 5 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 — 4 7 6 4 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 7 碳纤维布加固超役混凝土电杆的 破坏机理及力学性能 陈宗平h ， 徐金俊h， 夏 开全 ， 张超 荣h， 周春恒h ( 1 ． 广 西大学 a ． 土木建筑工程 学院 ； b ． 工程 防灾与结构安全教 育部 重点实验 室， 南宁 5 3 0 0 0 4； 2 ．中国电力科学研 究院 ， 北京 1 0 0 0 5 5 ) 摘 要 ： 以某电网某路段超过服役期的钢筋混凝土电杆为研究对象， 选取 电杆杆 身与跨 中带钢 圈接 头的杆身试件各 6 根 ， 其 中各取 3 根试件采用碳纤维布 ( C F R P ) 沿杆件纵向进行加 固， 并对其进行 抗 弯承载 力试 验 ， 对 比研 究在 不 同 的碳 纤 维布 黏 贴层 数 下 加 固电杆 的 受 力性 能 和破 坏 机 理 。基 于 试验 实测数据 ， 对强度及刚度计算方法进行 了研究， 并提 出了刚度退化的数 学表达式。研 究结果表 明 ： 采用碳 纤维布加 固电杆后 ， 其破坏表现为混凝土与碳 纤维布的表 面粘脱失效所致， 纵向碳纤维 布被 拉 断作 为最终 破 坏形 态 ， 破 坏过 程 迅 速 ， 脆性 明显 ； 试 件 的截 面应 变分 布 符 合 平截 面假 定 。加 固前杆身试件的承载力退化严重 ， 加固后混凝土 电杆的承载能力和刚度均有显著提高， 但加 固电杆 的损伤发展较加 固前提早， 且快而集中， 综合 多方面考虑， 建议在混凝土电杆接 头附近的一定距 离 内采取 双层 、 杆 身其余部 位 采 用单层 的碳 纤维布 加 固方 法 。 关 键词 ： 混凝 土 电杆 ； 碳 纤 维布 ； 加 固； 承载 力 ； 刚度 ； 损 伤 中图分 类号 ： TU5 2 8 文献标 志码 ： A 文 章编 号 ： 1 6 7 4 — 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 4 — 0 0 3 8 — 0 9 Fa i l u r e M e c h a n i s m a nd M e c h a ni c a l Pr o p e r t i e s o f CFRP S t r e ng t he n e d S u p e r - s e r v i c i ng Re i nf o r c e d Co nc r e t e Po l e s O h e n Z o n g p in g 。 ， 。 ，X u J in j u n 。 ，X i a K a i q u a n ，Z h a n g C h a o r o n g 。 ， Z h o u O h u n h e n g 。 ( 1 a ． C o l l e g e o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ；l b ． Ke y La b o r a t o r y o f Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d S t r u c t u r a l S a f e t y o f Chi n a M i ni s t r y o f Edu c a t i on，Gua ng xi Uni ve r s i t y，Na nn i n g 5 3 000 4，P． R． Chi na； 2 ．Ch i n a El e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 5 5，P．R．C h i n a ) Ab s t r a c t ： S u p e r — s e r v i c i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s( RCP)wh i c h c o me f r o m a r o a d s e c t i o n i n a p o we r g r i d ， i n c l u d i n g s i x p o l e s h a f t s a n d s i x s p e c i me n s wi t h a mi d — s p a n s t e e l j o i n t ，we r e s e l e c t e d 3 S s a mp l e s t o c o n d u c t a f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t ，i n wh i c h t h r e e s h a f t s a n d t h r e e p o l e s wi t h s t e e l j o i n t i n t h e mi d d l e s p a n we r e s t r e ng t he ne d b y CFRP i n t he l o ng i t u di n a l di r e c t i on ． Th e m e c h a ni c a l b e h a v i or a n d f a i l u r e m e c ha ni s m un de r d i f f e r e nt CFRP l a ye r s pa s t e d we r e c o m p a r a t i v e l y s t u di e d．Ba s e d on t h e m e a s u r e d t e s t d a t a，t he c a l c u l a t i o n me t h od s o f s t r e n gt h a nd s t i f f ne s s we r e i n ve s t i ga t e d， a n d t h e m a t he m a t i c a l e xp r e s s i o n o f s t i f f ne s s de gr a d a t i on me c ha n i s m wa s p r op os e d ． The r e s u l t s ho ws t h a t t he f i n a l f a i l u r e mo de o f CFRP s t r e n gt h e ne d p o l e s i s t h e l o c a l b o n d f a i l u r e b e t we e n CF RP ma t e r i a l a n d t h e e x t e r n a l c o n c r e t e ，a n d t h e l o n g i t u d i n a l C FRP i s s n a p p e d ．Th e p r o c e s s o f d a ma g e i s r a p i d a n d b r i t t l e n e s s ． Th e me a n s t r a i n o f c r o s s — s e c t i o n i s i n a c c o r d wi t h t h e a s s u mp t i o n o f p l a n e c r o s s — s e c t i o n ． Th e s t r e n g t h d e g r a d a t i o n o f s h a f t s p e c i me n s wi t h o u t 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 1 1 — 1 6 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 0 8 0 5 7 、 5 1 2 6 8 0 0 4 ) ； “ 八桂学者’ ’ 建设工程专项经费资助 作 者简 介 ： 陈宗平( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事钢与混凝土组合结构 、 再生混凝 土结构 、异形柱结 构及结构 检 测加固研究 ， ( E ma i l ) z p c h e n @g x u ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 陈宗平， 等： 碳纤维布加 固超役混凝土电杆的破坏机理及力学性能 3 9 s t r e n gt h e ne d i s t hr o u ghl y s e r i o us ． As f or t he s t r e ng t he ne d p ol e s ，t h e b e a r i n g c a p a c i t y a nd s t i f f ne s s un de r e a c h f o r c i ng s t a ge a r e i m p r o ve d wi t h di f f e r e nt l e v e l s ． The da ma g e o f s t r e ng t h e ne d s pe c i me ns de ve l op s f a s t e r a nd m o r e i nt e n s i v e t ha n t ha t of no ne — s t r e ng t he ne d o ne s ． W h e n m ul t i — a s p e c t s a r e s y nt h e t i c a 1 1 v c o ns i de r e d，t he r e i s a s ug ge s t i on t ha t d oub l e l a ye r s o f CFRP s ho ul d be p a s t e d a l o ng t he l o ng i t u di n a l i n t he j o i n t o f t h e s i t e wi t h i n a c e r t a i n d i s t a n c e ，a n d t h e s i n g l e 1 a y e r o f CF RP s h o u l d b e a d o p t e d i n t h e s h a f t ． Ke y wo r ds ： r e i n f o r c e d c o nc r e t e po l e s ；CFRP；s t r e ng t h e n；be a r i n g c a pa c i t y；s t i f f ne s s ；d a ma ge 随着电网建设的 日趋紧密 ， 各类 在役输 电线路 工作性能的好坏将直接关系到国民经济 的发展 ， 混 凝 土电杆普 遍应用 于广 大城镇与农村 的输 电线路 中， 其安全性是保证送 电线路正常运营 的关键。为 此 ， 学 者们 对混 凝 土 电杆 的力 学 性 能 进 行 了大 量 研 究 ， 并取得 了重要成果 ， 如 夏开全等口 。 开展 了对预 应力混凝土 电杆 和普通混凝土 电杆 的承载性 能试 验 ； 方永浩等_ 4 ] 进行 了锥形 电杆 的受力分析及有限 元模拟 ； 高润东 等L 5 。 对离心成 型预应力／ 钢 筋钢纤 维混凝土电杆做了相关试验和理论分析 。对于服役 一 定年限后 ， 电杆受环境侵蚀 、 人为破坏等因素的影 响 ， 其力学性能和耐久性能必定有所降低 ， 特别是超 过服 役期 限 的混 凝 土 电杆 ， 杆件 的受 损 程 度 更 加 严 重 ， 因此， 很有必要对超役 电杆进行相关加 固研究 。 实 际工 程 中的混 凝 土电杆往 往 通过 钢 圈连 接 接头 将 各单杆相互连接 ， 以致满足架设所需 的高度 ， 针对杆 身与连接接头不 同的力学性态， 研究采取不 同的加 固方式从而提高 电杆 的相关承载指标 ， 对延长 电杆 的服役寿命具有现实意义。 受冰冻、 雨雪 、 泥石 流等恶劣 的 自然灾 害影 响， 中国南方 电网各路线运行情况有待进一步评估 ， 而 位于其 中西南线路的钢筋混凝土电杆 因服役年代久 远 ， 各项性能指标都有较大程度的退化。因碳纤维 布加 固结构具有较好的力学性能以及能减少后期维 护费用 8 ， 本文选取其 中某路段 1 9 5 9年开始服役 的混凝土电杆 l 2根 ， 包括杆身试件和跨 中带钢 圈连 接接 头 的杆 身试 件各 6根 ， 并对 其采 用碳 纤维 布 ( C F RP ) 进行相关加 固， 旨在考证该类构件经此方式 加 固后 的受力性能及破坏机理 ， 并 为工程加 固提供 设 计参 考 。 l 试验概况 1 ． 1试 验材 料 结合该线路的安全评定与加 固工作 ， 所有试件 均为现场选取具有一定代表性 的杆件 ， 截取后运 回 试验室， 通过回弹法实测数 据推定该批试件 的混凝 土轴心抗压强度换算值为 2 2 ． 8 MP a ； 试验结束后 ， 量 测截 取 的钢筋 ， 测试 结果 为 ： 该批 试件 的纵 向钢 筋 直 径 为 8 mm、 屈 服 强 度 为 4 0 1 MP a ， 极 限 强 度 为 4 7 5 MP a ， 伸长率为 2 7 ． 5 ； 连接接头的钢圈厚度为 8 mm， 长 度为 2 0 0 mm。本文采用武 汉长江加 固技术 有限公司生产的 C J 3 0 0型碳纤维布和配套的 YZ J — C Q 纤维复合材料浸渍粘结用胶作为加固材料。 1 ． 2 试件 制 作 1 2个试件分 2批进行 ， 第 1 批为 6根杆身试件 ， 第 2 批为 6根跨 中带钢 圈连接接头的试件 ， 各取一 半进行碳纤维布加 固。所有试 件杆长为 4 ． 2 m， 其 混凝土环形截面外径为 4 0 0 1T ff n 、 内径为 3 0 0 1T ff n 、 壁厚 为 5 0 mr n ； 钢筋形心所在圆半径为 1 6 9 I n I n ， 共 l 6根。 首先通过砂轮机打磨等手段 ， 将试件混凝土、 钢 圈外表浮层及锈蚀层清理干净 ， 然后用工业丙 酮清 洗。C F R P的粘贴 ： 第 1 批试件有 2根为双层粘贴 、 1 根为单层粘贴 ， 并 且在纵 向 C F R P的外表面粘贴 环向 C F RP环箍 ， 环箍的宽度为 1 0 c m， 2环箍之 间 的净距为 2 0 c m； 第 2批试件 中， 1根为双层粘贴 ， 2 根为单层粘贴 ， 并在纵向 C F RP的外表面粘贴环 向 C F RP环箍 ， 环箍 的宽 度 为 5 0 c m， 两 环箍 之 间 的 净 距为 2 0 c m， 环箍的粘贴顺序是从 中间钢 圈环 箍两 侧往两端头按净距 2 0 c m 逐一粘贴 ， 各 试件概况见 表 1 。 表 1 试 件概 况 试件编号 加 固情况 试件编号 加固情况 试 件编号 加固情况 试件编号 加 固情况 RC P 一 1 未加固 R C P 一 ( 1 ) C F R P 一 1 纵向单层 C F RP R CP — J 1 未加固 RC P 一 ( 1 ) C F RP — J 1 纵 向单层 C F R P RC P 一 2 未加固 R C P - ( 2 ) C F R P 一 2 纵向双层 C F RP R CP — J 2 未加固 RC P 一 ( 1 ) C F RP — J 2 纵 向单层 C F R P R C P 一 3 未加固 R C P 一 ( 2 ) C F R P 一 3 纵向双层 C F RP RC P — J 3 未加 固 R C P 一 ( 2 ) C FR P — J 3 纵 向双层 C F R P 注 ： RC P代表混凝土 电杆 ；C F RP前数字为纵向黏贴碳纤维布层 数；J为接头 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 5 卷 跨中挠度曲线保持一直线且相互 重合， 当经过一小 段的重合期后 ， 受加固的试件与对 比试件曲线逐渐 分离 ， 但后者发展较为缓慢 。随着荷载 的增长 ， 加 固 与未加固试件曲线各 自保持较好 的重合 ， 此时非线 性性 质开 始 有 所 发 展 。从 图 5 ( a ) 、 ( b ) 中 2种 加 固 方式的 曲线 可 见， 位 于 初期 的 曲线 基 本 重 合， 与 C F R P黏贴层数的关系不大 ， 但 随着 加载进 入末期 或塑 性发 展段 后 ， 采 取 双 层 C F RP黏贴 的试 件 曲线 变得 更 陡。 图 5 ( a ) 中可 以显 著 看 出 ， 加 固试 件 的 强 度 和刚度 有 了明显 提高 ， 但 变 形能 力更 差 ， 主要是 由 于 采用 C F RP加 固后 试 件 的 破坏 形 态 发 生 了改 变 ， 其表现为 C F R P与混凝土之间的粘脱失效和 C F R P 被拉断 ， 而 C F R P就是一种脆性材料， 破坏时无明显 的预兆 。因此 ， 加 固后 电杆 的脆 性 加 大 、 延 性 变 差 ， 但其强度和刚度却得到 了显著提高 ， 一方 面外加 的 C F R P材料本身就有很强的抗拉能力 ， 其次 ， 外包的 C F RP对其 内部 的混凝 土起 到很 好的约束作用 ， 使 得 内部混凝土强度得到提高， 从而导致其强度 和刚 度 的提 高 。 Z 麦 耨 避 跨 中位移D ／ m m 注： 一R C P 一 1 一R C P 一 2 一I i C P - 3 — ． - f R C P — f I ) C F R P - I— — 一 R C P 一 ( 2 )CF R P - 2— 一R C P 一 ( 2 ) C F R P 一 3 ( a 1 杆身试件 ： 熏 嬗 跨中位移D ／ m m 注： 一R C P — J l —R C P - J 2— 一 R ( ： P - J 3 一R C P — f 1 )C F R P — J 1 一R C P 一 ( 1 ) C F RP - J 2— - ． 一R C P 一 ( 2 ) C F R P — J 3 ( h 1 接头试件 图 5 试 件荷载一 挠度 曲线 3极限承载力 3 ． 1 极 限荷 载对 比分 析 图 6 ( a ) 所示为杆 身试 件的极 限承载力分布概 况 。由图可知 ， 经碳纤维布加固后 ， 电杆杆身的承载 能力得到较大改善 ， 纵 向黏贴单层 C F R P试件 的极 限荷载是对 比试件的 1 ． 3 2 ～1 ． 4 3倍 ， 采用双层黏贴 的试件极限值约是未加 固试件的 1 ． 6 2倍 。 图 6 ( b ) 所示为带接头杆身试件 的极 限承载 力 分布情况。从图中可见， 对 比加固前后的极 限荷载 ， 采用单层 C F R P加 固后 的值相比加固前有了很大的 提高 ， 约为 7 5 ；而以双层 C F R P加固的试件极限 荷 载 比未加 固接 头试 件增 大 1 1 1 ， 效果 极 为 明显 。 4 0 0 3 50 z 3 0 0 2 5 0 錾2 0 0 垂1 5 0 l o 0 5 0 0 注：—● RC P 一 1 R C P 一 2 RC P 一 3 旺 王 丑R CP - ( 1 ) C F RP -1■ l R C P 一 ( 2 ) CF R P 一 2[ ] R cP 一 ( 2 ) C F R P 一 3 ( a )杆身试件 4 5 0 4o 0 3 5 0 ；3 0 0 稼 2 5 0 甚2 0 0 肇1 5 0 l o o 5 0 O 注 ：I R C P— J l R C P — J 2 RC P — J 3 日 i 丑 R C P 一 ( I ) CF R P — J l _ I — R C P 一 ( I ) CF R P — J 2 [ = ] R C P 一 ( 2 ) C F R P - J 3 ( b ) 带接头试件 图 6极 限承载 力分布概 况 3 ． 2 正截 面 承载 力计 算 因该路段 电杆 服役期 已超过相应年 限， 且其超 龄时间较长， 杆件老化情况严重 ， 为了明确 电杆杆身 受 C F RP加 固后所具有 的承载能力， 根据电力行业 规范 D L ／ T 5 1 5 4 --2 0 0 2 { 架空送 电线路杆塔结构设计 技术规定》 I l g 的规定， 进行相应计算分析。环形截面 受弯构件的正截面承载能力可按式( 1 ) ～( 3 ) 计算 ： M ≤ f o A( r 1 +r 2 ) +， A r —s i n u a q - — s i naa, 厶 7 【 7 【 ( 】 ) 一 ( 2 ) 口 一 1— 1 ． 5 a ( 3 ) 式中： M 为弯矩设计值 ， N mm； r 为 电杆 的内半 径， mm； r z为电杆 的外半径 ， r n m； r 为纵 向普通钢 筋所在圆的半径 ， mm； f o 为混凝土轴心抗压强度设 计值 ， MP a ； f 为钢筋抗拉强度设计值 ， MP a ； 为受 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 陈宗平 ， 等 ： 碳 纤维布加固超役混凝土电杆的破坏机理及 力学性能4 3 压区混凝土截面面积与全截面面积 的比值 为受 拉纵 向钢 筋截 面 面积与 全部 纵 向钢 筋截 面 面积 的 比 值 ， 当 a > 2 ／ 3时 ， 取 a 一0 ； A 为 混 凝 土 截 面 面 积 ， mm 。其中各值均按试 验实测值计 ， 计算结果列于 表 2中 。 表 2 杆 身试件 的试验 值和计算值对 比 由表 2 可见 ， 加 固前的所有杆身极 限承载力均 低于计算值 ， 说明老旧电杆的承载能力退化严重； 而 经 C F RP的加 固 ， 杆 身所 具 有 的承 载 能 力 得 到 相 应 提高 ， 且不 同的碳纤维布黏贴层数具有较大影响。 综合 多方 面考 虑 ， 由于 接 头 处 为 整 根 电 杆 的 薄 弱 部位 ， 本 文建 议 在 接头 部 位 的一 定 距 离 内采 取纵 向黏贴双层碳纤维布进行加 固， 而其余杆 身处则 以 纵 向单 层碳纤 维 布给予 补 强 。 4刚度及损伤分析 4 ． 1 刚度及 退化 规律 表 3所示 为所 有试 件加 载初 期 的 弹性 刚度 及 加 固杆件相对于未加 固电杆的变化幅度 ， 各值取弹性 状态时的平均值 ， 其 中以对 比试件的刚度 值作 为基 准 。由表 3可见 ， 对 比 2类 加 固前 的杆 件 ， 带 钢 圈接 头试件的弹性 刚度 略小于杆身试件 的刚度 ， 这可能 是 由于钢 圈接 头 与混凝 土连 接处 产生 一 定 的锈 蚀 和 碳化 ， 导致 接头 连接 性 能退化 ； 对于 第 1批 试件 ， C F RP加固后的杆身刚度较之对 比试件有 了较大的 提高， 但与纵向黏贴碳纤维布层数 的关系不 明显 ， 单 层者与双层黏贴试件值较为接 近； 对于跨 中带钢 圈 接头试件 ， 经碳纤维布加 固后 ， 弹性刚度有了很大程 度的提高， 黏贴双层试件 的值约是单层碳 纤维布的 2倍 ， 不 同数量 的纵 向碳 纤维布对弹性刚度 的贡献 较 为明显 。 表 3电杆试件弹性 刚度 试件编号 K。 ／ ( k N t l l r n ) 提高倍数 试件 编号 K。 ／ ( k Nmm ) 提高倍数 RCP — l 21 ． 2 RCP— J 1 1 8． 3 RCP 一 2 2 2 ． 4 RCP J 2 1 8． 0 RCP 一 3 2 3 ． 0 RCP— J 3 1 6 ． 6 RCp- ( 1 ) CFRP 一 1 6 1 ． 8 1 ． 8 RCP 一 ( 1 ) CFRP J 1 61 ． 8 2 ． 5 RCP～ ( 2 ) CFRP一 2 5 6 ． 3 1 ． 5 RCP 一 ( 1 ) CFRP — J 2 5 5． 4 2 ． 1 RCP～ ( 2 ) CF RP 3 6 8 ． 4 2 ． 1 RCP 一 ( 2 ) CFRP— J 3 1 1 7 ． 9 5 ． 7 图 7为试件刚度在加载全过程 中的分布情况。 由图可知 ， 随着荷载水平的提高， 绝大部分试件的刚 度变化表现为 ： 位于加载初期的值较为稳定 ， 随后 当 荷载有 了较大提高后 ， 其值迅速减小， 之后刚度衰减 幅度有 变小 的趋 势 ， 最 终 趋 于 稳 定 地 降 低 。除 个 别 试 件外 ， 加 固者 与 对 比试 件 的刚 度 退 化 过 程 较 为 相 似 ， 但位于弹性末期时， 加固试件值较之初期有个上 升 的过 程 ， 这 可 能 是碳 纤 维 布 开 始 参 与 较 多 抗 弯 贡 献所起的作用。对 比可见 ， 无论是杆身试件还是带 接头试件， 经碳纤维布加固后， 电杆受力各阶段的刚 度均较之未加固试件的大； 图 7 ( a ) 所示， 虽然加固 试件的前期刚度较为接近， 但当试件处 于弹塑性发 展阶段时， 黏贴的 C F RP层数对刚度的影响还是具 有显著的区别， 单层试件值 比双层试件的小。 4 ． 2 刚 度退化 的数 学描 述 从各试件 的荷载一 刚度 曲线 可知 ， 对于加 载初 期 ， 由于荷载和位移大致呈线性变化， 因此假定此时 的刚度可近似按水平直线描述 ； 随着荷载的增加 ， 刚 度逐渐衰减 ， 其 曲线大体上表现为指数 函数的形式 ， 通 过获 取荷 载一 挠 度 曲线 上 的特 征 点 荷 载 以及 特 征 点刚度 ， 并经数学拟合后 ， 提出了以下经验公式 ： ， f K 0 < P≤ P ． 一 ， ( 4 ) l K e P < P 一 式中： K 为初 始弹性 刚度； P 为弹性极 限荷 载。忌 为拟合系数 ， 建议取值如下 ： 未加固的杆身试件， k 一 0 ． 0 1 5 8 ． 力 Ⅱ 固后的杆身试件， k 一0 ． 0 0 7 2 ； 未加固的 接头试 件 ， k一0 ． 0 1 4 9 ； 加 固接 头后 的试 件 ， 忌= = = O ． O0 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 加载P／ k N 注 ： RC P 1 RC P 一 2 一R CP 一 3 一R CP 一 ( 1 ) c F R P —l一 一 RC P 一 (2 ) C F R P一 2一RC P 一 (2 ) C F RP - 3 ( a ) 杆身试件 加载P ／ k N 注： _ * 一RC P - J 1 一RC P — J 2 一RC P - J 3 一R C P - ( I ) C F R P - ] 1 —— 一R c P 一 ( 1 ) c F R P — J 2+R c P 一 ( 2 ) c F R P — J 2 f b ) 带接头试件 图 7 试 件刚度随加载的变化规律 图 8刚度退化 的简化计算模 型 4 ． 3刚度一 裂缝宽 度 曲线 截面环向裂缝的产生与发展是 电杆刚度退化 的 直接体现 ， 由于加 固试件的混凝土外表 面被碳纤维 布包 围， 表面混凝土的裂缝开展情况很难获取， 且带 钢圈接头试件 的跨 中为钢材， 并不产生裂缝 ， 因此 ， 本文只限于讨论未加固的杆身试件。图 9所示为该 类试 件 刚度一 裂缝 宽度 曲线 。从 图 中可 见 ， 3根试 件 的变化规律基本相似 ， 由此可用相应 的数学表达式 表 示 刚度与 裂缝 宽度 的相互 关 系 ： f 0 K — K 叫 一 { a — b ln K — K 。 e 一 ‘ f 一 = 。 e 一 式中： 砌为裂缝宽度 ， n l m； 经拟合后 ， 建议系数 a取 值为 2 ． 2 3 7 ； 系数 b 取值为 1 ． 0 2 2 。 4 ． 4 损伤 分析 在全过程加载 中， 试件抗弯 曲变形能力随荷载 的增长而逐渐减弱 ， 由此而导致杆件 的挠度逐步加 大 ， 环向裂缝不断向截面顶部发展 ， 裂缝增长增宽增 刚度K ／ (k N m m ’ 。) 注 ：一RC P 一 1 一RC P 一 2 — R C P 一 3一F i t t e dl i n e 图 9刚度一 裂缝宽度 曲线 深 ， 该类破坏形 态的发展源于其截面微损 伤累积 的 结果 。为了定量地描述损伤发展过程 ， 依据经典损 伤力学原理 ， 提出弯曲损伤度 D 的概念。文献[ 2 O ] 表明： 采用材料的弹性模量变化定义其 损伤度是最 实用、 有效的方法 。基于此 ， 本文提出的弯曲损伤度 D 是建立在整体刚度之上而得到 ， 其表达式为 ： D 一 一 ( 6 ) 式中： K为损伤后的刚度 ， 其值 可通过求解荷载一 跨 中挠度的切线模量而得到。 考虑到加载初期电杆处于弹性状态 ， 认为此时 无 损伤 ， 因而定 义损 伤 度 为 零 ； 当荷 载提 高后 ， 杆 件 进入弹塑性发展阶段 ， 开始 出现微损伤 ， 此时未达破 坏 状 态 ， 因而 可 定 义 该 状 态 的损 伤 度 介 于 0 ～ 1之 间； 当试件破坏时， 此时损伤度达“ 1 ” 。图 l 0所示为 各试件 的损伤发展历程。由图可见 ， 经碳纤维布加 固后的试件 ， 其损伤发展有所提前 ， 究其原因在于电 杆采用 C F R P包裹后 ， 内部 昆 凝 土受约束而强度有 所 提 高 ， 导 致脆 性性 质部 分加 强 ； 又碳纤 维 布 与混 凝 土两类材料具有不同的损伤累积效果 ， 比较而言 ， 混 凝土 的脆性 性 质 更 明显 ， 两 者 之 间 的不 均 匀 性 导 致 损伤累积在混凝土更加集 中。 5 结 论 1 ) 采用 C F R P加 固电杆杆身及跨中带连接接头 的电杆 ， 其最终破坏均表现为混凝 土与 C F R P的表 面粘脱失效， 破坏时以纵向碳纤维布被拉断作为标 志， 脆性性质明显 ， 混凝土无压溃。 2 ) 经测试后 ， 试验 中未加 固电杆和加 固电杆 的 截面平均应变大致符合平截面假定 。 3 ) 采用 C F RP加固后的试件承载能力得到不同 程度 的增强 ； C F R P加 固的层数对带接 头试件 承载 力影响颇大， 不同加 固方式的加固效果明显 ， 但杆身 试件采用的双层加固与单层加 固区别不大 ， 这可能 2 08 6 4 2 O8 6 4 2 0 8 6 42 O 33 2 2 2 22 l l 1 1 1 O OO O O g／m 槭 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 陈宗平， 等： 碳纤维布加 固超役混凝土电杆的破坏机理及力学性能 4 5 与试 验样 本较 少有关 。 跨中位移D ／ m m 注： 一RC P 一 1 一R CP - 2— 一 R CP - 3 — 一 Rc P一 ( 1 ) C F R P一 1+RC P - ( 2 ) C F RP - 2十RC P - ( 2 ) C F RP 一 3 ( a ) 杆身试件 跨 中位移D ／ m m 注： —◆ _ _ RC P - J 1— 一R CP — J 2 +R C P — J 3 一R c P 一 ( 1 ) c F R P — J l — — 。 ～ R c P 一 ( 1 ) c F R P — J 2— — 一R C P - ( 2 ) C F R P — J 3 ( b 滞 接头试件 图 1 0 试件损伤发展历程 4 ) 根据相应 的规范公式 ， 验算 了杆身试件 的极 限承载力 ， 得到加 固前的电杆杆身承载能力退化较 大 ， 加固后杆身的极限承载力显著高于计算值 。 5 ) 对比分析了各试件受力各 阶段的刚度变化规 律 ， 得到加固后的刚度较之加固前有所提高， 且与纵 向黏贴 C F RP层数有较大关系 ， 并提出刚度退化规 律公式 ； 描述 了对 比的杆身试件刚度与裂缝宽度的 变 化关 系 。 6 ) 加固试件 因材料 间存在损 伤 累积的不均 匀 性 ， 加 固 电杆 的损 伤 累积较 之加 固前试 件 快而集 中 。 7 ) 综合考虑经济效益 ， 建议 在接 头部位 的一定 距离 内采取纵 向黏贴双层碳纤维布进行加 固， 而其 余杆身处则以纵向单层碳纤维布给予补强 。 参考 文 献 ： [1 ]夏开全 ， 张 向冈 ， 陈宗平 ， 等． 服役 预应力混凝 土 电杆 极 限承载力试验研究[ J ] ． 广西 大学学报： 自然科学版， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 9 — 3 3 ． Xi a K Q， Z h a n g X G， Ch e n Z P， e t a 1 ． An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e u l t i ma t e b e n d i n g c a p a c i t y o f i n - s e r v i c e p r e s t r e s s c o n c r e t e p o l e [ J ] ． J o u r n a l o f Gu a n g x i Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 9 — 3 3 ． [2] 刘思远， 夏开全， 陈宗平． 在役钢筋混凝土电杆抗弯承载 能力研究E J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 1 ， 2 6 0 ( 6 ) ： 6 0 — 6 3 ． Li u S Y， Xi a K Q， Ch e n Z P． S t u d y o n r e s i d u a l c a r r y i n g c a p a c i t y o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o l e s [ J ] ． C o n c r e t e ， 2 0 1 1 ， 2 6 0 ( 6 ) ： 6 0 — 6 3 ． [3 ]刘思远 ， 夏 开全 ， 陈宗平 ， 等． 在役 钢筋混 凝土 电杆剩余 承载能