ESPI技術(shù)對外貼纖維混凝土加固承載的實驗研究

摘要： 采用電子散斑干涉技術(shù)，對外貼碳纖維加固混凝土梁的外貼材料位移的分布特征，進行了全場實時測量，通過實驗獲得的散斑干涉條紋圖可以得到外貼材料與混凝土梁的粘結(jié)傳力長度隨粘結(jié)長度及初始載荷之間的關(guān)系：了解用于加固的碳纖維材料的應(yīng)變分布特點和產(chǎn)生梁側(cè)剝離破壞時的碳纖維表面位移(應(yīng)變)的演化過程。實驗還說明了電子散斑干涉技術(shù)不僅可用于位移的測量，而且也可用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測和破壞預(yù)報。文中給出了對C20D、C25A和C60C側(cè)貼碳纖維板加固在不同載荷作用直到構(gòu)件破壞前的位移測試及對試件C60C軸線上的剪應(yīng)力分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：纖維復(fù)合材料；混凝土梁； 粘貼加固； 電子散斑干涉技術(shù)(ESPI)； 面內(nèi)位移測量

1　引言

　　由碳、玻璃等纖維與樹脂類基材組成的纖維增強復(fù)合材料(FRP)，屬于脆性材料。將FRP粘貼于混凝土構(gòu)件受拉區(qū)域的表面，使外貼材料與構(gòu)件共同工作，以提高已有構(gòu)件的抗力。對于因材料的老化、超期使用、過載、風(fēng)化、缺乏維修等原因引起的病危構(gòu)件，目前也通常采用外貼加固法對構(gòu)件進行加固，提高結(jié)構(gòu)的安全性，延長使用壽命。

外貼纖維加固梁斜截面的破壞有兩種基本模式^[1]：一種是纖維斷裂破壞，即纖維達到其拉伸極限而斷裂所導(dǎo)致的破壞，試驗表明，幾乎所有采用封閉粘貼和少數(shù)U型粘貼的加固構(gòu)件產(chǎn)生這種破壞：另一種是纖維剝離破壞，即外貼纖維在達到其極限抗拉能力之前，由于與構(gòu)件的結(jié)合力不足與構(gòu)件脫離，導(dǎo)致外貼纖維失效，引起構(gòu)件破壞，此時纖維材料還沒有達到纖維強度。試驗表明，幾乎所有側(cè)梁粘貼和大部分U型粘貼加固構(gòu)件的破壞屬于這種。為了全面了解和為建立外貼纖維加固梁承載力的計算方法和模式提供必要的參考數(shù)據(jù)，必須通過實驗測試了解外貼纖維承載方式和載荷大小，以及其破壞瞬間的應(yīng)變分布情況。

普通的應(yīng)變位移測試技術(shù)，如應(yīng)變片等，均采用單點測量，并且傳感器等本身會給被測物體帶來附加質(zhì)量或局部補強，改變了物體的固有應(yīng)變響應(yīng)特性，并且測量得到只是一些離散值。光力學(xué)如云紋干涉法、全息干涉及激光散斑法等技術(shù)測試分析物體的振動及應(yīng)變，具有非接觸性、高精度、高靈敏度、全場性和直觀可視等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的光測技術(shù)必須利用銀鹽干板作記錄介質(zhì)，需要經(jīng)過沖洗等費時、費力的濕處理過程，操作過程復(fù)雜，再加上條紋圖的處理極其費時，這就使其在實際應(yīng)用較困難。電子散斑干涉法(ESPI)多采用CCD作為記錄載體，雖然CCD的空間分辨率遠遠低于全息照片使得其測量分辨率不如全息術(shù)，但ESPI具有和全息術(shù)同樣的測量靈敏度，其測量結(jié)果可以直接由模擬電子系統(tǒng)和計算機來處理， 因此除具有全息術(shù)的測量特點外， 還具有測量實時迅速、簡便等優(yōu)點^[2～4]。本文應(yīng)用ESPI技術(shù)測量加固混凝土構(gòu)件的外貼纖維在受拉、直到構(gòu)件破壞過程中的纖維面內(nèi)位移的光學(xué)測量研究工作，該方法能全面直觀地提供纖維在受載過程中直至構(gòu)件破壞前瞬間的位移分布情況。

2　ESPI測面內(nèi)位移方法

2. 1　ESPI面內(nèi)位移測試原理

為了減少離面位移給測量帶來的誤差，采用如圖1所示的對稱相干光結(jié)構(gòu)光路照明被測物體表面，利用CCD攝像機和作者基于圖像采集系統(tǒng)開發(fā)的軟件，將物體表面變形前、后的兩幅散斑圖像各點的灰度值式(1)和式(2)按照式(3)實現(xiàn)實時自動對應(yīng)相減。

上面諸式中，A₁、A₂和Ψ(t)分別表示兩束入射光的振幅和t 時刻物面變形引起的相干光的干涉相位變化。由于采用上述圖像相減模式，克服了穩(wěn)定的背景散光的影響，所以ESPI可在明室下操作。

當(dāng)被測物體t 時刻具有沿x方向的面內(nèi)位移u(t)時，以相同入射角θ(本實驗中為45°)的兩束光線之間的相對光程差為2u(t)sinθ，相位變化可表示為

式中，K為相干光波長(實驗中采用He-Ne激光器照明，波長為633nm )。從(4)式可以看出，當(dāng)Ψ(t) =2n∏，(n=0，±1，±2，⋯)時，I _t(x，y)=0即出現(xiàn)暗條紋，此時面內(nèi)位移u(t)與條紋級次n的關(guān)系為

利用CCD攝像機，可實現(xiàn)電子散斑干涉法研究物體在變載荷作用下的時間與變形的函數(shù)關(guān)系。 

2. 2　實驗布置和圖像采集

圖2為專門設(shè)計的一套用來測試外貼纖維加固混凝土抗拉性的實驗裝置示意圖，用于加固的碳纖維布(或板)將兩塊混凝土試塊連結(jié)在一起，在兩塊混凝土之間放置油壓千斤頂和力傳感器分別用來加載和測試碳纖維所承受的拉力大小。為了便于散斑的形成和提高條紋對比度，在被測的外貼碳纖維和混凝土的表面噴上一層白漆。實驗時由于采用圖2的裝置，左側(cè)混凝土試塊的左側(cè)面用環(huán)氧樹脂膠粘貼有一塊鋼板上并用四個螺絲被固定在裝置上，這樣粘貼在混凝土試塊上的碳纖維布(或板)在受拉時只能向右伸長移動。

圖像采集系統(tǒng)是由CCD攝像機、Meteor-II高級圖像采集系統(tǒng)及計算機等組成，圖像采集軟件具有實時相減，并可直接顯示在計算機的顯示器上，而不再需要配置傳統(tǒng)的圖像監(jiān)視器。先采集物體變形前的物面散斑場信息并存于計算機的緩存中，再采集加載后的表面散斑場。變形前后的散斑圖像直接相減并實時顯示，得到反映被測表面各點面內(nèi)位移等值線的條紋圖。圖像采集系統(tǒng)采集的圖像為8bit灰度級640×480像素，對應(yīng)于被測物表面169×112mm²的面積。

3　實驗分析

　　實驗中測試的為強度從C20A到C60C系列混凝土試件，共23對。所有試件中的混凝土試塊尺寸均為150×150×150mm³，外貼用纖維板厚1.35mm，寬49mm，試件中除被測粘貼纖維板左端那部分外、其它與混凝土粘貼的纖維板大部分采取了增貼U型纖維布，保證在纖維板拉伸過程中這些部位不可能先被拉斷。為了方便散斑的形成，在混凝土和碳纖維的表面噴上一層白漆。圖2中的力傳感器和應(yīng)變儀讀數(shù)實驗前經(jīng)過標(biāo)定，9.8kN的力產(chǎn)生140µδ。

由于在拉伸過程中，位移量超過散斑尺寸時，相關(guān)性將被破壞，相關(guān)條紋也將模糊，甚至消失， 所以采用分段加載并逐段采集記錄的方法記錄位移。即在每段加載前采存一幅散斑圖像，再采集受載后的散斑圖像并與前一幅圖像實時數(shù)字相減，保存在這段載荷下的ESPI條紋圖像：然后再采集當(dāng)前載荷下的散斑圖像作為變形前的圖像，再繼續(xù)加載、采集受載后的散斑圖像并進行實時數(shù)字相減，得到在新載荷段下的ESPI條紋圖像。加載過程中圖像實時數(shù)字相減且同步觀察條紋隨載荷變化而變化的情況，隨時可以進行記錄。

因篇幅所限，本文僅給出其中三對試件的實驗結(jié)果。

圖3 (a)～(d)為編號C20D的情況，纖維板與混凝土粘貼接觸長度為150mm。圖3(a)、4(a)和5 (a)為尚未加載時采集到不同編號試件的粘貼纖維板及混凝土塊的圖像：圖3(b)～(d)分別對應(yīng)于應(yīng)變儀讀數(shù)由106µδ增至121µδ、318µδ增至334µδ和418µδ增至419µδ采集的ESPI條紋圖， 最后斷裂時應(yīng)變儀的讀數(shù)為421µδ，斷裂原因是非測試面纖維板根部與混凝土粘貼不好開膠導(dǎo)致破壞：圖3(b)、(c)的ESPI條紋圖中混凝土上有水平方向條紋說明試件受載時有轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。

圖4 (a)～(d)為編號C25A的情況:纖維板與混凝土粘貼接觸長度為75mm。圖4 (b)～(d)分別對應(yīng)于應(yīng)變儀讀數(shù)由100µδ增至109µδ、177µδ增至187µδ和288µδ增至294µδ采集的ESPI 條紋圖，最后斷裂時應(yīng)變儀的讀數(shù)為304µδ，由開裂結(jié)果可以看出纖維板末端與混凝土局部粘貼不太好開膠斷裂。

圖5 (a)～(d)為編號C60C的情況，纖維板與混凝土粘貼接觸長度為150mm。圖5(b)～(d)分別對應(yīng)于應(yīng)變儀讀數(shù)由114µδ增至139µδ、333µδ增至355µδ和581µδ增至583µδ采集的ESPI條紋圖，最后斷裂時應(yīng)變儀的讀數(shù)為593µδ，破壞情況是粘貼處混凝土開裂導(dǎo)致最后纖維板剝離。

圖6是根據(jù)粘貼在C60C試件上FRP板不同載荷下相應(yīng)的散斑條紋圖，利用式(5)，分析計算得到逐級加載過程中被測試?yán)w維板表面中心軸線上各點的剪應(yīng)力，因為混凝土的位移很小，可認(rèn)為這個位移就是FRP與混凝土之間的相對滑移量，而由滑移量差分得正應(yīng)變：正應(yīng)變乘以FRP彈性模量得到應(yīng)力(FRP是線彈性的)，這樣再根據(jù)一個微段的內(nèi)力平衡條件就獲得FRP與混凝土之間的剪應(yīng)力。

4　討論與結(jié)論

　　由于實驗中未對y方向的位移進行限制及混凝土和纖維板粘貼不理想等情況，使得部分試件在加載的過程中出現(xiàn)試件在xy平面內(nèi)繞z軸轉(zhuǎn)動等不利情況。本實驗采用的方法靈敏度極高，可以達到波長的量級，但因其最大可測位移受散斑尺寸的限制，因而只能采取分級逐段加載、采集圖像的方法進行測量。

通過本實驗可以實時觀察到加固碳纖維板和混凝土試件受力過程中碳纖維表面的位移場演變?nèi)^程，根據(jù)對23對試件實驗結(jié)果進行分析可得到如下結(jié)論:

1) 梁側(cè)貼加固碳纖維板在受力過程中，并不是和混凝土相粘貼的碳纖維全部承受拉力，而且各個部分實際承受的拉力也不一樣，這一點可以從得到的ESPI條紋圖中條紋不均勻分布可以看出：

2) 碳纖維板和混凝土之間存在有效粘結(jié)傳力長度，這個長度并不能簡單地取實際粘貼長度， 這一點可從圖4(b)、(c)和圖5(b)、(c)明顯看出：

3) 根據(jù)觀測到的條紋變化情況可對外貼加固構(gòu)件粘貼處破壞進行預(yù)測預(yù)報，從圖3(d)、圖4(d)和圖5(d)的圖可以看出，在試件即將破壞前出現(xiàn)位移條紋紊亂和布滿整個粘貼的纖維板時， 說明粘貼處纖維的各部分都承載，且嚴(yán)重不均導(dǎo)致局部剝離和破壞，預(yù)示整個粘貼部分很快就要破壞。

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(作者： 1. 東南大學(xué)工程力學(xué)系， 江蘇南京210096： 2. 東南大學(xué)建筑工程系， 江蘇南京210096)