碳纤维布加固超役混凝土电杆的破坏机理及力学性能
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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（CFRP）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：TU528
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2013）04-0038-09
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[1-3]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[5-7]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[8-18]，本文选取其中某路段1959年开始服役的混凝土电杆12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（CFRP）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。
1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22.8 MPa；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401 MPa，极限强度为475 MPa，伸长率为27.5%；连接接头的钢圈厚度为8 mm，长度为200 mm。本文采用武汉长江加固技术有限公司生产的CJ300型碳纤维布和配套的YZJ-CQ纤维复合材料浸渍粘结用胶作为加固材料。
1.2试件制作
12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400 mm、内径为300 mm、壁厚为50 mm；钢筋形心所在圆半径为169 mm，共16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。CFRP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CFRP的外表面粘贴环向CFRP环箍，环箍的宽度为10 cm，2环箍之间的净距为20 cm；第2批试件中，1根为双层粘贴，2根为单层粘贴，并在纵向CFRP的外表面粘贴环向CFRP环箍，环箍的宽度为50 cm，两环箍之间的净距为20 cm，环箍的粘贴顺序是从中间钢圈环箍两侧往两端头按净距20 cm逐一粘贴，各试件概况见表1。
试验采用荷载控制的加载制度，先预载，后以预估极限荷载的5%作为步长分级加载，为方便采集和观察，每级荷载维持恒定时间为5～10 min。
2试验结果及分析
2.1试验过程及破坏形态
在加载初期，所有试件荷载的增加与位移变化均呈线性关系，对比试件（未作CFRP加固电杆）表面混凝土无环向裂缝出现，加固试件表面的碳纤维布无拉断现象。当荷载增加至一定水平，第1批未加固试件在接近跨中处开始从截面底部出现环向微裂缝，第2批对比试件则在分配梁至钢圈之间的混凝土出现环向裂缝，并不断向顶部发展，而其余试件均无开裂现象。随着荷载的加大，第1批的对比试件截面底部和上部钢筋先后达到屈服，且裂缝增宽增深，加固的杆身试件截面上下边缘钢筋分别达到屈服；第2批试件中除黏贴双层碳纤维布的电杆外，其余加固试件均表现为钢圈底部和顶部钢材先后进入屈服状态，但未加固试件的钢圈应变值较小。继续加大荷载，所有加固试件在跨中位置附近听到一些碳纤维布与表面混凝土粘结脱离的撕裂声，但并没有发现任何开裂或CFRP材料断裂现象。荷载持续增加，此后每增加1级，都会听到类似的响声，当加载至接近破坏荷载时，在分配梁支座位置下端听到一声“轰”的巨响，发现在2条环向CFRP环箍之间的纵向碳纤维布被拉断，露出拉断的碳纤维丝，且CFRP被拉断处冒出混凝土粉末，试件的挠度急剧增大，荷载无法再增加，试验结束。试验结束后，撕掉拉断的CFRP发现，冒出的混凝土粉末是由于粘贴CFRP用的结构胶把表面混凝土拉脱引起。未加固试件则在靠近分配梁支座处断裂破坏。
综合破坏现象来看，2批电杆中的对比试件均为混凝土受拉开裂，第1批试件为上下部钢筋先后达到屈服，而第2批的接头钢圈未能进入屈服，受压区混凝土并不压溃，破坏过程迅速，属“少筋梁”破坏；受CFRP加固试件的破坏为CFRP材料与表面混凝土产生局部粘结脱离，最后是CFRP环箍之间的纵向CFRP被拉断，其过程较为迅速，脆性性质明显，剥离CFRP布后，混凝土无压溃。部分试件的破坏形态见图2。
2.2截面应变特征
图3和图4为2类试件纯弯段内位于表面混凝土和表面碳纤维布的截面平均应变变化规律，图中曲线表示应变在各级荷载水平下沿截面高度的分布特性，其中横坐标对应图1中相应剖面的环向角度（°），纵坐标表示均值应变。从图3、图4可见，2类试件的截面应变大致符合平截面假定。对于第1批杆身试件，未加固电杆由于混凝土开裂后退出工作，主要为试验弹性阶段的应变分布，加固试件在加载后期，特别是当试件接近破坏时，受拉区（T）的截面应变呈现出一定的曲线形态，如试件RCP-（2）CFRP-2底部拉区测点的应变突降，这可能是由于受拉区边缘范围混凝土裂缝受碳纤维布约束而发展缓慢，从而相互制约，导致CFRP的应变在此处有所降低；对于第2批带接头试件，加固试件的截面中性轴较之对比试件离受压区（C）边缘更为接近，拉区应变相对加大。
2.3荷载跨中挠度曲线
图5为所有试件的荷载跨中挠度曲线。从图5可见，2批试件曲线的发展趋势大体相似：加固前的试件都经历了线弹性阶段、弹塑性阶段以及荷载水平段；加固后的试件则表现为弹性增长段、弹塑性发展段。在曲线的开始阶段，不同模式下的试件荷载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CFRP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CFRP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CFRP加固后试件的破坏形态发生了改变，其表现为CFRP与混凝土之间的粘脱失效和CFRP被拉断，而CFRP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CFRP材料本身就有很强的抗拉能力，其次，外包的CFRP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。
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CFRP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，CFRP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。
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CFRP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。
4.4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Ds的概念。文献[20]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Ds是建立在整体刚度之上而得到，其表达式为：
Ds=1-KK（6）
式中：K为损伤后的刚度，其值可通过求解荷载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10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CFRP包裹后，内部混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CFRP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CFRP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CFRP加固后的试件承载能力得到不同程度的增强；CFRP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，这可能与试验样本较少有关。
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CFRP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。
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