摘要： 采用電子散斑干涉技術(shù)，對(duì)外貼碳纖維加固混凝土梁的外貼材料位移的分布特征，進(jìn)行了全場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，通過實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度隨粘結(jié)長(zhǎng)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(diǎn)和產(chǎn)生梁側(cè)剝離破壞時(shí)的碳纖維表面位移(應(yīng)變)的演化過程。實(shí)驗(yàn)還說明了電子散斑干涉技術(shù)不僅可用于位移的測(cè)量，而且也可用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和破壞預(yù)報(bào)。文中給出了對(duì)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(cè)試及對(duì)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(cè)量

1　引言

　　由碳、玻璃等纖維與樹脂類基材組成的纖維增強(qiáng)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(duì)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(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固，提高結(jié)構(gòu)的安全性，延長(zhǎng)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(dá)到其拉伸極限而斷裂所導(dǎo)致的破壞，試驗(yàn)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(dá)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(shí)纖維材料還沒有達(dá)到纖維強(qiáng)度。試驗(yàn)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(jì)算方法和模式提供必要的參考數(shù)據(jù)，必須通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試技術(shù)，如應(yīng)變片等，均采用單點(diǎn)測(cè)量，并且傳感器等本身會(huì)給被測(cè)物體帶來附加質(zhì)量或局部補(bǔ)強(qiáng)，改變了物體的固有應(yīng)變響應(yīng)特性，并且測(cè)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(cè)試分析物體的振動(dòng)及應(yīng)變，具有非接觸性、高精度、高靈敏度、全場(chǎng)性和直觀可視等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的光測(cè)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(fèi)時(shí)、費(fèi)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(fèi)時(shí)，這就使其在實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于全息照片使得其測(cè)量分辨率不如全息術(shù)，但ESPI具有和全息術(shù)同樣的測(cè)量靈敏度，其測(cè)量結(jié)果可以直接由模擬電子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)來處理， 因此除具有全息術(shù)的測(cè)量特點(diǎn)外， 還具有測(cè)量實(shí)時(shí)迅速、簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)^[2～4]。本文應(yīng)用ESPI技術(shù)測(cè)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(cè)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(cè)面內(nèi)位移方法

2. 1　ESPI面內(nèi)位移測(cè)試原理

為了減少離面位移給測(cè)量帶來的誤差，采用如圖1所示的對(duì)稱相干光結(jié)構(gòu)光路照明被測(cè)物體表面，利用CCD攝像機(jī)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(diǎn)的灰度值式(1)和式(2)按照式(3)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)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(shí)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(cè)物體t 時(shí)刻具有沿x方向的面內(nèi)位移u(t)時(shí)，以相同入射角θ(本實(shí)驗(yàn)中為45°)的兩束光線之間的相對(duì)光程差為2u(t)sinθ，相位變化可表示為

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

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

2. 2　實(shí)驗(yàn)布置和圖像采集

圖2為專門設(shè)計(jì)的一套用來測(cè)試外貼纖維加固混凝土抗拉性的實(shí)驗(yàn)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(cè)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(duì)比度，在被測(cè)的外貼碳纖維和混凝土的表面噴上一層白漆。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)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(shí)只能向右伸長(zhǎng)移動(dòng)。

圖像采集系統(tǒng)是由CCD攝像機(jī)、Meteor-II高級(jí)圖像采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)等組成，圖像采集軟件具有實(shí)時(shí)相減，并可直接顯示在計(jì)算機(jī)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(chǎng)信息并存于計(jì)算機(jī)的緩存中，再采集加載后的表面散斑場(chǎng)。變形前后的散斑圖像直接相減并實(shí)時(shí)顯示，得到反映被測(cè)表面各點(diǎn)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(jí)640×480像素，對(duì)應(yīng)于被測(cè)物表面169×112mm²的面積。

3　實(shí)驗(yàn)分析

　　實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的為強(qiáng)度從C20A到C60C系列混凝土試件，共23對(duì)。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(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)可以進(jìn)行記錄。

因篇幅所限，本文僅給出其中三對(duì)試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 (a)～(d)為編號(hào)C20D的情況，纖維板與混凝土粘貼接觸長(zhǎng)度為150mm。圖3(a)、4(a)和5 (a)為尚未加載時(shí)采集到不同編號(hào)試件的粘貼纖維板及混凝土塊的圖像：圖3(b)～(d)分別對(duì)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(shí)應(yīng)變儀的讀數(shù)為421µδ，斷裂原因是非測(cè)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(shí)有轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 (a)～(d)為編號(hào)C25A的情況:纖維板與混凝土粘貼接觸長(zhǎng)度為75mm。圖4 (b)～(d)分別對(duì)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(shí)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(hào)C60C的情況，纖維板與混凝土粘貼接觸長(zhǎng)度為150mm。圖5(b)～(d)分別對(duì)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(shí)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(jì)算得到逐級(jí)加載過程中被測(cè)試?yán)w維板表面中心軸線上各點(diǎn)的剪應(yīng)力，因?yàn)榛炷恋奈灰坪苄?/SPAN>，可認(rèn)為這個(gè)位移就是FRP與混凝土之間的相對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)中未對(duì)y方向的位移進(jìn)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(dòng)等不利情況。本實(shí)驗(yàn)采用的方法靈敏度極高，可以達(dá)到波長(zhǎng)的量級(jí)，但因其最大可測(cè)位移受散斑尺寸的限制，因而只能采取分級(jí)逐段加載、采集圖像的方法進(jìn)行測(cè)量。

通過本實(shí)驗(yàn)可以實(shí)時(shí)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(chǎng)演變?nèi)^程，根據(jù)對(duì)23對(duì)試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(gè)部分實(shí)際承受的拉力也不一樣，這一點(diǎn)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(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度并不能簡(jiǎn)單地取實(shí)際粘貼長(zhǎng)度， 這一點(diǎn)可從圖4(b)、(c)和圖5(b)、(c)明顯看出：

3) 根據(jù)觀測(cè)到的條紋變化情況可對(duì)外貼加固構(gòu)件粘貼處破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，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(gè)粘貼的纖維板時(shí)， 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(gè)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)