ESPI技术对外贴纤维混凝土加固承载的实验研究

摘要： 采用电子散斑干涉技术，对外贴碳纤维加固混凝土梁的外贴材料位移的分布特征，进行了全场实时测量，通过实验获得的散斑干涉条纹图可以得到外贴材料与混凝土梁的粘结传力长度随粘结长度及初始载荷之间的关系：了解用于加固的碳纤维材料的应变分布特点和产生梁侧剥离破坏时的碳纤维表面位移(应变)的演化过程。实验还说明了电子散斑干涉技术不仅可用于位移的测量，而且也可用于结构安全监测和破坏预报。文中给出了对C20D、C25A和C60C侧贴碳纤维板加固在不同载荷作用直到构件破坏前的位移测试及对试件C60C轴线上的剪应力分析结果。

关键词：纤维复合材料；混凝土梁； 粘贴加固； 电子散斑干涉技术(ESPI)； 面内位移测量

1　引言

　　由碳、玻璃等纤维与树脂类基材组成的纤维增强复合材料(FRP)，属于脆性材料。将FRP粘贴于混凝土构件受拉区域的表面，使外贴材料与构件共同工作，以提高已有构件的抗力。对于因材料的老化、超期使用、过载、风化、缺乏维修等原因引起的病危构件，目前也通常采用外贴加固法对构件进行加固，提高结构的安全性，延长使用寿命。

外贴纤维加固梁斜截面的破坏有两种基本模式^[1]：一种是纤维断裂破坏，即纤维达到其拉伸极限而断裂所导致的破坏，试验表明，几乎所有采用封闭粘贴和少数U型粘贴的加固构件产生这种破坏：另一种是纤维剥离破坏，即外贴纤维在达到其极限抗拉能力之前，由于与构件的结合力不足与构件脱离，导致外贴纤维失效，引起构件破坏，此时纤维材料还没有达到纤维强度。试验表明，几乎所有侧梁粘贴和大部分U型粘贴加固构件的破坏属于这种。为了全面了解和为建立外贴纤维加固梁承载力的计算方法和模式提供必要的参考数据，必须通过实验测试了解外贴纤维承载方式和载荷大小，以及其破坏瞬间的应变分布情况。

普通的应变位移测试技术，如应变片等，均采用单点测量，并且传感器等本身会给被测物体带来附加质量或局部补强，改变了物体的固有应变响应特性，并且测量得到只是一些离散值。光力学如云纹干涉法、全息干涉及激光散斑法等技术测试分析物体的振动及应变，具有非接触性、高精度、高灵敏度、全场性和直观可视等优点。但传统的光测技术必须利用银盐干板作记录介质，需要经过冲洗等费时、费力的湿处理过程，操作过程复杂，再加上条纹图的处理极其费时，这就使其在实际应用较困难。电子散斑干涉法(ESPI)多采用CCD作为记录载体，虽然CCD的空间分辨率远远低于全息照片使得其测量分辨率不如全息术，但ESPI具有和全息术同样的测量灵敏度，其测量结果可以直接由模拟电子系统和计算机来处理， 因此除具有全息术的测量特点外， 还具有测量实时迅速、简便等优点^[2～4]。本文应用ESPI技术测量加固混凝土构件的外贴纤维在受拉、直到构件破坏过程中的纤维面内位移的光学测量研究工作，该方法能全面直观地提供纤维在受载过程中直至构件破坏前瞬间的位移分布情况。

2　ESPI测面内位移方法

2. 1　ESPI面内位移测试原理

为了减少离面位移给测量带来的误差，采用如图1所示的对称相干光结构光路照明被测物体表面，利用CCD摄像机和作者基于图像采集系统开发的软件，将物体表面变形前、后的两幅散斑图像各点的灰度值式(1)和式(2)按照式(3)实现实时自动对应相减。

上面诸式中，A₁、A₂和Ψ(t)分别表示两束入射光的振幅和t 时刻物面变形引起的相干光的干涉相位变化。由于采用上述图像相减模式，克服了稳定的背景散光的影响，所以ESPI可在明室下操作。

当被测物体t 时刻具有沿x方向的面内位移u(t)时，以相同入射角θ(本实验中为45°)的两束光线之间的相对光程差为2u(t)sinθ，相位变化可表示为

式中，K为相干光波长(实验中采用He-Ne激光器照明，波长为633nm )。从(4)式可以看出，当Ψ(t) =2n∏，(n=0，±1，±2，⋯)时，I _t(x，y)=0即出现暗条纹，此时面内位移u(t)与条纹级次n的关系为

利用CCD摄像机，可实现电子散斑干涉法研究物体在变载荷作用下的时间与变形的函数关系。 

2. 2　实验布置和图像采集

图2为专门设计的一套用来测试外贴纤维加固混凝土抗拉性的实验装置示意图，用于加固的碳纤维布(或板)将两块混凝土试块连结在一起，在两块混凝土之间放置油压千斤顶和力传感器分别用来加载和测试碳纤维所承受的拉力大小。为了便于散斑的形成和提高条纹对比度，在被测的外贴碳纤维和混凝土的表面喷上一层白漆。实验时由于采用图2的装置，左侧混凝土试块的左侧面用环氧树脂胶粘贴有一块钢板上并用四个螺丝被固定在装置上，这样粘贴在混凝土试块上的碳纤维布(或板)在受拉时只能向右伸长移动。

图像采集系统是由CCD摄像机、Meteor-II高级图像采集系统及计算机等组成，图像采集软件具有实时相减，并可直接显示在计算机的显示器上，而不再需要配置传统的图像监视器。先采集物体变形前的物面散斑场信息并存于计算机的缓存中，再采集加载后的表面散斑场。变形前后的散斑图像直接相减并实时显示，得到反映被测表面各点面内位移等值线的条纹图。图像采集系统采集的图像为8bit灰度级640×480像素，对应于被测物表面169×112mm²的面积。

3　实验分析

　　实验中测试的为强度从C20A到C60C系列混凝土试件，共23对。所有试件中的混凝土试块尺寸均为150×150×150mm³，外贴用纤维板厚1.35mm，宽49mm，试件中除被测粘贴纤维板左端那部分外、其它与混凝土粘贴的纤维板大部分采取了增贴U型纤维布，保证在纤维板拉伸过程中这些部位不可能先被拉断。为了方便散斑的形成，在混凝土和碳纤维的表面喷上一层白漆。图2中的力传感器和应变仪读数实验前经过标定，9.8kN的力产生140µδ。

由于在拉伸过程中，位移量超过散斑尺寸时，相关性将被破坏，相关条纹也将模糊，甚至消失， 所以采用分段加载并逐段采集记录的方法记录位移。即在每段加载前采存一幅散斑图像，再采集受载后的散斑图像并与前一幅图像实时数字相减，保存在这段载荷下的ESPI条纹图像：然后再采集当前载荷下的散斑图像作为变形前的图像，再继续加载、采集受载后的散斑图像并进行实时数字相减，得到在新载荷段下的ESPI条纹图像。加载过程中图像实时数字相减且同步观察条纹随载荷变化而变化的情况，随时可以进行记录。

因篇幅所限，本文仅给出其中三对试件的实验结果。

图3 (a)～(d)为编号C20D的情况，纤维板与混凝土粘贴接触长度为150mm。图3(a)、4(a)和5 (a)为尚未加载时采集到不同编号试件的粘贴纤维板及混凝土块的图像：图3(b)～(d)分别对应于应变仪读数由106µδ增至121µδ、318µδ增至334µδ和418µδ增至419µδ采集的ESPI条纹图， 最后断裂时应变仪的读数为421µδ，断裂原因是非测试面纤维板根部与混凝土粘贴不好开胶导致破坏：图3(b)、(c)的ESPI条纹图中混凝土上有水平方向条纹说明试件受载时有转动现象。

图4 (a)～(d)为编号C25A的情况:纤维板与混凝土粘贴接触长度为75mm。图4 (b)～(d)分别对应于应变仪读数由100µδ增至109µδ、177µδ增至187µδ和288µδ增至294µδ采集的ESPI 条纹图，最后断裂时应变仪的读数为304µδ，由开裂结果可以看出纤维板末端与混凝土局部粘贴不太好开胶断裂。

图5 (a)～(d)为编号C60C的情况，纤维板与混凝土粘贴接触长度为150mm。图5(b)～(d)分别对应于应变仪读数由114µδ增至139µδ、333µδ增至355µδ和581µδ增至583µδ采集的ESPI条纹图，最后断裂时应变仪的读数为593µδ，破坏情况是粘贴处混凝土开裂导致最后纤维板剥离。

图6是根据粘贴在C60C试件上FRP板不同载荷下相应的散斑条纹图，利用式(5)，分析计算得到逐级加载过程中被测试纤维板表面中心轴线上各点的剪应力，因为混凝土的位移很小，可认为这个位移就是FRP与混凝土之间的相对滑移量，而由滑移量差分得正应变：正应变乘以FRP弹性模量得到应力(FRP是线弹性的)，这样再根据一个微段的内力平衡条件就获得FRP与混凝土之间的剪应力。

4　讨论与结论

　　由于实验中未对y方向的位移进行限制及混凝土和纤维板粘贴不理想等情况，使得部分试件在加载的过程中出现试件在xy平面内绕z轴转动等不利情况。本实验采用的方法灵敏度极高，可以达到波长的量级，但因其最大可测位移受散斑尺寸的限制，因而只能采取分级逐段加载、采集图像的方法进行测量。

通过本实验可以实时观察到加固碳纤维板和混凝土试件受力过程中碳纤维表面的位移场演变全过程，根据对23对试件实验结果进行分析可得到如下结论:

1) 梁侧贴加固碳纤维板在受力过程中，并不是和混凝土相粘贴的碳纤维全部承受拉力，而且各个部分实际承受的拉力也不一样，这一点可以从得到的ESPI条纹图中条纹不均匀分布可以看出：

2) 碳纤维板和混凝土之间存在有效粘结传力长度，这个长度并不能简单地取实际粘贴长度， 这一点可从图4(b)、(c)和图5(b)、(c)明显看出：

3) 根据观测到的条纹变化情况可对外贴加固构件粘贴处破坏进行预测预报，从图3(d)、图4(d)和图5(d)的图可以看出，在试件即将破坏前出现位移条纹紊乱和布满整个粘贴的纤维板时， 说明粘贴处纤维的各部分都承载，且严重不均导致局部剥离和破坏，预示整个粘贴部分很快就要破坏。

参考文献：

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[4 ]　Buyukozturk O. Imaging of concrete structures[J]. NDT & E International，1998， 31(4):233-243

(作者： 1. 东南大学工程力学系， 江苏南京210096： 2. 东南大学建筑工程系， 江苏南京210096)