裂縫對CFRP加固RC梁剝離破壞的影響

黃漢林，李麗娟，郭永昌，劉 鋒，鐘根全

(廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣州 510006)

碳纖維增強塑料(CarbonFiberReinforced Polymer，簡稱CFRP)以其高強高效、防腐耐久、施工便捷、適用面廣、對原結(jié)構(gòu)無損傷等優(yōu)點，在工程加固中得到廣泛應用。采用CFRP片材進行混凝土梁加固，主要是通過膠層傳遞剪應力和正應力以達到共同工作的目的。文獻［1-5］表明CFRP片材由于原有裂縫的存在或新的彎曲或彎剪裂縫的出現(xiàn)會引起應力集中，產(chǎn)生較大的剪應力和正應力，因此經(jīng)常發(fā)生早期剝離破壞。試件破壞時碳纖維及混凝土遠未達到其極限強度，材料的利用率較低，屬于脆性破壞。由于裂縫的存在是混凝土結(jié)構(gòu)中普通存在的一種現(xiàn)象，因此研究CFRP加固帶裂縫RC梁的力學性能已成為研究應用CFRP加固混凝土技術中的關鍵問題。

目前CFRP加固帶裂縫混凝土梁的研究主要集中在試驗階段［3-9］，通常是對未加固混凝土梁施加不同程度的預壓載荷，以形成自然開裂狀態(tài)，并在其卸載或未卸載的情況下外貼CFRP材料。該方法形成的裂縫形式隨機性大，不容易研究裂縫對加固性能的影響規(guī)律。因此本文通過在未加固混凝土梁中預設不同位置裂縫的方法，避免裂縫的不確定性。研究不同位置裂縫對膠層界面剪應力與正應力分布的變化影響，分析裂縫對CFRP加固混凝土梁剝離破壞影響規(guī)律。

1 有限元計算分析模型

1.1 材料的本構(gòu)模型

材料的本構(gòu)模型如圖1。分析模型中混凝土采用損傷本構(gòu)模型，該模型將非關聯(lián)硬化引入本構(gòu)，采用損傷變量對混凝土的彈性模量剛度矩陣折減，以模擬混凝土的卸載剛度隨損傷增加而降低的特性。其壓縮及拉伸本構(gòu)模型如圖1(a)、圖1(b)所示。

式中，E0為混凝土的初始彈性模量;dc為混凝土受壓損傷指數(shù);dt為混凝土拉伸損傷指數(shù)。

鋼筋采用彈塑性模型，屈服應力σy=335 MPa，極限應力σmax=450 MPa，極限應變εmax=0.21。其單軸拉伸本構(gòu)如圖1(c)所示。

碳纖維材料為基于Hashin損傷準則的彈性材料，其拉伸強度準則定義為

式中，σ11、τ12、XT、SL分別為縱向拉伸應力、橫向剪切應力、縱向拉伸強度、橫向剪切強度，α為橫向剪切應力對拉伸強度的影響參數(shù)。其單軸拉伸定義為彈性材料，其應力應變曲線如圖1(d)所示。

膠層材料為基于Quads損傷準則的彈性材料，其強度破壞準則定義為

其中，tn、ts、tt分別為法向應力、縱向應力、切向應力，為相應的極限應力。采用能量G控制的牽引分離破壞模式，其損傷演化曲線如圖1(e)所示。

1.2 有限元模型的建立

鋼筋混凝土梁采用分離式模型。鋼筋忽略橫向抗剪強度，將其作為線單元來處理，選用T2D2二節(jié)點二維桁架單元?；炷敛捎肅PE4R四節(jié)點雙線性平面應變、四邊形減縮積分單元，并使用沙漏控制。

圖1 材料本構(gòu)模型

CFRP布用可殼單元來建立幾何模型，賦予碳纖維材料屬性。膠層定義為粘結(jié)單元，并將膠層上、下表面分別與混凝土及 CFRP布用tie constraints綁定連接，如圖2所示。

圖2 混凝土—膠層—CFRP界面

2 分析模型與試驗結(jié)果比較

為驗證該有限元模型的可行性，將ABAQUS分析結(jié)果與文獻[5] 的試驗結(jié)果進行比較。梁的截面尺寸為 b×h=150 mm ×250 mm，總長 l=2 000 mm，凈跨 l′=1 800 mm。梁為四點彎曲梁，荷載通過分配梁施加在梁的三分點上，按位移控制方式在梁的三分點上施加30 mm的位移，如圖3所示。材料參數(shù)如表1所示。分析結(jié)果如圖4所示，在梁屈服前的彈性階段，分析計算與試驗結(jié)果基本一致。對于未加固梁及加固梁分析計算的極限荷載與試驗結(jié)果對比分別相差6%和4%，兩者吻合較好。

圖3 梁的加載方式與截面尺寸(單位:mm)

表1 材料參數(shù)

圖4 有限元結(jié)果與試驗對比

3 裂縫對膠層界面剝離破壞的影響

3.1 帶裂縫有限元模型

在實際施工過程中由于混凝土表面不平整或膠層質(zhì)量問題等因素影響膠層界面的粘結(jié)性能，從而導致剝離發(fā)生在膠層面內(nèi)。為研究不同位置裂縫對膠層面內(nèi)剝離破壞的影響，排除其它因素的干擾，現(xiàn)對模型做了以下簡化:

1)為了有利于模型的收斂性和防止破壞發(fā)生于CFRP的拉斷，將CFRP材料當成理想彈性材料;

2)為防止發(fā)生混凝土保護層剝離破壞，將膠層的破壞臨界荷載設置為低于混凝土的破壞荷載。

分析計算表明，當荷載增加到一定程度時，混凝土由于損傷開始出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，隨后混凝土達到破壞應力而開裂，該處混凝土退出工作，導致裂縫附近CFRP和混凝土之間的界面應力迅速增大。當界面應力達到臨界值時，裂縫處發(fā)生剝離。圖5所示為混凝土開裂時的應力云圖，裂縫尖端有應力集中，離裂縫尖端越遠處，混凝土應力越小。

3.2 裂縫位置對膠層剝離應力的影響分析

圖5 混凝土開裂應力

圖6 膠層剝離過程

膠層剝離應力(剪應力及正應力)是判斷膠層發(fā)生剝離破壞的主要因素。本文分別建立了三種不同位置的裂縫 RC混凝土加固梁有限元模型，分別為裂縫-100(裂縫距離界面端部100mm)、裂縫-600(荷載作用點處)、裂縫-900(跨中)，均為只有一條垂直裂縫，裂縫的長度均為50 mm。

圖7為裂縫出現(xiàn)在跨中位置計算模型在不同荷載階段的膠層剪應力與正應力分布曲線。從圖7(a)可以看出，剪應力的峰值點位置隨膠層剝離長度的增加而增加。圖7的剪應力曲線的跨度可認為是膠層開始發(fā)揮作用到完全發(fā)揮作用的距離，近似認為是 CFRP的有效粘結(jié)長度，約為60 mm，與滕錦光[11]給出的有效粘結(jié)長度66.9 mm相接近。當裂縫端部剪應力為0時，界面開始發(fā)生剝離，剝離荷載為62.8 kN。

從圖7(b)可以看出，界面正應力峰值出現(xiàn)的位置比剪應力峰值基本一致。其峰值數(shù)值較小，膠層正應力對剝離破壞影響較小。

圖7 裂縫-900計算模型剝離應力分布

圖8為裂縫出現(xiàn)在加載位置，距離界面末端600 mm計算模型。從圖8可以看出，膠層界面剪應力及正應力在載荷較小時，數(shù)值較大，界面的剝離荷載有所下降，初始剝離荷載為52.1 kN。從剝離過程來看，剝離只向支座一端擴展。

圖8 裂縫-600計算模型剝離應力分布

圖9為裂縫出現(xiàn)在靠近界面端部100 mm位置計算模型。從圖9可以看出，膠層開始剝離發(fā)生在荷載為100.6 kN時。從剝離的過程分析，剝離只向靠近支座一端擴展，而向跨中一端始終沒有發(fā)現(xiàn)剝離破壞的現(xiàn)象。端部的裂縫對膠層界面剝離破壞的影響并不是最危險的。

圖9 裂縫-100界面剪應力分布

3.3 界面剝離機理分析

在梁的彎剪段由于混凝土梁受剪力作用，剪力使裂縫兩側(cè)的混凝土面在豎直方向會發(fā)生微小的相對錯動，如圖10所示。雖然這些錯動是微小的，但由于膠層很薄(0.1 mm)，微小的位移會在膠層中產(chǎn)生較大的正應變，從而產(chǎn)生較大的正應力。荷載作用處和跨中位置梁受彎矩作用，彎矩使該處混凝土梁的受拉面出現(xiàn)較大的曲率，從而使裂縫開裂的寬度增大。隨著裂縫寬度的增加，裂縫附近膠層剪應力迅速增大，進而軟化，最終發(fā)生剝離。

圖10 裂縫兩側(cè)混凝土面錯動

4 結(jié)論

通過研究CFRP加固RC梁中裂縫的不同位置對剝離應力分布的影響表明，界面的剝離破壞主要由界面剪應力控制，當界面出現(xiàn)正應力會降低剝離破壞荷載。裂縫寬度的增大使得裂縫附近剪應力迅速增加，裂縫兩側(cè)混凝土面的相對錯動使膠層界面出現(xiàn)正應力。由于加固RC梁荷載作用位置處剪力與彎矩最大，因此，該處裂縫是界面發(fā)生剝離的最危險裂縫。

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