CFRP加固梁U型錨固效果的數(shù)值分析

黃麗華 王躍方 李璐

摘要：

CFRP與混凝土層間剝離是纖維加固鋼筋混凝土梁中最常見(jiàn)的破壞形式，在CFRP端部或沿全梁設(shè)置橫向U型錨固是目前工程中使用最廣泛的防止過(guò)早剝離破壞的方法。采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)比了無(wú)U型錨固，端部設(shè)置U型錨固以及沿全梁施加U型錨固3種情況下，加固梁的承載力、變形、粘結(jié)層的滑移量以及CFRP應(yīng)變分布，分析研究U型錨固在CFRP加固鋼筋混凝土梁中的作用。由計(jì)算分析結(jié)果可知，U型錨固可有效提高加固梁的承載力和剛度，防止過(guò)早剝離破壞的發(fā)生。在鋼筋屈服后，沿全梁設(shè)置U型錨固比端部設(shè)置U型錨固能夠更有效防止發(fā)生剝離破壞，但同時(shí)也引起CFRP應(yīng)變分布不均勻，當(dāng)CFRP被拉斷破壞時(shí)，沿全梁錨固時(shí)加固梁的極限承載力低于端部錨固情形。

關(guān)鍵詞：

CFRP加固鋼筋混凝土梁；U型錨固；有限元分析；界面剝離

中圖分類號(hào)：

TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2014）06000806

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱CFRP）在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固、修復(fù)中已有廣泛應(yīng)用。大量的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粘貼纖維片材進(jìn)行受彎加固時(shí)，最常見(jiàn)的破壞形式是在鋼筋屈服后，混凝土梁達(dá)到極限承載力之前，碳纖維片材與混凝土之間發(fā)生剝離[1]。常見(jiàn)的CFRP與混凝土間剝離形式包括：1）CFRP片材端部切應(yīng)力過(guò)大將其位置附近混凝土保護(hù)層剝落；2）在混凝土梁的彎剪區(qū)內(nèi)，由剪切裂縫引起CFRP剝離；3）彎曲裂縫附近過(guò)大的切應(yīng)力引起CFRP與混凝土剝離；4）混凝土梁端部最后一個(gè)裂縫引起CFRP錨固從混凝土上剝離[23]。FRP與混凝土界面應(yīng)力理論研究表明，在FRP端部界面正應(yīng)力和切應(yīng)力最大，剝離首先發(fā)生在該位置[45]。楊勇新等[6]推導(dǎo)出粘結(jié)正應(yīng)力和粘結(jié)切應(yīng)力作用下發(fā)生剝離破壞的數(shù)學(xué)判據(jù)，從而建立剝離承載力的計(jì)算方法。目前已有很多CFRP與混凝土間剝離破壞的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算研究成果，對(duì)引起CFRP和混凝土間發(fā)生剝離的認(rèn)識(shí)也基本一致，但相應(yīng)的防止剝離破壞的措施相當(dāng)有限。目前最常見(jiàn)的方法是延長(zhǎng)粘結(jié)延伸長(zhǎng)度、設(shè)置橫向U型FRP錨固條或采用機(jī)械式錨固方法。延長(zhǎng)粘結(jié)延伸長(zhǎng)度對(duì)防止界面滑移的必要性已被大量試驗(yàn)所證實(shí)，其中瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與研究實(shí)驗(yàn)室（EMPA ）的實(shí)驗(yàn)研究成果給出[7]：在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)錨固長(zhǎng)度為220 mm時(shí)，隨著作用在CFRP上拉力增大，參與工作的CFRP長(zhǎng)度逐漸增加，剝離時(shí)CFRP的應(yīng)變值約為0002 3，此時(shí)CFRP與基底間的最大滑移量為02 mm，粘結(jié)層最大切應(yīng)力發(fā)生在距CFRP端部100 mm位置，大小約為5 MPa。由此可見(jiàn)，CFRP開(kāi)始剝離的應(yīng)力值在500 MPa左右，即CFRP的高抗拉強(qiáng)度利用率較低，限制了CFRP材料抗拉性能的發(fā)揮，影響了CFRP材料的使用效率和混凝土結(jié)構(gòu)加固后的可靠性，造成實(shí)際結(jié)構(gòu)加固中CFRP材料強(qiáng)度利用率普遍低于20%。工程中通常將加固層延伸至支座處，以延長(zhǎng)粘結(jié)延伸長(zhǎng)度，減小粘結(jié)層上過(guò)早剝離。在CFRP端部用橫向FRP條進(jìn)行錨固的方式最早由 Brena 提出[8]，之后大量的研究證明了該方法對(duì)控制CFRP端部剝離和剪切裂縫引起的CFRP剝離的有效性，在實(shí)際工程中已有廣泛應(yīng)用。葉列平等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究提出在梁底碳纖維布的粘結(jié)延伸長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用附加碳纖維布U型箍能夠提高梁底碳纖維布的抗剝離能力， 譚壯等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了U型箍對(duì)受剪加固混凝土梁剝離承載力的作用。在大量實(shí)驗(yàn)研究成果基礎(chǔ)上，數(shù)值計(jì)算分析方法也越來(lái)越成熟。Toutanji等[11]證明了建立在斷裂力學(xué)理論上的剝離模型的準(zhǔn)確性， Choi等[12]提出了以梁彎曲變形為基礎(chǔ)的數(shù)值分析模型， 將FRP與混凝土之間用彈簧單元連接的常規(guī)有限元計(jì)算分析模型也給出了較好的分析結(jié)果[1314]。張子瀟等[15]利用ANSYS分析了U型錨固對(duì)加固效果的影響，得到的結(jié)論是設(shè)置U型錨固后加固梁的剝離承載力得到提高。工程中也大量采用U型箍錨固方法，但不同的U型錨固形式對(duì)加固梁承載力的影響并不確定。在CFRP端部或沿全梁實(shí)行機(jī)械式錨固或嵌入式（Near Surface Mounted，簡(jiǎn)稱NSM）錨固方法目前都只局限于研究范圍，由于施工過(guò)程復(fù)雜，且對(duì)實(shí)際構(gòu)件造成一定損壞，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。采取有效措施防止CFRP與混凝土間剝離，提高CFRP材料利用率，確保CFRP加固后混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性，是進(jìn)一步推廣CFRP在結(jié)構(gòu)加固中的廣泛應(yīng)用急需解決的問(wèn)題。

黃麗華，等：CFRP加固梁U型錨固效果的數(shù)值分析

本文針對(duì)目前工程中最常用的防止剝離破壞的錨固方法，以碳纖維布（CFRP）加固鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁為例，參考文獻(xiàn)中給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用商用數(shù)值計(jì)算分析軟件ANSYS，分析對(duì)比加固梁在無(wú)U型錨固，端部采用U型錨固以及沿全梁實(shí)施U型錨固三種加固模式下，梁的強(qiáng)度、剛度、粘結(jié)層上碳纖維布與混凝土間相對(duì)滑移量以及CFRP應(yīng)變分布情況，分析U型箍的使用在防止加固梁產(chǎn)生剝離破壞中的作用，證明使用U型錨固對(duì)控制CFRP與混凝土間發(fā)生剝離的有效性，同時(shí)也指出了CFRP端部錨固與沿全梁錨固在防止CFRP剝離破壞及拉斷破壞兩種破壞形式下的不同作用效果，為CFRP加固鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1有限元計(jì)算模型

以圖1所示的CFRP加固鋼筋混凝土梁為例，建立有限元計(jì)算模型（圖2）。圖中取1/2梁建模，鋼筋混凝土采用分離式模型，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，混凝土采用SOLID65單元，WilliamWarnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，分布式裂縫形式，其中張開(kāi)裂縫的剪切傳遞系數(shù)取05，閉合裂縫的剪切傳遞系數(shù)取10，屈服準(zhǔn)則采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（KINH）。鋼筋采用link 單元，經(jīng)典的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）。CFRP采用shell單元，線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由于CFRP 與混凝土界面滑移是引起CFRP沿界面剝離破壞的主要因素，故忽略界面間法向位移的計(jì)算，在CFRP與混凝土之間采用切向的combine39彈簧單元模擬界面粘結(jié)滑移，單元節(jié)點(diǎn)分別與混凝土節(jié)點(diǎn)和纖維布節(jié)點(diǎn)耦合，單元長(zhǎng)度為零，彈簧單元只承受拉力作用，材料本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[16]給出的結(jié)果，如圖3所示。數(shù)值計(jì)算中CFRP布厚度取0334 mm，混凝土、鋼筋以及CFRP的抗拉強(qiáng)度f(wàn)t、抗壓強(qiáng)度f(wàn)c、彈性模量E以及泊松比v的取值見(jiàn)表1。