FRP加固混凝土構(gòu)件的剝離性能研究綜述

李 璐 黃麗華

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023)

FRP加固混凝土構(gòu)件的剝離性能研究綜述

李 璐 黃麗華

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116023)

通過建立帶裂縫的混凝土加固梁新模型，根據(jù)混凝土的開裂程度，分析了裂縫周圍混凝土與FRP界面滑移量，探討了裂縫附近FRP應(yīng)變，從而得到了混凝土開裂對界面剝離破壞的影響，以供參考。

加固，混凝土構(gòu)件，剝離性能

1 概述

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)自20世紀(jì)80年代起，逐漸開始在土木工程施工中得到廣泛應(yīng)用。FRP是由高性能纖維經(jīng)過編織與環(huán)氧樹脂等基材膠合凝固或經(jīng)過高溫固化而成的一種新型復(fù)合材料。其具有輕質(zhì)、耐久性能及力學(xué)性能好等特點(diǎn)，在加固混凝土結(jié)構(gòu)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)加固方法，更好地完成加固施工工作。隨著研究的深入，眾多文獻(xiàn)表明[1-3]，大量FRP加固混凝土的構(gòu)件破壞往往是由于FRP與混凝土的剝離產(chǎn)生的。界面剝離破壞屬于脆性破壞，破壞時(shí)FRP與混凝土均未能發(fā)揮到極限水平，造成材料的浪費(fèi)，并且由于其破壞前沒有明顯特征，也使得結(jié)構(gòu)可靠性降低。為此，大量學(xué)者對FRP與混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，提出了較為全面的結(jié)論。

2 界面粘結(jié)性能數(shù)值分析研究現(xiàn)狀

Hugo C.Biscaia等人[4]分別對線性和非線性粘結(jié)滑移關(guān)系下的FRP—混凝土界面的剝離過程進(jìn)行數(shù)值模擬與理論分析。該數(shù)值模擬方法運(yùn)用了Finite Difference Method和Newton-Raphson Method，可成功對多個(gè)非線性粘結(jié)滑移關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，對剝離過程進(jìn)行預(yù)測。通過不同分析模型得到傳遞到FRP板上最大荷載表達(dá)式見表1。

表1 Fmax表達(dá)式

數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)，F(xiàn)max不受粘結(jié)滑移曲線影響，但與FRP剛度與斷裂能存在一定關(guān)系，近似隨著參數(shù)的平方根變化。FRP有效粘結(jié)長度與FRP剛度有關(guān)，同時(shí)粘結(jié)滑移關(guān)系也與FRP和混凝土材料性能有關(guān)，這方面因素也同樣對有限粘結(jié)長度造成影響。

陸新征等人[5]采用尺寸在0.25 mm～0.5 mm的單元來模擬混凝土與FRP，兩者之間未設(shè)粘結(jié)滑移單元，而是以混凝土單元開裂來模擬界面剝離。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，界面粘結(jié)滑移與發(fā)生的位置有關(guān)，當(dāng)位于遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域時(shí)，粘結(jié)滑移關(guān)系類似于面內(nèi)剪切模型，而當(dāng)在裂縫處，當(dāng)達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度，剝離即會發(fā)生，并且粘結(jié)強(qiáng)度直接降為零。

R.Kalfat等人[6]利用ATENA3D軟件，對FRP單向與雙向錨固混凝土構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，雙向錨固構(gòu)件顯著提高了FRP與混凝土粘結(jié)處的強(qiáng)度與延性，失效荷載可提高93%～109%，并且發(fā)現(xiàn)在剝離之前，混凝土等級與FRP片材最大應(yīng)變之間近似呈線性關(guān)系。筆者的模型具體如圖1所示。

Ahmed M.Sayed等人[7]分別從梁寬、混凝土強(qiáng)度、剪切跨高比、FRP厚度及粘貼形式(U形錨固、全梁錨固)因素的考慮對55個(gè)樣本進(jìn)行數(shù)值模擬，對梁的極限抗剪力進(jìn)行計(jì)算，得到可靠的計(jì)算結(jié)果。側(cè)面粘貼、U形錨固、全梁粘貼FRP形式得到的結(jié)果精確度可以達(dá)到0.96，0.95和0.95，該模型如圖2所示。

3 界面粘結(jié)性能理論研究現(xiàn)狀

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測FRP與混凝土之間因粘結(jié)滑移而造成的剝離破壞，各國學(xué)者分別根據(jù)彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)理論推導(dǎo)FRP與混凝土界面的粘結(jié)滑移關(guān)系，提出影響其粘結(jié)滑移的主要因素。

Hong Yuan等人[8]以非線性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)推導(dǎo)出界面剪應(yīng)力及正應(yīng)力分布，并提出不同有效粘結(jié)長度和FRP剛度對荷載位移曲線及FRP界面應(yīng)力的影響。通過兩種粘結(jié)滑移模型——線性模型和指數(shù)模型來進(jìn)行FRP加固混凝土單剪試件的計(jì)算，并比較了兩種不同模型帶來的相似及不同之處。

Yufei Wu等人[9]通過628個(gè)剪切試驗(yàn)建立新的理論計(jì)算模型，認(rèn)為影響粘結(jié)長度的FRP寬度函數(shù)不應(yīng)只有寬度比一個(gè)參數(shù)，混凝土強(qiáng)度同樣影響寬度函數(shù)的計(jì)算，加入混凝土強(qiáng)度這一參數(shù)之后結(jié)果將更加精確。

王文煒等人[10]提出了FRP端部應(yīng)力分析的方法及過程，并給出FRP與加固梁界面之間的粘結(jié)剪應(yīng)力和剝離正應(yīng)力公式，通過計(jì)算公式及破壞準(zhǔn)則確定剝離荷載。需指出該法忽略了混凝土的裂縫影響并假設(shè)材料處于彈性變形階段，簡化了混凝土應(yīng)變的計(jì)算，通過求得中和軸高度及材料力學(xué)正應(yīng)力公式得到混凝土應(yīng)變值；另假設(shè)各材料的切應(yīng)力在寬度、厚度方向上是無變化的。

滕錦光等學(xué)者[11]利用經(jīng)典力學(xué)對外貼FRP布的簡支梁的界面應(yīng)力進(jìn)行推導(dǎo)，該法同樣認(rèn)為各材料是彈性的，并且假設(shè)層間無滑移。該法通過經(jīng)典梁理論直接提出界面應(yīng)力的公式，系數(shù)除材料參數(shù)以外，僅有傅里葉公式中的數(shù)學(xué)參數(shù)。根據(jù)對稱荷載和反對稱荷載的形式進(jìn)行不同邊界條件的確定，得到規(guī)定荷載模式下的公式，經(jīng)過疊加可應(yīng)用于任意荷載形式，經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證吻合性較好。但由該法提出的公式系數(shù)繁多，計(jì)算較為不便，并且不能表達(dá)界面粘結(jié)剪應(yīng)力和剝離正應(yīng)力在產(chǎn)生滑移后的變化。

對于粘結(jié)滑移的直接表達(dá)形式，亦有學(xué)者根據(jù)不同的理論基礎(chǔ)提出粘結(jié)滑移公式。

H.Adbel.Baky等人[12]在微觀力學(xué)及有限元的基礎(chǔ)上提出局部非線性粘結(jié)滑移關(guān)系，并用ANDIA程序及試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，得到一個(gè)較精確的公式：

JianguoDai，Ueda等人[13]通過試驗(yàn)對比利用簡單方法得到粘結(jié)滑移關(guān)系，該表達(dá)式僅需要界面斷裂能和界面延展性指數(shù)兩個(gè)參數(shù)，表達(dá)式如下：

τ=2BGf(exp(-Bs)-exp(-2Bs))。

4 結(jié)語

本文對FRP與混凝土間的剝離破壞中粘結(jié)滑移的研究成果進(jìn)行了概括，目前在理論計(jì)算方面已提出大量算法，但仍然不能統(tǒng)一計(jì)算提出一個(gè)適用于大多數(shù)構(gòu)件的公式，在進(jìn)行剝離破壞計(jì)算時(shí)，由于粘結(jié)滑移關(guān)系的選取不同，使計(jì)算結(jié)果有時(shí)會發(fā)生很大的差異。于工程應(yīng)用而言，復(fù)雜的粘結(jié)滑移關(guān)系使計(jì)算量增大很多，而只有進(jìn)行正確地簡化分析才能保證工程計(jì)算的精度，因此粘結(jié)滑移及界面剝離最大荷載的計(jì)算需盡快建立統(tǒng)一公式，使計(jì)算規(guī)范化。

對于FRP加固混凝土構(gòu)件的數(shù)值計(jì)算分析，大多模型并不能考慮構(gòu)件本身帶有初始損傷的計(jì)算，然而混凝土裂縫是引發(fā)FRP剝離的主要因素。這一結(jié)論已被大量試驗(yàn)所證實(shí)，然而相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算分析尚不多見，目前的數(shù)值計(jì)算模型中均忽略了混凝土開裂及裂縫擴(kuò)展對FRP應(yīng)力、應(yīng)變的影響，從而無法實(shí)現(xiàn)裂縫引發(fā)FRP剝離破壞的數(shù)值計(jì)算分析。為此，有必要研究建立帶裂縫的混凝土加固梁新模型，根據(jù)混凝土的開裂程度，分析裂縫周圍混凝土與FRP界面滑移量，以及裂縫附近FRP應(yīng)變，從而得到混凝土開裂對界面剝離破壞的影響。

希望本文的介紹可以對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究提供有利的信息。

[1] Chen G M,Teng J G,Chen J F.Shear strength model for FRP-strengthened RC beams with adverse FRP-steel interaction[J].Journal of Composites for Construction,2012,17(1):50-66.

[2] 楊勇新,岳清瑞,葉列平,等.碳纖維布加固混凝土梁的剝離破壞[J].工程力學(xué),2004,21(5):150-156.

[3] 張娟霞,唐春安,朱萬成,等.FRP加固混凝土構(gòu)件中裂紋擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué),2006,23(12):143-148.

[4] Hugo C.Biscaia,Carlos Chastre,Manual A.G.Silva.Linear and Nonlinear analysis of bond-slip models for interfaces between FRP composites and Concrete[J].Composites:Part B，2013(45):1554-1586.

[5] 陸新征,滕錦光,葉列平,等.FRP加固混凝土梁受彎剝離破壞的有限元分析[J].工程力學(xué),2006,23(6):85-93.

[6] Kalfat R,Al-Mahaidi R,Smith S T.Anchorage devices used to improve the performance of reinforced concrete beams retrofitted with FRP composites:State-of-the-art review[J].Journal of Composites for Construction,2011,17(1):14-33.

[7] Ahmed M.Sayed,Xin Wang,Zhishen Wu，et al.Modeling of Shear Capacity of RC Beams Strengthened with FRP Sheets Based on FE Simulation[J].Journal of composites for construction，2013(17):687-701.

[8] Hong Yuan,Xusheng Lu,David Hui,et al.Studies on FRP-concrete interface with hardening and softening bond-slip law[J].Composite Structure,2012(94):3781-3792.

[9] Yufei Wu,Cheng Jiang.Quantification of Bond-Slip Relationship for Externally Bonded FRP-to-Concrete Joints[J].Journal of composites for construction，2013(17):673-686.

[10] 王文煒，李 果.FRP加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力計(jì)算方法研究[J].公路交通科技，2006,23(2):106-110.

[11] J.Yang,J.G.Teng,J.F.Chen.Interfacial stresses in soffit-plated reinforced concrete beams[J].Structures & Building，2004(157):77-89.

[12] H.Adbel Baky,U.A.Ebead,K.W.Neale.Nonlinear micromechanics-based bond-slip model for FRP/concrete interfaces[J].Engineering Structures,2012(39):11-23.

[13] Jianguo Dai,Tamon Ueda,Yasuhiko Sato.Development of the Nonlinear Bond Stress-Slip Model of Fiber Reinforced Plastics Sheet-Concrete Interfaces with a Simple Method[J].Journal of composites for construction,2005(9):52-62.

Outline on peeling properties of FRP reinforcing concrete members

LI Lu HUANG Li-hua

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

Through establishing cracking concrete bridge types, according to concrete cracking degree, the thesis analyzes the slippage of cracking concrete and FRP interface, explores FRP stress nearby cracks, and finds out the impact of concrete cracking upon the interface slippage damage, so as to provide some guidance.

reinforcement, concrete member, peeling properties

1009-6825(2014)22-0030-02

2014-05-13

李 璐(1988- )，女，在讀碩士； 黃麗華(1967- )，女，副教授

TU375

A