不均勻膠層對CFRP板加固梁的界面應力影響*

杜運興，侯春旭，周芬

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082)

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不均勻膠層對CFRP板加固梁的界面應力影響*

杜運興?，侯春旭，周芬

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410082)

采用數(shù)值試驗研究了CFRP板加固鋼筋混凝土梁中不均勻膠層的應力及加固界面應力．被加固梁界面上設置缺口改變膠層的局部厚度，根據(jù)缺口的深度、寬度、位置建立6種分析工況.研究表明，缺口距離CFRP板端部較近時，界面峰值應力會高于無缺口工況，缺口遠離CFRP板端部位置時，峰值界面應力幾乎不受影響；缺口距離CFRP板端部為CFRP板長的0.83%和1.25%時，峰值界面剪應力和正應力分別達到最大值；當缺口的長度或深度增大時，峰值界面剪應力和界面正應力均增大，界面應力對于缺口深度更敏感；在遠離CFRP板端部區(qū)域，膠層中的應力沿其厚度方向均勻分布；當缺口出現(xiàn)在CFRP板端部附近時，CFRP板端部膠層中的應力沿厚度方向變化更大且應力在缺口區(qū)域內(nèi)分布更加不均勻.

CFRP；缺口；有限元分析；界面應力；應力分布

近年來，F(xiàn)RP加固技術在土木工程領域得到了廣泛的應用和發(fā)展.該技術的主要優(yōu)勢是結構自重增加小、施工簡單.研究表明[1-2]，剝離破壞是FRP加固混凝土梁的一種重要的破壞模式.這種破壞往往發(fā)生在混凝土和膠層的界面或混凝土梁底部保護層內(nèi)[3]，由于被加固構件的界面存在較大的界面應力，致使界面或界面附近混凝土首先出現(xiàn)破壞，此時FRP材料的抗拉強度并未得到充分發(fā)揮，大大降低了FRP的加固效果.因此，這一破壞引起了國內(nèi)外學者的廣泛重視.

在界面應力的研究中通常忽略膠層的厚度.例如：T. Stratford等[4]采用差分法獲得了黏板加固梁的界面應力，該方法雖可以考慮黏結缺陷對于加固效果的敏感程度，但仍未考慮膠層的厚度.Lu等[5]、尚守平等[6]分別采用有限元法對剝離破壞和界面黏結性能進行研究，采用界面單元模擬膠層，采用界面單元的失效模擬剝離破壞，但是界面單元同樣沒有厚度.Teng等[7]及張術寬[8]在研究FRP端部剝離破壞的界面應力及相應參數(shù)時考慮了模型膠層的厚度，研究獲得了穩(wěn)定應力值應采用的單元尺寸及膠層中應力的分布規(guī)律．Teng等[7]和張術寬[8]的有限元模型只模擬了均勻膠層的情況，因此這類方法并不能研究膠層幾何尺寸對于界面應力的影響.根據(jù)Smith[9]，Tounsi[10]，Rabinovich[11]和Shen[12]等的理論分析及參數(shù)研究，膠層厚度是影響界面應力的一個重要因素.因而，在研究界面應力時不可忽視膠層的厚度，對膠層獨立建模是研究界面應力的關鍵.

FRP加固鋼筋混凝土梁時，要求梁的加固面平整.實際工程中在粘貼FRP前需要對加固面進行處理，一方面需要去除梁的粉刷層，另一方面需要鑿毛加固面.這2種情況均會造成加固面的不平整.為了達到黏結表面平整度的要求，實際工程中通常采用膠層進行找平，這就導致了膠層厚度沿梁長度方向不均勻.

本文采用數(shù)值仿真的方法研究不均勻膠層對界面應力、膠層應力的影響.在梁的加固面設置缺口，缺口內(nèi)填筑膠體，通過改變?nèi)笨诘奈恢?、深度、長度模擬不均勻膠層的變化.將缺口內(nèi)的膠體和黏結層的膠體均進行有限單元劃分，從而研究該位置界面應力和膠層應力.

1 有限元模型

1.1 整體有限元模型的建立

采用有限元軟件MSC.MARC建立CFRP板加固的簡支梁計算模型.簡支梁計算跨度為3 000 mm，CFRP板的長度為2 400 mm，簡支梁承受均布荷載為50 kN/m，簡支梁、膠層和CFRP板的幾何特征和材料參數(shù)見表1.將計算模型簡化為平面應力問題.梁、膠層和CFRP板均采用四節(jié)點四邊形平面應力單元，并選用縮減積分單元，以便更好地模擬剪切變形及彎曲變形，計算模型如圖1所示.

表1 加固梁各組成部分幾何特征和材料特征Tab.1 Geometry and material properties of different segments of CFRP plate strengthened beam

圖1 CFRP加固簡支梁整體有限元模型Fig.1 Global finite element model of simply supported beam strengthened by CFRP plate

1.2 局部有限元模型的建立

為了對CFRP板端部的界面應力進行更準確的分析，同時兼顧計算效率，本文采用MSC.MARC中的global-local的功能[11]，先將整體模型進行運算，然后從整體模型中分離出CFRP板端部的局部有限元模型，對局部模型的網(wǎng)格進行加密處理，縮小其單元尺寸.利用整體模型的計算結果文件，將整體模型中相應位置的應力和位移等已知量作為局部模型中的邊界條件，施加在局部模型相對應的位置，然后對局部模型進行運算.局部模型如圖2所示.

圖2 CFRP板加固簡支梁局部有限元模型Fig.2 Local finite element model of simply supported beam strengthened by CFRP plate

1.3 梁底部缺口的布置

建立梁底部有一個凹型缺口的計算模型，缺口內(nèi)部采用膠層進行找平，該位置膠的材料參數(shù)與膠層的參數(shù)相同.通過改變?nèi)笨诘拈L度、深度和缺口距離CFRP板端部的位置這三個因素研究界面應力和膠層中應力分布的影響.具體的工況設置見表2，表2中的相對缺口長度為缺口長度與CFRP板長度的比值，相對缺口深度為缺口深度與梁高度的比值，缺口到CFRP板端部的相對距離為缺口到CFRP板端部的距離與CFRP板長度的比值.

表2 有限元分析工況設置Tab.2 Load cases of finite element analysis

2 計算結果及分析討論

2.1 缺口位置對界面應力的影響

根據(jù)工況2的計算結果，缺口的位置對于界面應力的影響如圖3(a)(b)所示.由圖3(a)可知，界面剪應力曲線開始較低，在到CFRP板端部的距離為CFRP板長的0.42%處達到了最大值；由圖3(b)可知，界面正應力曲線在CFRP板端部達到最大值.當缺口位于CFRP板端部時，峰值界面剪應力和界面正應力均比無缺口的工況有一定程度的降低.當缺口不在CFRP板端部位置時，峰值界面應力相比無缺口工況的界面應力均有不同程度的提高.其中峰值界面剪應力在缺口位于CFRP板長的0.83%處時達到了最大值，峰值界面正應力在缺口位于CFRP板長的1.25%處時達到了最大值.峰值界面應力隨著距CFRP板端部的距離增大而降低，當缺口位于CFRP板長的5.00%時，峰值界面應力相比無缺口工況的峰值界面應力提高幅度很小.造成這一現(xiàn)象的原因是在缺口位置膠層厚度突變，在缺口附近出現(xiàn)應力改變，而應力改變只對缺口周圍區(qū)域的應力分布有影響，所以缺口出現(xiàn)的位置離CFRP板端部越遠，其對于峰值界面應力的影響越小.

由圖3(a)(b)的界面應力曲線可以看出，相比于無缺口情況的界面應力曲線，在缺口周圍，界面應力曲線會出現(xiàn)明顯的波動，而在遠離缺口的區(qū)域，兩者基本吻合.對于其他工況，缺口出現(xiàn)的位置對于界面應力曲線的影響可得到相似結論.

到CFRP端部的距離/m (a) 界面剪應力

到CFRP端部的距離/m (b) 界面正應力圖3 缺口在不同位置處的界面應力曲線Fig.3 Interfacial stress curves with notches in different locations

2.2 缺口長度和高度對界面應力的影響

由2.1節(jié)可知，峰值界面剪應力和正應力分別在缺口位于CFRP板長的0.83%和1.25%處達到了最大值.綜合比較0.83%和1.25%時的界面剪應力和正應力值，選取當缺口位于CFRP板長的1.25%處的情況計算各個工況的峰值界面應力，結果匯總于表3.

表3 各個工況峰值界面應力的最大值Tab.3 Maximum values of peak interfacial stresses of different load cases

注：表中i為各工況的編號．

圖4(a)(b)分別綜合反映了缺口長度和高度對界面剪應力、正應力的影響.分析表明，峰值界面剪應力、正應力均隨著缺口長度的增加而增加，其相應的提高程度見表3.由圖4(a)可知，界面剪應力的曲線在CFRP板端部附近迅速達到了最大值，然后出現(xiàn)了下降段.在缺口周圍的區(qū)域，有缺口情況的界面剪應力的下降段斜率更大，應力降低速度更快.在遠離缺口周圍的區(qū)域，兩者的下降段斜率基本一致.不同缺口長度的界面剪應力曲線下降段斜率基本相同，說明缺口長度變化對于下降段的斜率沒有影響.由圖4(b)可知，界面正應力在CFRP板端部達到最大值，然后開始下降，最終趨近于零.無論是否有缺口的存在，界面正應力曲線的下降段斜率基本相同.缺口長度的變化只影響界面應力的數(shù)值大小，并不改變界面應力分布.

對于不同缺口深度，峰值界面剪應力、正應力均隨著缺口深度的增加而增加，其相應的提高程度見表3.不同高度時的界面應力曲線與不同缺口長度情況相似，界面剪應力曲線在CFRP板端部附近迅速達到最大值，然后就出現(xiàn)了一個下降段；界面正應力在CFRP板端部達到最大值，然后開始下降，最終趨近于零.缺口深度同樣對界面應力曲線下降段斜率沒有影響.缺口深度的變化同樣只影響界面應力的數(shù)值大小并不改變界面應力分布.

由表3可知，相比于無缺口情況的界面應力，有缺口情況峰值界面剪應力的提高幅度分別為:32.9%(工況6)>22.0%(工況5)>20.2%(工況4)>16.0%(工況3)>10.5%(工況2).可以看出，界面應力對于缺口深度的變化比對缺口長度的變化更加敏感.缺口深度對于界面應力的影響明顯大于缺口長度的影響.缺口周圍的應力集中情況也與缺口的形狀有關，當缺口面積相同時，缺口深度與長度的比值越接近1(工況6)，界面應力集中程度越高，峰值界面應力越大.

到CFRP層端部的距離/m (a)界面剪應力

到CFRP層端部的距離/m (b) 界面正應力圖4 不同工況的界面應力對比Fig.4 Comparison of interfacial stresses under different load cases

由2.1節(jié)可知，當缺口存在時，界面應力曲線會在缺口周圍出現(xiàn)一個明顯的波動，當缺口位于CFRP板長的1.25%處時，各個工況界面應力波動數(shù)值見表4.由表4可以看出，隨著缺口長度的增加，界面剪應力波動幅度增大，正應力波動幅度減??；隨著缺口深度的增加，界面剪應力和正應力波動幅度均增大.綜合剪應力和正應力的情況，缺口深度對缺口周圍應力集中程度和界面應力分布的影響更大.

表4 各個工況缺口處界面應力的波動值Tab.4 Fluctuation values of interfacial stresses for different load cases around notch

2.3 膠層中的應力分布

在本小節(jié)中，對CFRP板端附近膠層中的應力分布進行了研究.結果如圖5—圖7所示，其中縱坐標為距離CFRP板-膠層界面的豎直距離，橫坐標為相應的應力值，各條曲線表示距離CFRP板端部不同位置處的應力分布，分別為0 mm(0%)，2 mm(0.08%)，5 mm(0.21%)，10 mm (0.42%)，20 mm(0.84%)，30 mm(1.25%)，40 mm (1.67%)，50 mm(2.08%)，60 mm(2.50%)或80 mm(3.33%).其中，括號里的值為各個位置到CFRP板端部的距離與CFRP板長度的比值.

當界面無缺口時，膠層內(nèi)剪應力和正應力分布如圖5(a)(b)所示.可以看出，剪應力分布在端部附近的區(qū)域呈現(xiàn)比較明顯的非線性，應力值沿厚度方向發(fā)生了較大的變化；當?shù)紺FRP板端部的距離大于CFRP板長的0.42%(10 mm)時，膠層中剪應力分布已基本呈線性，且隨著距離進一步增大，應力沿膠層厚度方向的分布更接近于均勻分布.在CFRP板端部附近區(qū)域，正應力分布近似呈線性，簡支梁-膠層界面的正應力為拉應力而膠層-CFRP板的界面正應力為壓應力，這一結論與Rabinovich等[11]的計算結果一致.隨著距離的增大，正應力呈均勻分布.CFRP板端部(x=0)是自由邊界，所以端部膠層中應力值較小，趨近于零.加固梁在CFRP板端部(x=0)截面尺寸突變，所以端部膠層中的應力沿厚度方向變化比較劇烈，在遠離CFRP板端部區(qū)域，膠層中應力較大且其沿厚度方向分布比較均勻.由本文獲得界面剪應力和界面正應力的分布情況可知，除了在CFRP板端部附近區(qū)域之外，界面應力沿厚度方向為均勻分布.

對于缺口存在的情況，本文選取工況2中缺口位于CFRP板長的1.25%處的情況進行研究，其界面應力分布如圖6(a)(b)所示.可以看出，膠層中的剪應力在CFRP板端部附近沿厚度方向呈非線性分布；正應力在CFRP板端部附近沿厚度方向基本呈線性分布.當?shù)紺FRP板端部的距離大于CFRP板長的0.42%(10 mm)時，剪應力和正應力沿厚度方向呈近似均勻分布.

在CFRP板端部附近存在缺口時，應力在簡支梁與膠層界面和膠層與CFRP板界面的值更大，其應力沿厚度方向分布更加不均勻，變化更劇烈.這是因為CFRP板端部梁截面突變，當缺口位于CFRP板端部附近時，其所導致的應力變化對端部應力分布影響程度最大，當缺口距離CFRP板端部較遠時，其對端部應力分布影響較小.在缺口附近，膠層內(nèi)剪應力和正應力比無缺口情況下相同位置的對應值要小，膠層中的剪應力分布曲線斜率小于無缺口情況下相同位置處的斜率，說明缺口位置處，膠層中的剪應力沿其厚度方向分布更加不均勻.這是因為缺口的存在產(chǎn)生了應力變化現(xiàn)象，使缺口周圍的應力分布出現(xiàn)了變化.

剪應力/MPa (a)膠層剪應力

正應力/MPa (b)膠層正應力圖5 無缺口情況的膠層應力分布Fig.5 Stress distribution of adhesive layer without notch

根據(jù)2.2節(jié)的研究，選取當缺口位于CFRP板長1.25%處研究了缺口深度和寬度對界面應力的影響，發(fā)現(xiàn)界面剪應力和界面正應力對缺口深度更加敏感，所以本節(jié)選取當缺口位于CFRP板長1.25%處時，研究缺口深度對于膠層中應力分布的影響.圖7所示為CFRP板端部和距離CFRP板端部5 mm(0.21%)處的膠層應力分布.分析可知，在CFRP板端部附近剪應力分布呈現(xiàn)明顯的曲線分布形態(tài)，不同缺口深度的膠層中應力分布曲線的形態(tài)相似，隨著缺口深度的增大，膠層中剪應力也增大.對于膠層中正應力，其在CFRP板端部(x=0 mm)呈近似線性分布，缺口深度越深，其正應力分布曲線的斜率越小.在距離CFRP板端部5 mm(0.21%)處，不同缺口深度的膠層中應力分布曲線的形態(tài)相似.隨著缺口深度的增大，膠層中正應力也增大.說明缺口深度只改變應力值大小并不改變膠層中的應力分布特征.

剪應力/MPa (a)膠層剪應力

正應力/MPa (b)膠層正應力圖6 有缺口情況的膠層應力分布Fig.6 Stress distribution of adhesive layer with notch

剪應力/MPa (a) CFRP端部(x=0 mm)膠層剪應力

正應力/MPa (b)CFRP端部(x=0 mm)膠層正應力

剪應力/MPa (c)距CFRP端部5 mm(x=5 mm)膠層剪應力

正應力/MPa (d)距CFRP端部5 mm(x=5 mm)膠層正應力圖7 不同缺口高度的膠層應力分布Fig.7 Stress distributions of adhesive layer with different notch height

3 結 論

通過對不均勻膠層進行精細化建模分析，研究了CFRP加固鋼筋混凝土梁界面不均勻膠層對界面應力及膠層應力的影響.研究得到如下結論：

1)由于梁底部內(nèi)凹缺口引起的膠層局部變厚導致峰值界面應力和界面應力分布的改變，界面剪應力和正應力的峰值往往出現(xiàn)在距離CFRP板端部較近位置處.當缺口位于CFRP板端部時，峰值界面剪應力和峰值界面正應力均比無缺口情況有所降低.當缺口分別位于CFRP板長0.83%和1.25%處時，峰值界面剪應力和峰值界面正應力分別達到最大值且均高于無缺口情況.缺口距離CFRP板端部越遠，峰值界面應力越接近于無缺口情況.缺口導致了界面應力分布曲線在缺口位置處出現(xiàn)波動，波動的幅度和范圍與缺口的幾何尺寸有關，隨著缺口長度的增加，界面剪應力波動幅度增大，正應力波動幅度減小.隨著缺口深度的增加，界面剪應力和正應力波動幅度均增大.

2)缺口的幾何尺寸對于界面應力有較大的影響.缺口的長度越長或高度越高，峰值界面剪應力和正應力越大.缺口深度對于峰值界面應力的影響大于缺口長度的影響，所以在工程中更應該關注梁底部缺口深度問題.在界面應力達到峰值后，界面應力曲線會經(jīng)歷一個下降段,不同的缺口深度或者長度的界面應力曲線下降段斜率基本相同,在遠離缺口的區(qū)域界面應力曲線基本吻合,說明缺口幾何尺寸并不影響界面應力的分布特征.

3)膠層中的剪應力在CFRP板長0.42%范圍內(nèi)沿其厚度方向呈明顯的非線性分布，距離CFRP板端部越遠，剪應力越呈均勻分布；膠層中的正應力在CFRP板長0.42%范圍內(nèi)沿其厚度方向呈近似線性的分布，在遠離CFRP板端部的位置，正應力呈均勻分布.當有缺口存在時，在CFRP板端部和缺口位置處，其應力沿厚度方向分布得更加不均勻.缺口深度越大，膠層中的應力值越大，但不同高度的缺口其應力分布曲線的形態(tài)基本相同，說明缺口深度只改變應力值大小并不改變應力分布特征.

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of Beams Strengthened with CFRP Plate

DU Yunxing?, HOU Chunxu, ZHOU Fen

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Numerical modeling method was adopted to investigate the stress of uneven adhesive layer and the interfacial stresses of the beam strengthened by CFRP plate. The notch was set on the interface of strengthened beam to change the local thickness of adhesive layer. Six cases were set up according to the depth, width and location of the notch. The analysis results indicate that the peak interfacial stresses are much greater than beam without the notch when the notch is located at a short distance from the plate end. When the notch is far from the plate end, the peak interfacial stresses are barely been influenced. The peak interfacial shear and normal stresses reach the maximum values when the notch is located at around 0.83% and 1.25% of the FRP length from the plate end, respectively. With the increase of the length or depth of the notch, interfacial shear and normal stresses increase simultaneously. Both interfacial shear and normal stresses are more sensitive to the change of depth than change of length. The stress distribution of adhesive layer along the thickness-wise direction is uniform except the CFRP plate-end area. When the notch is located at the plate-end area, the notch leads to a stronger variation of stresses of adhesive layer at the plate-end area and also a more non-uniform stress distribution within the notch-area along the thickness-wise direction.

CFRP；notches；finite element analysis；interfacial stress；stress distribution

2016-03-21

國家自然科學基金資助項目(51378199，51108174), National Natural Science Foundation of China(51378199，51108174)

杜運興(1971-)，男，河南平頂山人，湖南大學副教授, 博士 ?通訊聯(lián)系人，E-mail:duyunxing@hnu.edu.cn

1674-2974(2017)03-0061-07

10．16339/j．cnki．hdxbzkb．2017．03．008

TU312

AEffect of Uneven Adhesive Layer on Interfacial Stress