混凝土強(qiáng)度對(duì)CFRP板加固鋼混梁抗剪性能的影響

詹界東， 黃隆琳， 李 賽

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

混凝土強(qiáng)度對(duì)CFRP板加固鋼混梁抗剪性能的影響

詹界東， 黃隆琳， 李 賽

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318)

為提高鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能，利用ABAQUS有限元軟件建立碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固鋼筋混凝土梁的有限元模型，通過(guò)鋼筋混凝土梁的受力和荷載分析驗(yàn)證模型的有效性。設(shè)計(jì)不同混凝土強(qiáng)度的模型構(gòu)件，模擬分析CFRP板加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能。結(jié)果表明，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，CFRP板加固后鋼筋混凝土梁的跨中位移呈減小趨勢(shì)，而抗剪承載力和剛度呈遞增趨勢(shì)。該研究為鋼筋混凝土梁加固提供了參考。

鋼混梁； 混凝土強(qiáng)度； CFRP板； 抗剪性能

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般長(zhǎng)期裸露在外界中，受環(huán)境因素影響，結(jié)構(gòu)的外部混凝土易剝落和開(kāi)裂，其內(nèi)部的鋼筋也會(huì)暴露而被銹蝕，如果不及時(shí)拆除，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的安全性能大大降低，留下安全隱患；而如果拆除重新建造，花費(fèi)較高不經(jīng)濟(jì)。選擇一種經(jīng)濟(jì)有效的加固方式來(lái)保證其安全性能就顯得尤為重要[1-4]。

加固鋼混梁的傳統(tǒng)方法有外包鋼加固方法、增設(shè)支點(diǎn)法[5]、預(yù)應(yīng)力加固法[6]、繞絲加固法、增大梁的截面面積的方法[7]等，這些加固方法存在鋼材耗費(fèi)量大，成本高，施工繁瑣、難度大，對(duì)特定截面加固效果不明顯，增加結(jié)構(gòu)的體積和自重等弊端，因而不能廣泛地應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程之中。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polyment, CFRP)作為相對(duì)成熟的新型加固材料，因具有良好的耐腐蝕性、可加工性和較高的強(qiáng)度而廣泛應(yīng)用于建筑修補(bǔ)和加固工程之中[8-12]。CFRP板加固鋼混梁主要是指用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁的加固，即通過(guò)樹(shù)脂粘貼劑粘貼在充分打磨的鋼筋混凝土梁表面，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，來(lái)提高鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能。筆者利用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，模擬分析CFRP板加固的鋼混梁的抗剪性能，以期為相關(guān)工程作業(yè)提供可參考的建議。

1 有限元模型驗(yàn)證

1.1有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件建立CFRP加固鋼筋混凝土梁的模型，其中，試件L-1作為對(duì)比模型不進(jìn)行加固處理，試件L-2應(yīng)用CFRP材料對(duì)梁的兩側(cè)進(jìn)行加固處理，相關(guān)參數(shù)與參考文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致，即實(shí)驗(yàn)梁的截面尺寸為300 mm×150 mm，跨度為1 700 mm，凈跨為1 400 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，有限元模擬采用實(shí)體單元?；炷恋谋Ｗo(hù)層厚度為25 mm，箍筋采用HPB235，有限元模擬采用線單元，制作好的箍筋內(nèi)置于混凝土梁之中，縱向鋼筋采用HRB335。鋼筋混凝土的有限元模型如圖1a所示，有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖1b所示。

a 有限元模型

b 網(wǎng)格劃分

1.2模擬結(jié)果驗(yàn)證

1.2.1 混凝土的應(yīng)力

圖2a為未進(jìn)行加固處理后混凝土的應(yīng)力云圖，圖2b為CFRP加固處理后混凝土的應(yīng)力云圖。通過(guò)梁L-1和梁L-2的應(yīng)力云圖可以看出鋼筋混凝土梁受力和變形的趨勢(shì)，當(dāng)鋼筋混凝土梁受力時(shí)，承載力都集中在支座和跨中附近。鋼筋混凝土梁承載力在粘貼CFRP前后變化很大，CFRP承受了很大的力，這也說(shuō)明了鋼筋混凝土梁在應(yīng)用CFRP板加固之后抗剪性能得到了大幅度提高。

a 梁L-1

b 梁L-2

1.2.2 開(kāi)裂荷載與極限荷載

利用ABAQUS有限元軟件計(jì)算得到梁L-1和L-2的開(kāi)裂荷載Fk和極限荷載Fm，與參考文獻(xiàn)[13]中的荷載進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由表1可以看出,未加固試件L-1產(chǎn)生開(kāi)裂的荷載與參考文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)值的誤差xem為5.7%，試件極限荷載的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差為3.2%；用CFRP加固過(guò)后的試件L-2產(chǎn)生開(kāi)裂的荷載與參考文獻(xiàn)[13]中實(shí)驗(yàn)值的誤差為6.1%，極限荷載的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差xek為-3.1%。所有的誤差相差不多，說(shuō)明該模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行后續(xù)的分析工作。

表1開(kāi)裂荷載和極限荷載的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

Table1Comparisonofsimulationandexperimentalresultsofcrackingloadsandultimateloads

梁Fk/kN模擬值實(shí)驗(yàn)值xem/%Fm/kN模擬值實(shí)驗(yàn)值xek/%L-137355．71601553．2L-252496．1218225-3．1

1.2.3 跨中荷載與位移

結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到梁L-1和L-2的跨中位移與荷載，如圖3所示。由圖3可以看出，模擬實(shí)驗(yàn)和參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，曲線的發(fā)展趨勢(shì)大體一致，說(shuō)明模型建立有效，可以進(jìn)行后續(xù)的模擬分析。但由于建立模型的時(shí)候未考慮鋼筋混凝土骨料之間的相對(duì)滑移，并為混凝土增加了墊塊，使得梁的剛度變大，所以模擬值和實(shí)驗(yàn)值亦存在偏差。

a 梁L-1

b 梁L-2

2 模型構(gòu)件參數(shù)與梁抗剪性能

2.1模型構(gòu)件參數(shù)

文中模擬分析的模型截面尺寸為300 mm×150 mm，跨度為1 700 mm，凈跨為1 400 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25、C30、C40，彈性模量分別為2.80×104、3.00×104、3.25×104MPa，混凝土的保護(hù)層厚度為25 mm，箍筋采用HRB335，間距為300 mm，縱向鋼筋采用HRB335，剪跨比為2.2，加固方式為兩側(cè)全部粘貼，箍筋和縱筋的彈性模量為2.0×105MPa，試件依次編號(hào)A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)未加固的試件(A-1、A-3、A-5)作為參照。

2.2梁的抗剪性能

利用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析實(shí)驗(yàn)，分析鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能。不同試件在極限荷載作用下的應(yīng)力云圖如圖4所示。

a A-1

b A-2

c A-3

d A-4

e A-5

f A-6

Fig.4Stressnephogramofcomponentunderultimateload

由圖4可以看出，構(gòu)件在極限荷載作用下，當(dāng)有限元模型發(fā)生破壞時(shí)，支座附近的混凝土和加載點(diǎn)附近的混凝土因?yàn)檫_(dá)到極限強(qiáng)度而先被壓壞。構(gòu)件的支座附近和跨中部位受力最大，梁兩側(cè)剪跨區(qū)內(nèi)CFRP板明顯變紅，說(shuō)明CFRP板承受很大的力，起到了良好的抗剪作用。

各個(gè)模擬構(gòu)件的極限承載力、跨中位移和箍筋的極限應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表2 構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，鋼筋混凝凝土梁在用CFRP板加固前后構(gòu)件的極限承載力、梁的跨中位移和箍筋應(yīng)變均有很大幅度的提升，其中C25、C30、C40的試件極限承載力分別提高了29.8%、38.1%、39.8%，可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，CFRP板加固梁的極限承載力也隨之提升。C25、C30、C40試件的跨中位移分別提高了64.8%、60.4%、26.7%，可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，加固后鋼筋混凝土梁的跨中位移減小趨勢(shì)越來(lái)越明顯，構(gòu)件的抗剪承載力和剛度均有明顯的提高。還可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土梁加固之后，箍筋的應(yīng)變比未加固的明顯提升，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，箍筋的極限應(yīng)變?cè)龃?，說(shuō)明混凝土強(qiáng)度等級(jí)越大越有利于箍筋發(fā)揮抗剪作用進(jìn)而使得極限承載力增大，這也有利于CFRP板和鋼筋混凝土梁發(fā)揮作用。

3 結(jié) 論

(1)CFRP加固前后鋼筋混凝土梁的應(yīng)力與荷載分析驗(yàn)證了有限元模型的有效性。

(2)在極限荷載作用下，不同混凝土強(qiáng)度構(gòu)件的支座附近和跨中部位受力最大，兩側(cè)剪跨區(qū)內(nèi)CFRP板承受較大的力。

(3)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，CFRP板加固后鋼筋混凝土梁的抗剪承載力和剛度呈遞增趨勢(shì)，有利于CFRP板和整個(gè)梁共同發(fā)揮作用。

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(編校荀海鑫)

EffectofconcretestrengthonshearbehaviorofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithCFRPplate

ZhanJiedong,HuangLonglin,LiSai

(School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper presents an effort to improve the mechanical properties of reinforced concrete beams. The study involves developing the finite element model of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced composite (CFRP) using ABAQUS finite element software; verifying the effectiveness of the model by the force and load analysis of reinforced concrete beams; and simulating the shear strength of reinforced concrete beams strengthened with CFRP plates using the model members with different concrete strength. The results demonstrate that along with an increase in concrete strength grade comes a decreasing trend in the cross-displacement of reinforced concrete beams after the increase of CFRP plate, and an increasing trend in the shear capacity and stiffness. This research may provide a reference for reinforcement of reinforced concrete beams.

reinforced concrete beams; concrete strength; CFRP plate; shear resistance

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.014

TU375

2095-7262(2017)06-0642-04

A

2017-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308028)

詹界東(1970-)，男，吉林省榆樹(shù)人，教授，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)防護(hù)工程，E-mail:479014176@qq.com。