預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土箱梁有限元分析*

梁騰飛（西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西西安710300）

混凝土橋梁經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)服役后，其老化速度較快，承載能力會(huì)有所下降，難以滿足安全要求，因此目前結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)發(fā)展較快。而傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固改造的方法，都或多或少存在著一些缺陷和不足之處[1]。而碳纖維復(fù)合材料因?yàn)槠湟恍﹥?yōu)良的性能，近些年在結(jié)構(gòu)加固相關(guān)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

嵌入式預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固技術(shù)，既能發(fā)揮外貼預(yù)應(yīng)力CFRP加固材料強(qiáng)度利用率高的特點(diǎn)，也能發(fā)揮表層嵌入式CFRP加固技術(shù)可以有效防止剝離破壞發(fā)生的優(yōu)勢(shì)[2-4]，更好地改善結(jié)構(gòu)的性能。楊佳等[5]對(duì)未加固預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T形梁與采用內(nèi)嵌CFRP板條加固后的梁在單調(diào)荷載作用下的整個(gè)受力過(guò)程進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同因素對(duì)加固梁力學(xué)性能的影響。高仲學(xué)等[6]進(jìn)行了6根預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)研究，確定了加固后梁的剝離斷裂破壞形態(tài)，并且得到了破壞時(shí)碳纖維布的有效應(yīng)變。于龍[7]對(duì)碳纖維加固的鋼筋混凝土梁建立了有限元模型，對(duì)CFRP的不同工作狀態(tài)采用單元生死技術(shù)進(jìn)行模擬，對(duì)試件梁開裂、屈服直至破壞的全過(guò)程進(jìn)行了分析。金春福等[8]對(duì)經(jīng)碳纖維加固的鋼筋混凝土曲線梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究及有限元分析，獲得了加固前后曲線梁的變形特征、破壞形態(tài)以及極限承載力。黃僑等[9]針對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固問(wèn)題研制了一套新型設(shè)備體系，通過(guò)空間有限元數(shù)值分析，驗(yàn)證了該錨固體系的受力性能，并提出了相關(guān)的施工工藝要點(diǎn)。

現(xiàn)有的研究，以矩形和T形截面梁居多，箱形截面的較少，而箱梁在中小跨徑橋梁中有較廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)鋼筋混凝土箱形梁，采用嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的方法對(duì)其進(jìn)行抗彎加固，并開展試驗(yàn)研究和有限元數(shù)值模擬，對(duì)加固后箱梁的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況

以鋼筋混凝土箱梁為加固試驗(yàn)對(duì)象，箱梁長(zhǎng)3000mm，計(jì)算跨度為2800mm，橫截面尺寸為B×H=600mm×300mm其尺寸及配筋均如圖1所示。為了研究不同加固方式下箱梁的力學(xué)特性，共設(shè)計(jì)了5根試件。試件的編號(hào)及加固情況見(jiàn)表1。

箱梁的加固設(shè)計(jì)方案如圖2所示，通過(guò)先錨固然后再?gòu)埨姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)CFRP布預(yù)應(yīng)力的施加，試驗(yàn)采用四分點(diǎn)集中力加載，通過(guò)反力架實(shí)現(xiàn)荷載的施加，為了避免造成局部混凝土壓碎，在加載點(diǎn)及支座位置均布置了鋼墊板。加載裝置如圖3所示。

圖1 試件尺寸配筋

表1 試驗(yàn)梁編號(hào)及加固方式

圖2 碳纖維布加固示意圖

圖3 試件加載現(xiàn)場(chǎng)圖

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 單元類型及材料參數(shù)

對(duì)于混凝土，選用SOLID65單元來(lái)進(jìn)行模擬，使用Willam-Warnke強(qiáng)度準(zhǔn)則和Hognested本構(gòu)模型，并且將其壓碎選項(xiàng)關(guān)掉，混凝土材料的相關(guān)參數(shù)如表2所示。采用分離式模型來(lái)模擬鋼筋，選用LINK8單元，同時(shí)認(rèn)為鋼筋和混凝土兩者之間粘接良好，通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接，其強(qiáng)化準(zhǔn)則采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系使用完全彈塑性的雙直線模型，材料輸入?yún)?shù)見(jiàn)表3?？紤]碳纖維布各項(xiàng)異性的性能，使用SHELL181殼單元進(jìn)行模擬，假定CFRP布與混凝土接觸面之間不存在相對(duì)滑移，通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬兩者之間的連接，CFRP布的材料參數(shù)見(jiàn)表4。采用八結(jié)點(diǎn)SOLID45實(shí)體單元對(duì)集中荷載加載處及支座處放置的鋼板進(jìn)行模擬。

表2 混凝土輸入?yún)?shù)

表3 鋼筋輸入?yún)?shù)

表4 碳纖維布輸入?yún)?shù)

2.3 有限元模型

CFRP布的線膨脹系數(shù)是:α=7.5e-7，界面力學(xué)特性為:Ts=8MPa，δ1=0.05mm，預(yù)應(yīng)力初始值大小為1000MPa。預(yù)應(yīng)力碳纖維布的預(yù)加應(yīng)力用升溫法進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)的溫度變化值大小為ΔT=5442.76。

加固后RC箱梁的有限元模型如圖4～圖6所示。

圖4 箱梁有限元模型

圖5 鋼筋單元模型

圖6 碳纖維布單元模型

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析

各試件的實(shí)測(cè)極限荷載及有限元分析結(jié)果見(jiàn)表5。各個(gè)試件跨中位置處的荷載—撓度曲線如圖7所示。

表5 極限荷載分析值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖7 試件荷載-撓度曲線

由上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)鋼筋混凝土箱梁采用不同的方式經(jīng)過(guò)碳纖維布加固后，梁的強(qiáng)度以及剛度都得到了不同程度的提高，加固量、預(yù)應(yīng)力、加固方式等均會(huì)對(duì)承載能力有一定的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的加固方式下，碳纖維布的加固量越大，承載能力也越高；相同加固方式及加固量下，預(yù)先對(duì)碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力，加固效果更好；相同的加固量、同等的預(yù)應(yīng)力程度下，采用嵌入式加固技術(shù)較外貼式加固技術(shù)承載能力提高更明顯。

采用嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的箱梁，試驗(yàn)及有限元分析得到的荷載-撓度曲線對(duì)比如圖8所示。

圖8 PRS-NSM2試件荷載-撓度曲線比較

將試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬求得的極限承載力結(jié)果進(jìn)行比較可知，兩者的計(jì)算結(jié)果比較接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)；有限元分析得到的荷載-撓度曲線也與試驗(yàn)得到的曲線吻合較好，因此可認(rèn)為建立的有限元模型是可靠的，可以將有限元數(shù)值模擬作為研究預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土箱形梁的一種補(bǔ)充手段，進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

采用嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP布對(duì)鋼筋混凝土箱梁進(jìn)行加固，可以顯著提高箱梁的承載能力。

采用碳纖維布用不同的方式對(duì)鋼筋混凝土箱梁進(jìn)行抗彎加固，都能夠在一定程度上提高箱梁的極限承載能力，尤其是采用嵌入式預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方式進(jìn)行加固的箱梁，其承載能力的提高更為顯著。

建立的有限元數(shù)值模型，計(jì)算出來(lái)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本文建立的有限元模型精度較好，可以比較好地模擬嵌入式預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固后箱梁的力學(xué)性能，通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法，可以進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步分析碳纖維的加固量、碳纖維的寬度、厚度、預(yù)應(yīng)力的大小等影響因素對(duì)加固效果的影響，完成一些試驗(yàn)無(wú)法完成的分析。