錨固碳纖維布加固低強度鋼筋混凝土梁有限元分析

褚少輝，孫立安，滕仁棟，李 然

（1.河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，石家莊 050227；2.河北省既有建筑綜合改造工程技術(shù)研究中心 石家莊 050227；3.秦皇島市海港區(qū)市政設(shè)施管護中心 河北秦皇島 066000；4.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)至今已有近200 年的歷史，是工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。中國是使用混凝土結(jié)構(gòu)最多的國家。但是，混凝土結(jié)構(gòu)服役超過一定的年限后常常會出現(xiàn)混凝土的老化、碳化、凍融破壞、堿集料反應(yīng)以及鋼筋銹蝕等原因?qū)е碌某休d力和耐久性的下降；此外，建筑物改變使用功能、局部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、設(shè)計不正確或施工質(zhì)量低劣、建筑物遭受自然災(zāi)害等原因，都使得混凝土結(jié)構(gòu)需要進行補強加固[1-3]。

粘貼碳纖維布加固混凝土梁是將碳纖維布沿纖維長度方向粘貼在梁的受拉區(qū)，以提高混凝土梁的受彎承載力[4]。采用碳纖維布加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)和普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件破壞形態(tài)有所不同，用該方法加固的混凝土梁在達到極限承載能力之前，常常發(fā)生早期剝離破壞現(xiàn)象[5-6]，這種破壞很突然，屬于脆性破壞，采取一定的錨固措施可以抑制和控制這種剝離破壞，其中，U 形箍作為碳纖維布加固低強度混凝土梁的附加錨固方式抗剝離效果明顯，加固后梁的極限抗彎承載力幅度提高很大[7-9]。因此，本文在試驗基礎(chǔ)上，分別建立無加固的低強度鋼筋混凝土梁、無錨固措施的碳纖維布加固的低強度鋼筋混凝土梁、以碳纖維布U 形箍為錨固措施的碳纖維布加固的低強度鋼筋混凝土梁、以鋼板U 形箍為錨固措施的碳纖維布加固的低強度鋼筋混凝土梁的有限元模型，經(jīng)模型計算與試驗數(shù)據(jù)對比分析，研究碳纖維布加固低強度鋼筋混凝土梁的受力性能及裂縫開展情況。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗采用鋼筋混凝土簡支梁，分為4 組，截面尺寸為：b×h=150 mm×300 mm，梁長度為3 300 mm，有效跨度為3 000 mm。混凝土強度為C15，保護層厚 度 為25 mm； 縱 向 受 拉 鋼 筋 為2 根?14 的HRB335 鋼筋；架立為2 根?8 的HPB235 鋼筋；為了防止混凝土梁發(fā)生剪切破壞，沿梁長度方向均勻配置了?8@200 箍筋，箍筋為HPB235 鋼筋；U 形鋼板厚度為1.5 mm，附加錨栓為?10 膨脹螺栓（圖1）。

圖1 抗彎試驗梁配筋圖Fig.1 Reinforcement drawing of beam for bending test

1.2 加固方式

LA1 為對比試件，不進行加固處理。

LB2 為不采用任何附加錨固方式，直接粘貼碳纖維布進行加固。

LB3 為粘貼碳纖維布加固，并且采用碳纖維布U 形箍附加錨固的方式。

LB4 為粘貼碳纖維布加固，并且采用鋼板U 形箍附加錨固方式。

1.3 材料性能

表1 混凝土力學(xué)性能表Table 1 Mechanical properties table of concrete

表3 碳纖維布力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties table of basalt fiber

表4 鋼板力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties table of steel plate

1.4 加載方式

采用千斤頂進行加載，由分配梁在試驗梁的三分點處實現(xiàn)兩點加載，如圖2 所示，分級加載，每級增量為5 kN，加載至混凝土開裂或者鋼筋屈服時，每級增量改為2.5 kN 加載，直至試驗梁破壞。

圖2 試驗加載圖Fig.2 Test loading diagram

2 非線性有限元模型分析

2.1 單元選擇

結(jié)合有限元軟件ANSYS 特點，混凝土選擇Solid65 單元，該單元可模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形和徐變等非線性性質(zhì)；縱向鋼筋和箍筋采用Link8 單元，在建模過程中忽略鋼筋的截面大小，以無截面面積的線條考慮；鋼板采用Solid45 單元，該單元用于大變形、大應(yīng)變和塑性分析；碳纖維布單元采用Shell41 單元，該單元只能承受抗拉能力，但沒有彎曲、抗壓能力。

2.2 材料性質(zhì)

1）混凝土

采用Hognestad 建議的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線[10]，

2）鋼筋和鋼板

鋼筋采用雙線性隨動強化模型(BKIN)描述其材料特性，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式如下：

當(dāng) εc≤ε0時 ， σs=Esε；

當(dāng)ε0＜εc≤εcu時 ， σs=fy+E′s(ε-εy)。式中：Es為鋼材彈性模量；

E′s為鋼材屈服后的切線模量，本文按照試驗數(shù)據(jù)求得；

εc≤ε0時，鋼材屈服應(yīng)變。

3）碳纖維布

碳纖維布為正交各向異性的線彈性材料，因此采用彈性模型。

2.3 創(chuàng)建模型

建立分離式有限元模型，不同單元相同位置節(jié)點耦合在一起。假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，不考慮二者之間的滑移?；炷亮骸⑻祭w維布、碳纖維布U 形箍、鋼板U 形箍有限元模型見圖3。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.3 Finite element models of different structures

2.4 計算結(jié)果與分析

在ANSYS 中粘貼碳纖維的過程實際上是二次受力，故在進行過程有限元分析時，需要采用多步荷載求解。屈服荷載和極限荷載見表5、表6。圖4為試驗與ANSYS 所得荷載-撓度曲線對比圖。

表5 屈服荷載對比Table 5 Comparison of yield load

表6 極限荷載對比Table 6 Comparison of limit load

圖4 不同構(gòu)件的荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curve of different component

根據(jù)表5、表6 數(shù)據(jù)及圖4 可以看出，各組試件模擬值與試驗值的屈服荷載與極限荷載誤差均在10%以內(nèi)。有限元模擬的荷載-撓度曲線與試驗結(jié)果吻合良好，可以較好地反映試驗情況。

圖5 為模擬計算混凝土試驗梁的荷載-撓度曲線，在線性階段，粘貼碳纖維加固前后梁的剛度幾乎沒有變化，此時，碳纖維片材尚未發(fā)揮效果。在混凝土開裂以后，碳纖維加固梁的剛度下降較小，而未加固梁的剛度下降較大，使得縱筋屈服時加固梁LB4 的剛度比未加固梁LA1 的剛度高20%以上。這主要是由于在開裂前，梁的變形較小，梁底部碳纖維的應(yīng)變很小，因此其分配的應(yīng)力也很小，它對限制梁的變形起到的作用很微弱，因此對梁剛度的提高幾乎沒有什么貢獻；當(dāng)梁出現(xiàn)第一條裂縫時，梁的變形突然增大，混凝土開裂部位進行應(yīng)力釋放，一小部分應(yīng)力傳遞給了縱筋，而絕大部分應(yīng)力分配給了碳纖維布，這時碳纖維布的應(yīng)力迅速提高，從而強有力地約束加固梁的變形，減少了梁的撓度，提高了梁的抗彎剛度。

圖5 荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve

3 結(jié)論

1）提出了U 形箍為錨固方式的碳纖維布加固低強度鋼筋混凝土梁的有限元模型，并對加固梁進行了有限元分析，模擬計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，能較準確地反映出各試件的受力特征和受力過程，為加固低強度鋼筋混凝土梁的錨固分析提供可靠的依據(jù)。

2）粘貼碳纖維布可有效提高低強度混凝土梁剛度和承載力，采用U 形箍附加錨固方式的加固效果更為顯著，其中，鋼板U 形箍比碳纖維U 形箍能更有效地約束梁的整體變形，限制斜裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，抑制梁底碳纖維布與混凝土的剝離，提高加固梁的剛度和承載能力。