CFRP 板嵌貼加固混凝土粘結滑移數值分析

曾密林 童谷生

0 引言

近幾年來，嵌入式(Near Surface Mounted，簡稱NSM)加固法在國外已成為FRP材料加固技術研究的熱點，已經運用于橋梁、混凝土結構、砌體結構、木結構的加固中，且加固效果良好［1］。嵌入式加固法是一種通過粘結材料將加固材料嵌入加固構件表面預先鑿好的槽中，使之與加固構件形成整體，從而提高構件抗彎或抗剪承載力的加固方法。CFRP材料與混凝土間的界面粘結性能是影響加固后結構性能的一個重要因素。本研究基于CFRP梁式拉拔試驗數據［2，3］，運用ANSYS軟件對其剪應力—滑移關系進行分析，將計算結果與試驗結果進行對比，提出CFRP板—混凝土有限元計算模型。

1 有限元模型建立

根據加強筋處理方式的不同，有限元模型的建立有3種方式，即分離式、整體式和組合式［4］。本研究采用的是分離式有限元模型，認為鋼筋與混凝土粘結良好，不考慮鋼筋的滑移。

1． 1 單元類型的選取

在ANSYS模擬中一般選用Solid65來模擬混凝土，該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應用方面，如用單元的實體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用。該單元也可用于其他方面，如加筋復合材料(如玻璃纖維、碳纖維)及地質材料(如巖石)。該單元具有八個節點，每個節點有三個自由度，即x，y，z三個方向的線位移，還可對三個方向的含筋情況進行定義。

Solid65單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理。其可模擬混凝土的開裂(三個正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變，但不能模擬鋼筋的剪切性能［5］。

1． 2 材料本構關系模型

混凝土采用Von Mises屈服準則，應力—應變關系曲線為理想彈塑性曲線。縱筋和箍筋應力—應變關系采用Ramberg-Osgood模型［6］:

CFRP板在受拉破壞之前的應力—應變關系為線彈性關系，CFRP板采用線彈性本構關系［6］。

1． 3 材料破壞準則

Solid65單元除了定義材料的本構關系，還需要定義材料的破壞準則。Solid65單元的破壞準則為改進的William-Warnke五參數破壞準則，屈服面用極坐標表示如下(0°≤θ≤60°):

在低靜水壓力下，其中裂縫開裂時剪切傳遞系數取為0．4;裂縫閉合時剪切傳遞系數取為0．9［7］。

2 算例分析

算例的CFRP拉拔試驗數據來自文獻［2］，其材料常數如表1所示。

表1 材料常數表

計算時整體考慮縱筋和箍筋，其力學性能常數見GB 50010-2002混凝土結構設計規范。

2． 1 建模分析過程

圖1 CFRP嵌貼詳圖

圖2 混凝土單元與CFRP單元

首先選擇單元類型，設置實常數和材料模型參數;然后建立實體模型，對實體劃分網格;再對模型設置邊界條件和荷載，設置加載步后求解。CFRP嵌貼詳圖見圖1，混凝土單元與CFRP單元見圖2。

2． 2 計算結果分析

1)承載力—滑移計算結果比較。

表2 有限元主要計算結果

表2列出了有限元計算的主要結果，表2中有限元計算結果與實驗結果的誤差，可能與布置在不同單元節點間Combine39單元的數量有關，Combine39單元數量越多，界面的模型就越接近實際情況，但相應的計算量也會增加［8］。

2)平均粘結剪應力—滑移曲線。

利用時程后處理器POST26輸出Combine39單元沿z方向(嵌貼長度方向)的單元應力、單元相應節點的位移隨時間變化曲線，可以得到單元力與單元對應節點位移之間的關系。根據求得的每個Combine39單元沿z方向的單元力與單元對應節點的位移之間的關系，并利用單元力F與剪應力τ之間的關系，可以得到CFRP板嵌貼于混凝土表層受拉有限元模型的平均粘結剪應力—滑移曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，平均粘結剪應力—滑移曲線與試驗結果擬合得到的粘結剪應力—滑移曲線趨勢較為一致;曲線上升段與試驗結果擬合得到的粘結剪應力—滑移曲線趨勢較為一致。由有限元分析結果可知，粘結破壞界面上的剪應力達到峰值后就失去承載能力，有限元模型發生破壞，這一點與試驗結果一致，從試驗結果擬合得到的粘結剪應力—滑移曲線可以看出，當混凝土表層嵌貼CFRP板粘結體系發生CFRP板—混凝土界面粘結破壞時，該界面在粘結剪應力達到峰值后就發生了粘結破壞，其主要特征就是界面上所能承受的剪應力迅速下降，僅靠CFRP板與環氧樹脂粘結劑之間的摩擦提供很小的承載力。

圖3 平均粘結剪應力—滑移曲線

3 結語

通過采用大型通用有限元程序對CFRP板—混凝土粘結滑移進行計算分析，在加載初始階段，剪應力—滑移曲線計算值與試驗值吻合較好，隨后曲線開始線性增加，所得滑移計算值與試驗值吻合較好。計算表明用Combine39單元、Link8單元以及Solid65單元模擬CFRP板與混凝土之間的滑移是可行的。

［1］ 李 榮，滕錦光，岳清瑞．FRP材料加固混凝土結構應用的新領域——嵌入式(NSM)加固法［J］．工業建筑，2004，34(4):5-10．

［2］ José Manuel de Sena Cruz．Bond Between Near-Surface Mounted Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Laminate Strips and Concrete［J］．JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION 10．1061/(ASCE)1090-0268(2004)8:6(519)．

［3］ J．G．Teng，L．De Lorenzis．Debonding Failures of RC Beams Strengthened with Near Surface Mounted CFRP Strips［J］．JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION，10．1061/(ASCE)1090-0268(2006)10:2(92)．

［4］ 美國ANSYS公司駐京辦事處．ANSYS使用手冊［Z］．2009．

［5］ 陸新征，江見鯨．用ANSYS Solid 65單元分析混凝土組合構件復雜應力［J］．建筑結構，2003(6):38-39．

［6］ 過鎮海．鋼筋混凝土原理［M］．北京:清華大學出版社，1999．

［7］ 劉樹新，楊 奪．裂縫剪切傳遞系數對鋼筋混凝土梁開裂的影響［J］．水利與建筑工程學報，2009(3):93-94．

［8］ 張海霞，朱浮聲，王鳳池．FRP筋與混凝土粘結滑移數值模擬［J］．沈陽建筑大學學報，2007(3):66-67．