碳纖維補強混凝土粘結層層間溫度應力分析

【摘 要】 本文重點分析了碳纖維片材補強混凝土梁界面溫度應力分布理論，解決補強方面的一些工程應用問題。本文主要完成了以下幾個方面的研究工作：首先，研究了在載荷作用下界面應力分布，通過經典的4點彎曲實驗，對在載荷作用下的界面應力進行了分析，給出了碳纖維片材發生斷裂破壞時的極限承載力表達式，綜合考慮溫度和載荷共同作用下界面應力分布問題。通過對溫度和載荷共同作用下界面應力分析，得出二者共同作用碳纖維片材補強混凝土梁的界面應力的分布形式；其次，通過有限元方法對碳纖維在不同的溫差下的界面應力進行了分析。與實驗結果比較后得出：通過建立正確的分析模型，有限元分析可以有效地模擬碳纖維片材補強混凝土梁的力學性能。最后通過應力云圖和應力曲線分布圖，可以對界面的應力分布有個微觀的認識。

【關鍵詞】 碳纖維片材；混凝土；熱膨脹系數；界面溫度應力；有限元

1、引言

現代建筑中，鋼筋混凝土建筑物在其正常使用年限內，常常由于結構的耐久性、化學腐蝕、使用載荷的增加、以及設計與施工的缺陷等一些原因，要求對混凝土結構進行補強加固。工程實踐表明，開展建筑物補強加固新技術的研究開發是非常必要的。近些年來，在補強方面取得的研究成果雖然越來越多，但目前在建筑工程中使用的鋼筋混凝土結構補強加固方法主要有：粘鋼加固、預應力加固、鋼筋混凝土外套加固和外包鋼加固等。然而，這些補強加固方法存在不同的缺陷，除了常見的化學腐蝕外，象粘鋼加固法還存在著增加自重、接點不易處理等矛盾。隨著玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維應用于民用行業，纖維加固混凝土結構技術隨之出現。與原有的混凝土結構補強加固方法相比，各種纖維的加固技術具有明顯的優點，既補強效果好、施工技術簡單、耐腐蝕等。工程實踐表明，碳纖維復合材料能夠適應現代工程結構大跨、高聳、重載、高強和輕質的發展趨勢，并能適應惡劣環境變化，符合現代施工技術的工業化要求，正被越來越廣泛的應用于各類民用建筑、橋梁、海洋建筑及地下工程中。

2、實驗方案及結果分析

2.1 實驗材料

本次實驗所用材料性能如下表1，主要給出了所用纖維的基本參數和基體材料的參數，表2給出了粘結材料的物理性能。

表2 粘結材料的物理性能

2.2 試樣的制備

混凝土梁的制備：將水泥和砂石準備好，把攪拌機的內壁用水潤濕，然后把準備好的砂石和水泥按比例倒入攪拌機，再放入水和減水劑，攪拌一段時間后把混合料倒入模具中成型，養護28天后，對其表面進行打磨處理。

碳纖維片材制備：把所用纖維用纖維編制機編織為單向纖維布。最后將打磨過的混凝土梁進行表面處理，涂抹環氧樹脂，再把準備好的碳纖維片材按軸向方向粘結到混凝土表面，然后待樹脂完全固化后，在端部粘貼應變片，試樣尺寸為100cm×10cm×20cm。

本實驗設計制作了如圖1所示試件，其中圖1a）為纖維片材補強混凝土試件，考慮在補強片材端部剪應力集中的因素，在端部附近應變片分布較密集，為保證設定溫度時試件內部溫度與恒溫恒濕控制箱內溫度一致，在試件內部設置熱電偶，以控制恒溫時間。圖1b為單向復合材料試件，用于測試無約束纖維片材復合材料的變形和熱膨脹系數。圖1c所示補償試件，是在熱膨脹系數微小的石英玻璃板上粘貼應變片，以測試基底材料無應變狀態時，溫差對應變片讀數的影響。

圖1 碳纖維補強混凝土試件

圖2 碳纖維補強混凝土試件表面應力

變化規律

2.3 實驗結果分析

如圖2所示，實測得到的界面剪應力引起的補強復合材料表面應變變化規律和理論計算曲線進行比較。其中界面剪應力引起的實測應變是由纖維片材補強混凝土試件的應變片讀數減去同種纖維片材的單向復合材料試件在相同溫差下的自由膨脹應變讀數得到。其中，圖2a為三層碳纖維片材補強混凝土試件在不同溫差時片材表面應變分布規律，可見溫差越大，界面剪應力引起的應變也越大，根據應力應變關系，可知端部的應力也越大。圖2b 為相同層數的三種不同纖維片材補強混凝土試件的纖維片材表面應變分布規律，可見片材熱膨脹系數與混凝土的熱膨脹系數相差越大，片材端部應變集中程度也越大。從圖2的試驗結果與理論計算結果比較可以看出試驗實測應變變化規律與理論計算曲線吻合良好，可以證明計算理論的合理性。

3 有限元分析

3.1 有限元建模

圖3 碳纖維補強混凝土試件在溫度作用下有限元分析實體云圖

利用ANSYS軟件對碳纖維片材補強混凝土梁進行有限元分析。通過ANSYS軟件建立碳纖維片材補強混凝土梁模型，把混凝土單元看成為一個整理單元即Solid65，在考慮溫度場的情況下給出了碳纖維片材補強混凝土梁界面溫度應力云圖，如圖3，溫度差為10℃，清楚的說明了碳纖維片材補強混凝土梁的界面應力分布。通過云圖的直觀表現，我們可以清楚的了解界面溫度應力的變化。

由于在溫度和荷載共同作用下的應力分布與位移變化情況沒有實驗驗證，因此，通過有限元法分析了在溫度和載荷共同作用的情況，主要參數為，均布荷載為6000N，試件尺寸為100cm×50cm×50cm，溫差為40℃，補強材料為碳纖維3層。圖3給出了在2種約束情況下，整體位移變化云圖，通過云圖可以清楚了解碳纖維補強混凝土在界面的端部及在混凝土的支座處會產生應力集中，受均布荷載作用時混凝土梁內部的應力變化和界面的應力變化。

3.2 有限元解與實驗解對比分析

圖4為解析值與實驗值的分析對比。其中有限分析在溫差40℃時和實驗得到的相同溫差和厚度的情況下的對曲線，可看出實驗解的可靠性。通過實驗和有限元的分析對比，可很好的推出理論的合理性，另外通過有限元分析，可以得出界面的應力分布，并證明了理論的實用性。

圖4 碳纖維補強混凝土試件界面溫度應力實驗解與數值解的比較

4、結論

本文通過實驗分析，得出了碳纖維比其他纖維具有更好性價比，且力學性能優良，重點分析了碳纖維補強混凝土梁界面的溫度應力，并從基底和補強材料兩方面進行了對比，從而對補強放案有了很好的指導作用。利用ANSYS軟件分析了在混凝土表面施加6000N的均布荷載，和溫差40℃的碳纖維片材補強混凝土梁的界面應力分布情況。通過分析，可得出在兩種因素的共同作用下，界面應力分布情況，也為工程實踐提供了參考。

參考文獻

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