CFRP加固梁U型錨固效果的數值分析

黃麗華 王躍方 李璐

摘要：

CFRP與混凝土層間剝離是纖維加固鋼筋混凝土梁中最常見的破壞形式，在CFRP端部或沿全梁設置橫向U型錨固是目前工程中使用最廣泛的防止過早剝離破壞的方法。采用數值計算方法，對比了無U型錨固，端部設置U型錨固以及沿全梁施加U型錨固3種情況下，加固梁的承載力、變形、粘結層的滑移量以及CFRP應變分布，分析研究U型錨固在CFRP加固鋼筋混凝土梁中的作用。由計算分析結果可知，U型錨固可有效提高加固梁的承載力和剛度，防止過早剝離破壞的發生。在鋼筋屈服后，沿全梁設置U型錨固比端部設置U型錨固能夠更有效防止發生剝離破壞，但同時也引起CFRP應變分布不均勻，當CFRP被拉斷破壞時，沿全梁錨固時加固梁的極限承載力低于端部錨固情形。

關鍵詞：

CFRP加固鋼筋混凝土梁；U型錨固；有限元分析；界面剝離

中圖分類號：

TU375

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）06000806

碳纖維增強復合材料（簡稱CFRP）在鋼筋混凝土結構加固、修復中已有廣泛應用。大量的實踐和實驗結果表明粘貼纖維片材進行受彎加固時，最常見的破壞形式是在鋼筋屈服后，混凝土梁達到極限承載力之前，碳纖維片材與混凝土之間發生剝離[1]。常見的CFRP與混凝土間剝離形式包括：1）CFRP片材端部切應力過大將其位置附近混凝土保護層剝落；2）在混凝土梁的彎剪區內，由剪切裂縫引起CFRP剝離；3）彎曲裂縫附近過大的切應力引起CFRP與混凝土剝離；4）混凝土梁端部最后一個裂縫引起CFRP錨固從混凝土上剝離[23]。FRP與混凝土界面應力理論研究表明，在FRP端部界面正應力和切應力最大，剝離首先發生在該位置[45]。楊勇新等[6]推導出粘結正應力和粘結切應力作用下發生剝離破壞的數學判據，從而建立剝離承載力的計算方法。目前已有很多CFRP與混凝土間剝離破壞的實驗及數值計算研究成果，對引起CFRP和混凝土間發生剝離的認識也基本一致，但相應的防止剝離破壞的措施相當有限。目前最常見的方法是延長粘結延伸長度、設置橫向U型FRP錨固條或采用機械式錨固方法。延長粘結延伸長度對防止界面滑移的必要性已被大量試驗所證實，其中瑞士聯邦材料測試與研究實驗室（EMPA ）的實驗研究成果給出[7]：在彈性范圍內，當錨固長度為220 mm時，隨著作用在CFRP上拉力增大，參與工作的CFRP長度逐漸增加，剝離時CFRP的應變值約為0002 3，此時CFRP與基底間的最大滑移量為02 mm，粘結層最大切應力發生在距CFRP端部100 mm位置，大小約為5 MPa。由此可見，CFRP開始剝離的應力值在500 MPa左右，即CFRP的高抗拉強度利用率較低，限制了CFRP材料抗拉性能的發揮，影響了CFRP材料的使用效率和混凝土結構加固后的可靠性，造成實際結構加固中CFRP材料強度利用率普遍低于20%。工程中通常將加固層延伸至支座處，以延長粘結延伸長度，減小粘結層上過早剝離。在CFRP端部用橫向FRP條進行錨固的方式最早由 Brena 提出[8]，之后大量的研究證明了該方法對控制CFRP端部剝離和剪切裂縫引起的CFRP剝離的有效性，在實際工程中已有廣泛應用。葉列平等[9]通過實驗研究提出在梁底碳纖維布的粘結延伸長度范圍內采用附加碳纖維布U型箍能夠提高梁底碳纖維布的抗剝離能力， 譚壯等[10]通過實驗研究了U型箍對受剪加固混凝土梁剝離承載力的作用。在大量實驗研究成果基礎上，數值計算分析方法也越來越成熟。Toutanji等[11]證明了建立在斷裂力學理論上的剝離模型的準確性， Choi等[12]提出了以梁彎曲變形為基礎的數值分析模型， 將FRP與混凝土之間用彈簧單元連接的常規有限元計算分析模型也給出了較好的分析結果[1314]。張子瀟等[15]利用ANSYS分析了U型錨固對加固效果的影響，得到的結論是設置U型錨固后加固梁的剝離承載力得到提高。工程中也大量采用U型箍錨固方法，但不同的U型錨固形式對加固梁承載力的影響并不確定。在CFRP端部或沿全梁實行機械式錨固或嵌入式（Near Surface Mounted，簡稱NSM）錨固方法目前都只局限于研究范圍，由于施工過程復雜，且對實際構件造成一定損壞，在實際工程中應用較少。采取有效措施防止CFRP與混凝土間剝離，提高CFRP材料利用率，確保CFRP加固后混凝土結構的可靠性，是進一步推廣CFRP在結構加固中的廣泛應用急需解決的問題。

黃麗華，等：CFRP加固梁U型錨固效果的數值分析

本文針對目前工程中最常用的防止剝離破壞的錨固方法，以碳纖維布（CFRP）加固鋼筋混凝土簡支梁為例，參考文獻中給出的實驗結果，利用商用數值計算分析軟件ANSYS，分析對比加固梁在無U型錨固，端部采用U型錨固以及沿全梁實施U型錨固三種加固模式下，梁的強度、剛度、粘結層上碳纖維布與混凝土間相對滑移量以及CFRP應變分布情況，分析U型箍的使用在防止加固梁產生剝離破壞中的作用，證明使用U型錨固對控制CFRP與混凝土間發生剝離的有效性，同時也指出了CFRP端部錨固與沿全梁錨固在防止CFRP剝離破壞及拉斷破壞兩種破壞形式下的不同作用效果，為CFRP加固鋼筋混凝土梁的設計提供參考。

1有限元計算模型

以圖1所示的CFRP加固鋼筋混凝土梁為例，建立有限元計算模型（圖2）。圖中取1/2梁建模，鋼筋混凝土采用分離式模型，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘結滑移，混凝土采用SOLID65單元，WilliamWarnke五參數破壞準則，分布式裂縫形式，其中張開裂縫的剪切傳遞系數取05，閉合裂縫的剪切傳遞系數取10，屈服準則采用多線性隨動強化模型（KINH）。鋼筋采用link 單元，經典的雙線性隨動強化模型（BKIN）。CFRP采用shell單元，線彈性應力應變關系。由于CFRP 與混凝土界面滑移是引起CFRP沿界面剝離破壞的主要因素，故忽略界面間法向位移的計算，在CFRP與混凝土之間采用切向的combine39彈簧單元模擬界面粘結滑移，單元節點分別與混凝土節點和纖維布節點耦合，單元長度為零，彈簧單元只承受拉力作用，材料本構關系采用文獻[16]給出的結果，如圖3所示。數值計算中CFRP布厚度取0334 mm，混凝土、鋼筋以及CFRP的抗拉強度ft、抗壓強度fc、彈性模量E以及泊松比v的取值見表1。