碳纖維格柵加固RC梁抗彎模型試驗分析

張耀文 陳豪 黃俊瑋

（中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

近些年來國內外地震頻發，我國作為鋼筋混凝土框架結構[1]為主導的建筑結構大國，震后結構內部產生的損傷幾乎是不可逆的，尤其是以“強柱弱梁”[2-3]的梁上，在地震來臨時，跨中彎矩較大，裂縫產生的位置集中在跨中，為避免損傷集中出現在梁跨中，為梁構件的提升一定安全性，提出在梁底部黏貼CFRP 格柵。以CFRP 格柵網格尺寸及厚度為控制變量，研究其加固后RC 梁整體破壞模式及力學性能的變化，提出最優加固模式，為工程實踐提供相關指導。

1 模型設計

1.1 試驗設計

根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[4]設計鋼筋混凝土簡支梁確定尺寸，梁長為3000mm，截面尺寸為b×h=200mm×300mm，模型試驗中有效計算跨度為2800mm，混凝土設計強度為C30，箍筋選用HRB335，普通鋼筋采用HRB400。下部受拉鋼筋為2Φ10，箍筋為B6@150，上部架立筋4Φ6，規范要求最小配筋率不小于0.15%，本文設計配筋率為1.14%，滿足規范要求。RC 梁截面尺寸圖與平面圖見圖1 與圖2。加固材料CFRP(碳纖維格柵)的材料相關材料屬性[5]見表1，加固方式采取將CFRP 格柵粘附在混凝土有效跨度之間。試件設計以變換CFRP格柵厚度和尺寸為變量，詳見表2。

圖1 RC梁平面圖

圖2 RC梁截面圖

表1 CFRP格柵網格

表2 試件設計

1.2 有限元模型建立

基于合理的單元選擇，本構關系以及相互作用建立CFRP 格柵加固RC 梁的有限元模型，混凝土應用ABAQUS 中內置的混凝土塑性損傷模型，引入損傷因子能夠充分的表達出隨荷載增加后，混凝土內部的損傷演化。混凝土依據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[4]提出的受拉及受壓本構關系，曲線見圖3a 與圖3b。鋼筋與CFRP 格柵選用理想彈塑性模型[6]，鋼筋的彈性模量取2×105Mpa，泊松比為0.2。CFRP 格柵彈性模量為1.31×105Mpa，泊松比為0.2。本構曲線見圖3c 與圖3d。為減少計算誤差，加載板與承壓板設為剛度極大的理想彈性材料[7]。

將承壓板與加載板綁定在RC 梁上，鋼筋籠內置于混凝土中，CFRP 格柵網格綁定在RC 梁的下底面上，為保證計算模型過程中有良好的收斂性，模型試驗采用位移控制，即分別在兩個加載板上部耦合點上同時施加位移荷載。

圖3 材料本構曲線圖

2 試驗結果

2.1 破壞模式-尺寸

通過變化CFRP 格柵尺寸分析其加固后對RC 梁破壞模式的影響。本文以PEMAG（等效塑性應變）、DAMAGEC（受壓損傷）與DAMAGET（受拉損傷）云圖來模擬裂縫可能出現及延伸位置。不同CFRP尺寸格柵云圖見（圖4～圖7）。由DAMAGET 云圖中發現A3與A4 受拉損傷帶從純彎段擴展至支座位置附近，損傷分布均勻。由PEMAG 云圖中得出最大塑性應變分別為0.022 與0.024，塑性應變區域基本維持在0.01 左右。說明鋼筋與CFRP格柵加固區域的組合充分發揮抑制裂縫增大，起到防止脆性破壞的效果。受壓區損傷區域相比于A1 與A2 較為廣泛，表明CFRP 格柵加固后，增大RC 梁結構主壓應力與主拉應力的比例。充分發揮混凝土抗壓能力，有效提高RC 梁抗彎承載力。對于A2 來說，只在純彎段加固對并沒有使梁受拉區損傷分布均勻，相反，在梁加載點位置延梁底出現兩條明顯裂縫損傷帶，說明加固后純彎段剛度得到明顯提升，梁受力后，損傷集中出現在梁最脆弱的受力點附近，受壓損傷區域程度較小。混凝土的抗壓能力發揮不充分。相對而言，未加固裂縫在跨中位置最大塑性應變為0.05，其余由跨中向支座塑性應變逐漸減小，受壓損傷程度相比于A3 與A4 較小。綜上，CFRP 格柵尺寸的變化對RC 梁的破壞模式影響較為顯著。

圖4 A1損傷云圖

圖5 A2損傷云圖

圖6 A3損傷云圖

圖7 A4損傷云圖

2.2 荷載位移曲線-尺寸

加固后的RC 梁與未加固的破壞階段基本一致。加載初期，主要由混凝土承擔荷載，荷載的持續增大致使混凝土內部產生微損傷，表現出近似線彈性，隨著受拉區混凝土達到極限拉應力，梁底出現裂縫，受拉區鋼筋主導抵抗梁內產生的拉應力，RC 梁整體剛度有所削減，荷載持續增大，裂縫不斷擴展，受拉鋼筋屈服并沒有使得受壓區混凝土達到極限壓應力，達到峰值荷載后，受壓區混凝土才逐漸被壓碎。相比于未加固RC 梁，受拉區混凝土拉裂后，承擔拉應力的是CFRP 格柵與鋼筋，此階段梁的剛度得到提升，減小損傷，為承載力的提升做儲備，鋼筋屈服后，斜率的變化較為均衡，說明加固維持梁內拉壓應力的平衡，更加充分地發揮了受壓區混凝土的抗壓能力與鋼筋的抗拉能力。相比較加固RC 梁來說，A3與A4的加固效果更加顯著。在節省成本的基礎上，綜合破壞模式與承載能力來說，推薦A3加固模式。

2.3 破壞模式-厚度

借助上述得到的最佳格柵尺寸以格柵網格的厚度為變量研究其對RC 梁破壞模式、承載力以及延性的影響。隨著CFRP 網格厚度的增加，受拉區混凝土的塑性應變分布愈加均勻，受壓區損傷區域擴大，損傷程度逐漸嚴重，說明CFRP 格柵網厚度的增大對加固RC 梁破壞模式的改善有明顯效果，混凝土與鋼筋在梁中的作用都充分得到發揮。

2.4 CFRP格柵網格應力云圖

隨著格柵厚度的增大，跨中CFRP 格柵網格最大應力分別為2727Mpa、2037Mpa、1609Mpa 和1402Mpa，逐步減小，且CFRP 格柵受力范圍也逐步增大，說明CFRP 網格厚度的增大有效利用加固網格尺寸，間接提高了CFRP 格柵網格抗拉能力，為RC 梁抗彎承載力提高有良好的貢獻。

2.5 荷載位移曲線-厚度

隨著格柵厚度的增大，RC 梁整體剛度得到提升，而且鋼筋屈服后斜率變化的越來越緩慢，說明RC 梁內整體的耗能能力得到提高。

3 承載力及延性

表3 為CFRP 格柵加固RC 梁抗彎計算結果。由表中可以發現CFRP 格柵網格尺寸增大，RC 梁的屈服荷載與屈服位移都得到提高，A3 與A4 兩種尺寸的CFRP 格柵網格相差不多，峰值荷載與峰值位移也基本一致，說明格柵網格的增加并不一定會對RC 梁抗彎承載力有較好貢獻，合理的選取加固尺寸較為關鍵。以推薦A3 方案通過變換CFRP 格柵厚度加固RC梁，隨著CFRP格柵網格厚度的增大，無論承載力還是延性都得到了較為明顯的提升。

表3 CFRP格柵加固RC梁抗彎計算結果

4 小結

CFRP 格柵網格加固優化了RC 梁正截面的破壞模式，充分發揮了鋼筋和混凝土各自優勢屬性，增加RC梁正截面破壞的耗能能力。

通過變換CFRP 格柵網格的尺寸，在滿足破壞模式、承載力以及延性的基礎上，以節省成本為附加選出最優加固方式A3。

以CFRP 格柵網格厚度為變量，通過RC 梁正截面抗彎破壞表明隨著CFRP 格柵網格厚度的增大。RC梁的破壞模式改善明顯，承載力及延性隨之提高。