GFRP布在橋梁梁體加固抗剪性能的研究

王加練， 史玉保

（云南省城鄉規劃設計研究院，云南 650228）

0 引言

傳統結構設計中總是遵循著“強剪弱彎”的原則，橋梁剪切承載力的設計冗余度較大，這主要是因為結構的剪切破壞呈脆性，極易造成極大的經濟損失。因此在過往的檢測加固領域中往往忽視了對橋梁剪切承載力加固的研究［1］。但近年來，對一大批橋梁的結構檢測結果發現，橋梁在使用過程中極易產生較多的斜向剪切裂縫。裂縫的產生導致空氣中的腐蝕性物質進入結構內部，內部鋼筋極大的被腐蝕，結構耐久性大打折扣。造成上述結果的主要原因是由較大的施工誤差、橋梁長期承擔滿超載貨車［2］。

纖維增強復合材料是一種由基體和內部纖維復合而成的新型材料。其內部纖維可分為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等，其中碳纖維增強復合材料（CFRP）被廣泛的應用于航空制造領域。但由于CFRP 材料造價過于昂貴，因此將其應用于橋梁領域顯得不切實際。雖GFRP材料的強度不及CFRP，但其優勢在于造價較低［3］，可大量應用于橋梁加固領域。近年來，國內外大量學者針對FRP材料加固橋梁進行了深入的研究［4，5］。Javed M［6］分析了不同FRP 外貼形式對于混凝土梁剪切加固效果的影響。趙彤等［7］對混凝土梁進行了CFRP 加固試驗，研究結果表明外貼FRP可顯著提升低配筋梁的抗剪力學性能。Chaallal［8］研究發現斜向粘貼FRP的加固形式，其抗剪加固效果較為良好。

綜上所述，現有的研究大多集中于CFRP，但針對GFRP的加固效果研究較少?？紤]到造價因素，CFRP大規模應用于橋梁加固領域不太現實，因此研究GFRP 對于混凝土梁的加固效果仍將是一個熱點，且具有重要意義［9］。文中基于某試驗梁，建立ABAQUS有限元模型，通過對其進行破壞加載分析了加固后的混凝土梁剪切破壞機理，比較加固前后的剪切承載力差異。

1 試驗概況

1.1 試驗梁簡介

文中設置兩組試驗（S-1、S-2），兩組試驗的尺寸、配筋、加載剪跨比均相同，試驗梁尺寸及配筋依據文獻。不同點在于S-1 未進行FRP 加固，S-2 進行了FRP抗剪加固。

如圖1（a）、圖1（b）所示，試驗梁跨徑L=1900mm，有效跨徑L0為1600mm，梁高h=250mm，梁寬b=150mm，加載剪跨比均為2.3。試驗梁內部梁底布置3 根直徑為20mm的鋼筋，頂部布置2根直徑為20mm的鋼筋。梁箍筋直徑為6mm，箍筋間距為200mm。S-2 梁FRP 布置方案如圖1（c）所示，FRP截面尺寸為50mm×6mm。

圖1 試驗構造圖（單位：mm）

2 數值模型的建立

2.1 材料參數

混凝土本構采用GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》［10］中對于混凝土本構的定義如式（1）、式（2）所示，混凝土參數取值如表1所示。

表1 混凝土材料參數

式中，σ為應力；dt為拉伸損傷參數；dc為壓縮損傷參數；Et為拉伸彈性模量；Ec為壓縮彈性模量；ξ 為應變。

鋼筋均采用無屈服點鋼筋應力-應變曲線，鋼筋本構表達如式3 所示，鋼筋材料的屈服強度fy為400MPa。

式中，Es為鋼筋的彈性模量；σs為鋼筋應力；ξs為鋼筋應變；fy，r為鋼筋的屈服強度代表值；ξy為與fy，r相對應的鋼筋屈服應變；ξu為鋼筋硬化段斜率。

加固試驗中所用GFRP 材料力學參數：極限強度為370MPa，彈性模量為25000MPa。有限元建模計算中可將材料簡化為彈性。

2.2 網格劃分及邊界條件

建立有限元模型如圖2、圖3 所示。為保證加載點梁體不出現應力集中，因此在加載點、支座處施加墊塊。梁體、墊塊、GFRP 加固板均采用C3D8R 單元，內部鋼筋均采用T3D2單位。梁體支座采用簡支邊界條件。

圖2 未加固梁體有限元模型（ABAQUS軟件提取）

圖3 加固后梁體有限元模型（ABAQUS軟件提?。? 模擬結果分析

3 模擬結果分析

梁體有限元計算結果如表2 所示。由表2 可知，當對混凝土梁體進行加固后，其極限承載力Pu由394.5kN提升至440.9kN，FRP加固可使得承載力可提升11.8%。當對混凝土梁體進行加固后，其極限承載力Pu，0.5 由238.5kN 提升至240.2kN，FRP 加固對于0.5 倍極限承載力影響不大。加固后，極限承載力所對應的剛度Pu/Su可由58.01kN/mm提升至65.8kN/mm，FRP 加固可使得極限承載力所對應的剛度提升13.4%。0.5倍極限承載力所對應的剛度Pu，0.5/Su，0.5可由103.7kN/mm 提升至109.2kN/mm，FRP 加固可使得極限承載力所對應的剛度提升5.3%。

表2 計算結果

3.1 混凝土梁荷載-位移曲線

梁體荷載-位移曲線如圖4所示。由圖可知，FRP的加固對于梁體的前期剛度影響不大，加固前后荷載-位移曲線重合度較高。

圖4 荷載-位移曲線（ABAQUS軟件提?。?/p>

當荷載達到0.75Pu以后，加固后梁體剛度明顯大于加固前，這說明加固后的FRP開始在此階段發揮作用，提升了混凝土梁的強度及剛度。

由圖4也可知，當利用FRP對梁體進行加固后，其是在梁體剛度下降后可急需承載，這說明所加固的FRP 板需在梁體抗剪剛度下降后才能發揮作用。因此FRP板加固不能夠抑制裂縫的開展，其能提高梁體在開裂后的極限承載力。

3.2 混凝土拉伸損傷分析

對比分析加固前后梁體在0.25、0.50、0.75、1.00Pu4個階段計算結果可知以下結論。

對于未加固的混凝土梁，當加載至0.25Pu時，混凝土梁體跨中出現較多的豎向裂縫，且在剪彎區已近出現較多的拉伸損傷。當加載至0.50Pu時，豎向裂縫繼續數量繼續增加，剪跨區拉伸損傷開始由梁底延伸至梁頂。當加載至0.75Pu時，梁頂拉伸損傷開始由邊跨延伸至跨中。當加載至1.00Pu時，梁頂布滿拉伸損傷。

對于加固后的混凝土梁，各個階段的拉伸損傷均小于所對應的加固前混凝土梁。這是因為GFRP板可承擔部分應力，混凝土承擔應力較小，因此其裂縫開展較為延緩。

4 結語

文中以某試驗梁為依托，建立ABAQUS有限元模型并進行破壞加載。通過分析結構荷載-位移曲線、FRP 應力、混凝土拉伸損傷等參數，研究了FRP 布加固對于RC 梁的剪切性能的影響。研究主要結論如下：

（1） FRP加固可使得承載力可提升11.8%，但加固對于0.5倍極限承載力影響不大。

（2） FRP 加固可使得極限承載力所對應的剛度提升13.4%，FRP加固可使得0.5倍極限承載力所對應的剛度提升5.3%。

（3） FRP 的加固對于梁體的前期剛度影響不大，當荷載達到0.75Pu以后，加固后梁體剛度明顯大于加固前，這說明加固后的FRP 開始在此階段發揮作用，提升了混凝土梁的強度及剛度。

（4） 對于加固后的混凝土梁，各個階段的拉伸損傷均小于所對應的加固前混凝土梁。