纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固泵站梁抗剪性能的數(shù)值研究

楊雨嶠，朱 健

(1.江蘇省通榆河薔薇河送清水工程管理處濱海抽水站管理所，江蘇 鹽城 224500；2.江蘇省通榆河薔薇河送清水工程管理處鹽河北閘管理所，江蘇 連云港 222200)

纖維編織網(wǎng)增強砂漿是一種復(fù)合材料，由多種材料制成的纖維編織而成，纖維編織品依附于水泥基砂漿等無機材料上。使用水泥基粘合劑，纖維編織網(wǎng)增強砂漿具有良好的特性，比如高溫耐久、低成本、適用于潮濕表面或低溫環(huán)境，并能與混凝土基質(zhì)、磚石等材料相容[1]。

在鋼筋混凝土梁的剪切加固方面，有大量實驗研究表明，外部抗剪鋼筋的增加可以增強其抗剪能力，外部配筋的數(shù)量對破壞模式具有很大影響[2]。使用纖維編織網(wǎng)增強砂漿進行加固時，通過側(cè)面粘接的U形或全包裹的護套及網(wǎng)格均能有效加固鋼筋混凝土梁，其中以全包裹效果最佳[3]。與纖維增強聚合物增強層一樣，大多數(shù)研究中都觀察到了纖維編織網(wǎng)增強砂漿的脫粘現(xiàn)象[4]。為了解決這一問題，許多研究人員對纖維編織網(wǎng)增強砂漿的錨固進行了實驗。高鵬[5]對錨固的雙向纖維布約束加固的鋼筋混凝土梁進行了研究，結(jié)果表明基于纖維復(fù)合材料的錨具增強了纖維編織網(wǎng)增強砂漿層的效果。

纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固方案中，內(nèi)部鋼筋數(shù)量對于抗剪加固無主要作用，但與沒有加固的試樣比較，剪切能力提高明顯[6]。在纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固鋼筋混凝土梁的剪切跨深比方面，破壞模式以及纖維編織網(wǎng)增強砂漿外套的剪切貢獻(xiàn)不受剪切跨深比的影響。相關(guān)研究還表明，纖維編織網(wǎng)格的幾何形狀對于加固鋼筋混凝土梁的剪切強度和破壞模式有重要影響[7]，粗紗面積較小的紡織品可以提高網(wǎng)格和砂漿之間的粘合力，進而提高加固效果。

然而，之前的研究中并未涉及到混凝土試樣的有效截面高度和加載條件等參數(shù)。本研究探討了這些參數(shù)對于極限載荷、抗剪能力以及纖維編織網(wǎng)增強砂漿對梁的抗剪承載力貢獻(xiàn)的影響，結(jié)果可為工程實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 有限元梁模型的驗證

本研究使用有限元對泵站框架結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土梁模型對Tetta等[8]的現(xiàn)有實驗進行了驗證。試驗組和對照組的試件設(shè)置及加固細(xì)節(jié)如圖1所示。所有梁試件均以0.02mm/s的位移速率進行三點彎曲單調(diào)載荷測試。受拉鋼筋為16mm直徑，上部受壓鋼筋為10mm直徑，箍筋采用8mm直徑的鋼筋。其中一個試件的剪切跨度沒有箍筋，存在缺陷，而另一個試件在剪切跨度間隔為100mm的位置進行箍筋加固。在缺乏箍筋的剪力跨上，增強砂漿護套通過纖維編制網(wǎng)進行加強，以提升抗剪強度。混凝土的抗壓強度分別為20.5MPa和22.6MPa，應(yīng)用于對照組和增強砂漿加固梁的測試中。16mm和10mm的縱筋以及8mm的箍筋的屈服強度分別為547、552、568MPa。預(yù)測將發(fā)生剪切破壞的未加固剪力跨度處采用纖維編制網(wǎng)增強砂漿護套進行加固，并使用1～3個U形輕質(zhì)碳纖維織物層進行加固。實驗中使用的纖維編織網(wǎng)的抗拉強度、彈性模量和極限拉伸應(yīng)變分別為1501MPa、167.6GPa和0.79%。

圖1 試驗組和對照組的試件設(shè)置及加固細(xì)節(jié)圖

2 鋼筋混凝土梁有限元分析建模

在本研究中，ANSYS APDL非線性有限元分析軟件程序被用來建立鋼筋混凝土梁模型。此外，還進行了參數(shù)化研究，分析不同梁深和負(fù)載類型的鋼筋混凝土梁的行為。在下面的章節(jié)中，詳細(xì)介紹了非線性有限元分析程序。

2.1 單元類型

本研究采用solid65模型對混凝土和砂漿進行建模，Solid65是一個8節(jié)點的實體單元，具有開裂和破碎的能力。此外，采用Link180模型對鋼筋進行建模，Link180是一個三維單軸拉伸-壓縮稀疏單元，能夠進行非彈性變形。為了消除頂部和底部鋼板位置的應(yīng)力集中問題，采用Solid185模型對梁進行建模。而Shell181單元則被用來模擬纖維編制網(wǎng)增強砂漿層。在混凝土和砂漿之間的結(jié)合界面上，通過創(chuàng)建接觸單元和目標(biāo)單元來進行建模。在此基礎(chǔ)上，模擬測試假設(shè)混凝土與鋼筋之間不發(fā)生脫粘。

2.2 材料屬性

混凝土被定義為既有線性彈性又有多線性非彈性材料。為了模擬彈性行為，彈性模量E和泊松比γ是必須提供的。對于非彈性行為，多線性屬性必須通過定義應(yīng)力與應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)來分配。為了描述混凝土破碎的行為，需要為混凝土定義4個屬性：單軸拉伸開裂應(yīng)力fr、單軸壓縮破碎應(yīng)力和開放、封閉裂縫的剪切傳遞系數(shù)βt。為了避免模型過早失效，混凝土的破碎失效通過插入單軸壓縮應(yīng)力的-1值來停止。βt的值在0.0～1.0之間變化，其中0.0表示光滑的裂縫，1.0表示粗糙的裂縫。ANSY2017模型假定βt值分別為0.3和0.8，用于描述開放和封閉裂縫的情況。

鋼被定義為線彈性和雙線非彈性材料。在有限元模型中，鋼筋的應(yīng)力與應(yīng)變曲線是基于彈性模量E、泊松比γ和屈服強度計算得出的。值得注意的是，所有的梁都有相同的配筋率。同時，在荷載和支撐位置增加了鋼板，以避免應(yīng)力集中并提供更均勻的應(yīng)力分布，這與實驗設(shè)置類似。鋼板的彈性模量和泊松比值分別為200GPa和0.3。

纖維編織網(wǎng)增強砂漿被假定為線性正交材料。彈性模量在x、y和z方向分別為190、20、20GPa，泊松比vxy、vxz、vyz分別為0.22、0.22、0.3，剪切模量Gxy、Gyz、Gxz由彈性關(guān)系計算得出的。在砂漿和混凝土之間的接觸界面的建模上，本研究采用了ANSYS內(nèi)置的粘著區(qū)模型。雙線性行為及其與牽引力和臨界斷裂能量相關(guān)的行為被用于描述砂漿和混凝土之間的接觸。在加固后的試樣中，由于臨界跨度的高剪應(yīng)力，觀察到了脫粘現(xiàn)象的破壞模式。因此，需要3個參數(shù)來模擬脫粘的破壞標(biāo)準(zhǔn)，即最大等效切向接觸應(yīng)力τmax、切向滑移的臨界斷裂能量Gct，以及阻尼系數(shù)。在ANSYS模型中，阻尼系數(shù)被設(shè)置為0.1，以增強模型的穩(wěn)定性和收斂性。

2.3 網(wǎng)格生成和邊界條件

圖2展示了。與實驗測試設(shè)置類似，采用對稱邊界條件。通過幾何形狀和載荷的對稱性，將全梁的一半用于建模，因此，在梁寬度的中心施加對稱邊界條件。通過正確約束垂直方向上的對稱平面節(jié)點，建立了對稱模型。在鋼板上沿著梁的寬度施加線載荷，以避免應(yīng)力集中。

圖2 纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固梁模型的幾何形狀和加固細(xì)節(jié)圖

在進行模型分析時，采用小位移靜態(tài)分析。為了考慮非線性因素，將施加在有限元模型上的載荷拆分成一系列載荷增量，稱為載荷步長。每個載荷步驟都逐步施加，通過指定最大和最小的子步數(shù)來計算。為了獲得解決方案的收斂性，將自動時間步長設(shè)置為開啟。本研究中，收斂標(biāo)準(zhǔn)基于力和位移，ANSYS程序自動選擇默認(rèn)容限[9-11]。

3 數(shù)值模擬驗證結(jié)果

表1顯示了實驗測試和有限元模型結(jié)果的比較。如圖3所示，經(jīng)過驗證的模型和梁試件的極限荷載和相應(yīng)的位移值差異小于10%。

表1 實驗和有限元模擬結(jié)果

圖3 實驗梁及有限元模型荷載—位移曲線

控制梁的失效模式是在未加固的剪力跨部分的斜向剪切失效。圖4顯示了在效荷載下，控制梁的臨界剪力跨的過度裂縫。另一方面，加固后的梁由于混凝土和纖維編織網(wǎng)增強砂漿之間的脫粘而失效。數(shù)值模擬梁的混凝土主應(yīng)變分布和最大值如圖5所示。用纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固梁的結(jié)果是鋼筋混凝土梁的延展性更強。因此，加固后的梁的撓度和剪力能力比控制的梁要高。

圖4 鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫

圖5 有限元模型破壞截面處混凝土最大主應(yīng)變

4 參數(shù)化研究結(jié)果

為了研究纖維編織網(wǎng)增強砂漿在鋼筋混凝土梁中的剪切貢獻(xiàn)，進行了參數(shù)化研究。考慮的參數(shù)是梁的深度和應(yīng)用的負(fù)載條件，這將在以下章節(jié)中討論。

4.1 梁截面有效高度

本研究開發(fā)了9個有限元分析梁模型，所有這些梁的長度都與驗證梁的長度(1067mm)相同。所有梁的橫截面尺寸和加固細(xì)節(jié)在圖6中顯示。其中，圖6(a)顯示了控制梁的截面，圖6(b)—(d)分別顯示了不同深度的梁的截面。對于每個橫截面，分別建立了1個對照組以及2個帶有1層或3層纖維編織網(wǎng)增強砂漿流的加固梁。實驗結(jié)果在表2中列出，其中數(shù)字1和3表示纖維編織網(wǎng)增強砂漿層的層數(shù)。通過計算纖維編織網(wǎng)增強砂漿夾層的剪力貢獻(xiàn)Vf，本研究評估了改造后梁的剪切能力與控制梁的差異。

表2 不同截面有效高度的混凝土梁數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 不同有效高度梁截面尺寸圖

本研究的梁設(shè)計以剪切破壞作為預(yù)期的破壞模式，圖7為峰值荷載時所有測試梁的最大主應(yīng)變分布。隨著梁的有效深度增加，極限荷載和抗剪能力也相應(yīng)提升。與控制梁B相比，控制梁C和D分別達(dá)到了136.5kN和184.5kN的極限荷載，剪切強度提高了約36%和66%。不同的是，控制梁A的極限荷載僅達(dá)到了63.5kN，而其抗剪強度則下降約29%。對于采用單層纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固的梁，梁C-1和D-1在174.9和206.9kN的峰值載荷下失效，剪切強度相較梁B-1，分別提高約20%和34%。相反地，梁A-1僅在101.6kN的極限荷載下失效，導(dǎo)致其抗剪能力下降約15%。而梁C-3和D-3達(dá)到了193.6kN和222.3kN的峰值荷載，對應(yīng)著約14%和21%的剪切強度增幅。然而梁A-3在121.6kN的峰值荷載下失效，其抗剪能力下降約13%。因此，隨著梁的有效深度的增加，控制和加梁的抗剪能力均得到提高。

圖7 不同加載方式下測試梁最大主應(yīng)變分布圖

通過觀察發(fā)現(xiàn)，增大梁的截面高度會降低纖維編織網(wǎng)增強砂漿對鋼筋混凝土梁的抗剪能力貢獻(xiàn)。梁C-1和D-1的纖維編織網(wǎng)增強砂漿剪切強度占比Vf/Vcon分別約為29%和18%，相比于梁B-1，增強層剪切強度貢獻(xiàn)率下降了17%和28%。梁A-1的纖維編織網(wǎng)增強砂漿剪切強度占比為74%，然而其纖維編織網(wǎng)增強砂漿貢獻(xiàn)率相比梁B-1卻提高了28%。而對于采用3層纖維編織網(wǎng)增強砂漿加固的梁，梁C-3和D-3的纖維編織網(wǎng)增強砂漿剪切強度占比分別為42%和25%，相比于梁B-3，纖維編織網(wǎng)增強砂漿貢獻(xiàn)率下降了28%和45%。實驗結(jié)果表明，有效深度對于梁的破壞模式?jīng)]有顯著影響。所有的控制梁都表現(xiàn)為剪切破壞，同時經(jīng)過加固后的梁的破壞模式都是纖維編織網(wǎng)增強砂漿夾層的脫粘。

4.2 加載方式

為了研究加載類型的影響，數(shù)值模擬測試在控制梁B-Ref和同組加固梁上施加分布式載荷，該載荷為5N/mm并沿著從梁中心到中心的一塊板施加壓力。通過用分布式荷載代替集中荷載的方法，剪力圖從水平分布變?yōu)榫€性分布。

測試梁的編號、增強類型及測試結(jié)果在表3中列出。其中，字母P代表集中荷載加載，字母D代表均布荷載加載。表3比較了在2種荷載情況下模型的編織纖維砂漿層剪切貢獻(xiàn)以及控制梁和加固梁模型的抗剪承載力。

表3 不同加載方式混凝土梁數(shù)值模擬結(jié)果

P-1和D-1梁相較于相應(yīng)的控制梁分別提高了47.4%和51.1%的抗剪能力；而P-3和D-3梁與P-Ref和D-Ref梁相比，最大剪切力分別提高了70.3%和79.7%。在與P-Ref、P-1和P-3梁比較后，D-Ref、D-1和D-3梁的抗剪能力分別增加了11.7%、15.8%和17.9%。綜上所述，相比于分布式荷載下的梁，承受集中荷載的梁的抗剪能力較低。值得注意的是，當(dāng)荷載沿梁跨度分布時，增加纖維編織網(wǎng)的層數(shù)可以增強其剪切貢獻(xiàn)。

在控制梁測試中，梁的失效模式為剪切破壞。而在加裝了纖維編織增強砂漿的梁中，所有測試梁的失效模式均為纖維編織網(wǎng)增強砂漿的脫粘，除了D-3梁為彎曲失效。因此，采用3層輕質(zhì)碳纖維纖維編織網(wǎng)增強砂漿的方法，可以顯著提高梁的抗剪能力，并且使失效模式從脫粘轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂醒有缘膹澢茐摹?/p>

如圖8所示，通過對D-Ref梁和D-1梁的混凝土中的最大應(yīng)力進行了比較，對照組和加強組的梁在破壞時顯示出相似的應(yīng)力分布。最大拉應(yīng)力位于跨中的梁底，而最大壓應(yīng)力位于臨界剪力跨中。然而，最大壓應(yīng)力的位置是不同的。對于控制的梁，最大的應(yīng)力是在頂部邊緣觀察到的。對于加強型梁，最大應(yīng)力位于臨界剪力跨度附近的支撐位置。

圖8 D-Ref梁和D-1梁的混凝土中的最大應(yīng)力圖

5 結(jié)語

本研究對泵站框架鋼筋混凝土梁進行了有限元分析，使用纖維編織網(wǎng)增強砂漿層進行抗剪切加固，探索截面高度、荷載分布類型對梁抗剪性能的影響。得到以下結(jié)論：

(1)梁高度的減小可提高纖維編織網(wǎng)增強砂漿層在剪切貢獻(xiàn)方面的性能。梁的破壞模式主要由剪力控制，加固梁的破壞機制通常是由于纖維編織網(wǎng)增強砂漿層脫粘引起。

(2)承受均勻分布荷載的梁具有最高的抗剪承載力，其次是單點荷載下的梁。在均布荷載情況下，纖維編織網(wǎng)增強砂漿層的剪切貢獻(xiàn)更為突出。與三點彎曲測試相比，四點彎曲測試中的梁，纖維編織網(wǎng)增強砂漿層的剪切貢獻(xiàn)較低，這是由于失效點遠(yuǎn)離加固區(qū)。

(3)纖維編織網(wǎng)增強砂漿可提高梁的抗剪強度，在結(jié)構(gòu)加固中具有一定推廣價值。