CFRP 板嵌貼加固混凝土粘結(jié)滑移數(shù)值分析

曾密林 童谷生

0 引言

近幾年來，嵌入式(Near Surface Mounted，簡稱NSM)加固法在國外已成為FRP材料加固技術(shù)研究的熱點，已經(jīng)運用于橋梁、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的加固中，且加固效果良好［1］。嵌入式加固法是一種通過粘結(jié)材料將加固材料嵌入加固構(gòu)件表面預(yù)先鑿好的槽中，使之與加固構(gòu)件形成整體，從而提高構(gòu)件抗彎或抗剪承載力的加固方法。CFRP材料與混凝土間的界面粘結(jié)性能是影響加固后結(jié)構(gòu)性能的一個重要因素。本研究基于CFRP梁式拉拔試驗數(shù)據(jù)［2，3］，運用ANSYS軟件對其剪應(yīng)力—滑移關(guān)系進行分析，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，提出CFRP板—混凝土有限元計算模型。

1 有限元模型建立

根據(jù)加強筋處理方式的不同，有限元模型的建立有3種方式，即分離式、整體式和組合式［4］。本研究采用的是分離式有限元模型，認為鋼筋與混凝土粘結(jié)良好，不考慮鋼筋的滑移。

1． 1 單元類型的選取

在ANSYS模擬中一般選用Solid65來模擬混凝土，該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應(yīng)用方面，如用單元的實體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用。該單元也可用于其他方面，如加筋復(fù)合材料(如玻璃纖維、碳纖維)及地質(zhì)材料(如巖石)。該單元具有八個節(jié)點，每個節(jié)點有三個自由度，即x，y，z三個方向的線位移，還可對三個方向的含筋情況進行定義。

Solid65單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理。其可模擬混凝土的開裂(三個正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變，但不能模擬鋼筋的剪切性能［5］。

1． 2 材料本構(gòu)關(guān)系模型

混凝土采用Von Mises屈服準則，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線為理想彈塑性曲線?？v筋和箍筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用Ramberg-Osgood模型［6］:

CFRP板在受拉破壞之前的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系，CFRP板采用線彈性本構(gòu)關(guān)系［6］。

1． 3 材料破壞準則

Solid65單元除了定義材料的本構(gòu)關(guān)系，還需要定義材料的破壞準則。Solid65單元的破壞準則為改進的William-Warnke五參數(shù)破壞準則，屈服面用極坐標表示如下(0°≤θ≤60°):

在低靜水壓力下，其中裂縫開裂時剪切傳遞系數(shù)取為0．4;裂縫閉合時剪切傳遞系數(shù)取為0．9［7］。

2 算例分析

算例的CFRP拉拔試驗數(shù)據(jù)來自文獻［2］，其材料常數(shù)如表1所示。

表1 材料常數(shù)表

計算時整體考慮縱筋和箍筋，其力學(xué)性能常數(shù)見GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

2． 1 建模分析過程

圖1 CFRP嵌貼詳圖

圖2 混凝土單元與CFRP單元

首先選擇單元類型，設(shè)置實常數(shù)和材料模型參數(shù);然后建立實體模型，對實體劃分網(wǎng)格;再對模型設(shè)置邊界條件和荷載，設(shè)置加載步后求解。CFRP嵌貼詳圖見圖1，混凝土單元與CFRP單元見圖2。

2． 2 計算結(jié)果分析

1)承載力—滑移計算結(jié)果比較。

表2 有限元主要計算結(jié)果

表2列出了有限元計算的主要結(jié)果，表2中有限元計算結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差，可能與布置在不同單元節(jié)點間Combine39單元的數(shù)量有關(guān)，Combine39單元數(shù)量越多，界面的模型就越接近實際情況，但相應(yīng)的計算量也會增加［8］。

2)平均粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線。

利用時程后處理器POST26輸出Combine39單元沿z方向(嵌貼長度方向)的單元應(yīng)力、單元相應(yīng)節(jié)點的位移隨時間變化曲線，可以得到單元力與單元對應(yīng)節(jié)點位移之間的關(guān)系。根據(jù)求得的每個Combine39單元沿z方向的單元力與單元對應(yīng)節(jié)點的位移之間的關(guān)系，并利用單元力F與剪應(yīng)力τ之間的關(guān)系，可以得到CFRP板嵌貼于混凝土表層受拉有限元模型的平均粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，平均粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線與試驗結(jié)果擬合得到的粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線趨勢較為一致;曲線上升段與試驗結(jié)果擬合得到的粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線趨勢較為一致。由有限元分析結(jié)果可知，粘結(jié)破壞界面上的剪應(yīng)力達到峰值后就失去承載能力，有限元模型發(fā)生破壞，這一點與試驗結(jié)果一致，從試驗結(jié)果擬合得到的粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線可以看出，當(dāng)混凝土表層嵌貼CFRP板粘結(jié)體系發(fā)生CFRP板—混凝土界面粘結(jié)破壞時，該界面在粘結(jié)剪應(yīng)力達到峰值后就發(fā)生了粘結(jié)破壞，其主要特征就是界面上所能承受的剪應(yīng)力迅速下降，僅靠CFRP板與環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑之間的摩擦提供很小的承載力。

圖3 平均粘結(jié)剪應(yīng)力—滑移曲線

3 結(jié)語

通過采用大型通用有限元程序?qū)FRP板—混凝土粘結(jié)滑移進行計算分析，在加載初始階段，剪應(yīng)力—滑移曲線計算值與試驗值吻合較好，隨后曲線開始線性增加，所得滑移計算值與試驗值吻合較好。計算表明用Combine39單元、Link8單元以及Solid65單元模擬CFRP板與混凝土之間的滑移是可行的。

［1］ 李 榮，滕錦光，岳清瑞．FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域——嵌入式(NSM)加固法［J］．工業(yè)建筑，2004，34(4):5-10．

［2］ José Manuel de Sena Cruz．Bond Between Near-Surface Mounted Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Laminate Strips and Concrete［J］．JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION 10．1061/(ASCE)1090-0268(2004)8:6(519)．

［3］ J．G．Teng，L．De Lorenzis．Debonding Failures of RC Beams Strengthened with Near Surface Mounted CFRP Strips［J］．JOURNAL OF COMPOSITES FOR CONSTRUCTION，10．1061/(ASCE)1090-0268(2006)10:2(92)．

［4］ 美國ANSYS公司駐京辦事處．ANSYS使用手冊［Z］．2009．

［5］ 陸新征，江見鯨．用ANSYS Solid 65單元分析混凝土組合構(gòu)件復(fù)雜應(yīng)力［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2003(6):38-39．

［6］ 過鎮(zhèn)海．鋼筋混凝土原理［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1999．

［7］ 劉樹新，楊 奪．裂縫剪切傳遞系數(shù)對鋼筋混凝土梁開裂的影響［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2009(3):93-94．

［8］ 張海霞，朱浮聲，王鳳池．FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移數(shù)值模擬［J］．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報，2007(3):66-67．