單向分布碳纖維砼加固板溫度裂縫分析

畢繼紅 任振國 逯 鵬 關(guān) 健

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

本文基于某橋梁擋風(fēng)板上碳纖維混凝土加固板件現(xiàn)場觀測，來分析碳纖維混凝土加固板的溫度裂縫問題.由于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度低、延性差等缺點(diǎn)，在溫度變化的影響下極易開裂.為了解決這一問題，可以采用碳纖維增強(qiáng)混凝土（CFRC）.在普通混凝土中摻入碳纖維，碳纖維的良好的力學(xué)性能、韌性、延性、耐久性等，與混凝土的性能互補(bǔ)，使混凝土性能發(fā)生明顯改善，和普通混凝土（OPC）相比，CFRC抗拉、抗剪、抗彎等強(qiáng)度均有很大提高，抗裂性、韌性等性質(zhì)也有明顯的提高［1－2］.國內(nèi)外的學(xué)者對碳纖維的增強(qiáng)機(jī)理和CFRC的基本性能進(jìn)行了大量的研究，但是主要集中在其力學(xué)性能方面，而對CFRC的熱性能研究頗少，特別是對碳纖維混凝土加固構(gòu)件與被加固構(gòu)件之間的溫差引起的溫度裂縫的研究就更少了［3］.

鋼筋混凝土橋梁由于溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越來越受到人們的重視，各國規(guī)范都規(guī)定了相應(yīng)的溫度梯度分布模式.主要有我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60－2004提出的雙折線模式、新西蘭橋梁規(guī)范NZBM－2003提出的5次冪函數(shù)模式以及我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10002.3－2005提出的指數(shù)函數(shù)模式等［4－6］.結(jié)構(gòu)暴露在環(huán)境中，由于日照輻射或年溫差的影響，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使得混凝土極易開裂.溫度應(yīng)力包括材料內(nèi)部自相約束而產(chǎn)生的自應(yīng)力和結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間變形相互約束產(chǎn)生的次應(yīng)力兩部分［7］.

對于纖維混凝土的增強(qiáng)理論有兩種基本理論，一種是復(fù)合力學(xué)理論，一種是基于斷裂力學(xué)的纖維間距理論.復(fù)合力學(xué)理論是將纖維混凝土看作纖維和混凝土兩相復(fù)合材料，其性能為纖維和混凝土的加和值.纖維間距理論是在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，引入纖維混凝土中纖維的平均間距，來確定纖維混凝土復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度［8］.

本文對擋風(fēng)板和碳纖維加固（CFRP）板設(shè)定不同的溫升值，采用FINAL有限元軟件來分析溫差對加固板開裂的影響，并對正交分布碳纖維加固板和不同厚度的碳纖維混凝土加固板進(jìn)行了分析，得出碳纖維配向和碳纖維加固板厚度對碳纖維加固板開裂的影響規(guī)律.

1 工程概況

本文項(xiàng)目為某鐵路橋梁，橋梁左右兩側(cè)通長設(shè)有1 700mm高的擋風(fēng)板，沿?fù)躏L(fēng)板全長在靠近車道一側(cè)連續(xù)設(shè)置碳纖維加固板加固，碳纖維加固板的基體為混凝土材料.用螺栓將碳纖維加固板固定在擋風(fēng)板上，并且碳纖維加固板與擋風(fēng)板之間用一層有機(jī)膠粘劑粘合.

在自然條件下經(jīng)過一年的時(shí)間，纖維混凝土加固板出現(xiàn)了非常明顯的開裂現(xiàn)象，裂縫基本分布在每塊加固板的兩列螺栓之間的區(qū)域，并且裂縫基本均為豎向裂縫，裂縫分布示意圖如圖1所示.

初步分析，由于擋風(fēng)板與碳纖維加固板之間的溫差作用，兩者產(chǎn)生相對變形，當(dāng)碳纖維加固板的拉應(yīng)變超過基體極限拉應(yīng)變時(shí)，裂縫產(chǎn)生.因?yàn)樘祭w維加固板沿豎向單向摻入碳纖維，碳纖維主要對基體橫向裂縫開展有阻礙作用，所以產(chǎn)生豎向裂縫［9－10］.

圖1 碳纖維加固板裂縫示意圖

2 模型建立

2.1 幾何尺寸

橋梁擋風(fēng)板為厚200mm，高1 700mm沿橋梁全長的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁長度方向，每隔一定長度設(shè)置一條貫穿橋梁橫截面的伸縮縫.碳纖維加固板厚度6mm，高1 700mm，寬900mm，沿?fù)躏L(fēng)板長度方向連續(xù)拼接，建模時(shí)碳纖維加固板拼接處留出1mm的縫隙.伸縮縫處三塊加固板長度范圍內(nèi)的幾何尺寸如圖2所示.

圖2 局部結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 材料屬性

碳纖維沿板的高度方向單向配置，體積率為0.5%.主要材料參數(shù)見表1.

表1 材料主要性能參數(shù)

2.3 單元選取

擋風(fēng)板選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，在x、y、z3個(gè)方向以配筋率的形式輸入鋼筋；碳纖維加固板使用4節(jié)點(diǎn)四邊形板單元，在x、y、z3個(gè)方向輸入一定體積率的碳纖維；螺栓用剛性梁單元模擬，螺栓伸入擋風(fēng)板80mm；碳纖維加固板之間的1mm拼接縫處用只抗壓不抗拉的彈簧模擬.

2.4 邊界條件

由現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，在伸縮縫附近處的碳纖維加固板開裂比較明顯.本文模擬伸縮縫附近處的邊界條件，取一塊半長度的模型，伸縮縫處的面假設(shè)為沿橋軸方向統(tǒng)一變形，為保守起見，剖切面沿橋軸方向固定.由于橋面板和擋風(fēng)板在伸縮縫處可以沿橋軸方向伸縮，故假設(shè)擋風(fēng)板的底部沿橋長方向可以移動(dòng).不考慮碳纖維加固板和擋風(fēng)板之間的有機(jī)膠粘劑的變形，兩者之間采用共用節(jié)點(diǎn)的方式連接.有限元模型如圖3所示.

圖3 有限元模型

2.5 基本溫度工況

不考慮材料內(nèi)部溫度不均勻產(chǎn)生的溫度自應(yīng)力，用來模擬擋風(fēng)板和碳纖維加固板的單元溫度分別同步升高.根據(jù)太陽照射方位的變化，取3個(gè)基本溫度工況，見表2.

表2 基本溫度工況

3 有限元分析結(jié)果

結(jié)果顯示，Case1分析結(jié)果和觀測的開裂情況類似，如圖4所示.

圖4 Case1分析結(jié)果與現(xiàn)場觀測比較

擋風(fēng)板升溫比碳纖維加固板升溫高是最不利的工況.當(dāng)兩者均勻升溫或者碳纖維加固板升溫高時(shí)，碳纖維加固板不會開裂，Case2和Case3分析結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 Case2碳纖維加固板裂縫圖

圖6 Case3碳纖維加固板裂縫圖

有限元分析結(jié)果顯示，在3個(gè)基本工況中Case1是最不利的工況，當(dāng)日光照射鋼筋混凝土擋風(fēng)板時(shí)，擋風(fēng)板溫度比碳纖維加固板溫度升高得快，此時(shí)對碳纖維加固板是最不利的.Case1的分析結(jié)果和現(xiàn)場觀測吻合，說明本文所采用的分析方法是可靠的.

4 加固板面內(nèi)正交纖維有限元分析

本文實(shí)際碳纖維混凝土加固板為沿板高單向配置碳纖維，根據(jù)纖維的阻裂原理，纖維對基體沿纖維軸向的變形產(chǎn)生阻礙作用，阻止與纖維相交的裂縫產(chǎn)生.如果正交兩向配置碳纖維，有限元分析結(jié)果顯示，加固板只在螺栓處發(fā)生開裂，因?yàn)槁菟ǜ浇捎趹?yīng)力集中，螺栓附近的應(yīng)力較大，當(dāng)拉應(yīng)變超過基體的極限拉應(yīng)變時(shí)，混凝土開裂.裂縫圖如圖7所示.

圖7 兩向正交碳纖維加固板裂縫圖

5 加固板厚度對開裂的影響

因?yàn)镃ase1碳纖維混凝土加固板的裂縫比較多，在基本工況Case1的基礎(chǔ)上，改變碳纖維混凝土加固板的厚度進(jìn)行分析.對Case1分別設(shè)置5、6、7、8、10、12、14、16、18、20、22、24mm碳纖維混凝土加固板的厚度，其他條件完全相同，分析不同厚度下加固板的開裂情況.碳纖維加固板的裂縫條數(shù)與板厚因素的關(guān)系曲線如圖8所示.

圖8 碳纖維加固板厚度與裂縫條數(shù)關(guān)系曲線

由碳纖維加固板厚度d與裂縫條數(shù)N的關(guān)系圖線可以看出，碳纖維加固板的厚度對碳纖維加固板的開裂情況有影響，碳纖維加固板厚度d與裂縫條數(shù)N呈雙折線關(guān)系，當(dāng)板厚d＜7mm時(shí)碳纖維加固板的厚度對溫度開裂的影響很大，當(dāng)板厚d＞7mm時(shí)板厚對溫度開裂的影響比較小，因此可既考慮節(jié)約材料，又考慮充分利用碳纖維加固板的力學(xué)性能，可取適當(dāng)?shù)陌搴?

6 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間因?yàn)闇夭町a(chǎn)生溫度次應(yīng)力，本文通過FINAL有限元軟件對碳纖維加固板溫度裂縫進(jìn)行有限元分析，得出以下結(jié)論：1）根據(jù)日照方位變化，擋風(fēng)板與碳纖維加固板之間產(chǎn)生溫差，由于溫差的作用及熱膨脹系數(shù)差異的影響，碳纖維加固板會產(chǎn)生裂縫.2）對于單向纖維增強(qiáng)混凝土，由于纖維與基體之間的粘接作用，裂縫的開裂受到阻礙.因此，裂縫大部分沿纖維走向開裂，與纖維垂直方向裂縫很少.3）因?yàn)樘祭w維具有負(fù)的線膨脹系數(shù)，對混凝土在溫度作用下的膨脹具有約束作用，可以阻止混凝土的溫度變形.4）碳纖維加固板的厚度對開裂情況有一定的影響，兼顧適用和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素，可以取適當(dāng)?shù)陌搴?

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