CFRP補(bǔ)強(qiáng)混凝土板彎矩作用下應(yīng)力問題研究

張國偉+苗苗

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種CFRP補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)受損混凝土板進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，通過有限元計(jì)算探究其在彎矩作用下影響補(bǔ)強(qiáng)效果的因素。結(jié)果表明：裂紋深度是影響受損板裂紋尖端應(yīng)力的重要因素，CFRP補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)表面裂紋補(bǔ)強(qiáng)效果較好；膠粘劑膠層越厚，受損板表面裂紋尖端應(yīng)力越大，補(bǔ)強(qiáng)片與受損板連接處集中應(yīng)力呈現(xiàn)相反變化。本文為復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)片應(yīng)用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)與健康監(jiān)測提供了參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；復(fù)合材料；有限元法；應(yīng)力問題；混凝土板

0 引言

結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)與健康監(jiān)測對(duì)保障結(jié)構(gòu)的安全發(fā)揮著重要作用[1]，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕性好、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，成為結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中備受青睞的補(bǔ)強(qiáng)材料[2，3]。在土木工程領(lǐng)域中，膠結(jié)補(bǔ)強(qiáng)片修補(bǔ)比機(jī)械修補(bǔ)等其他修補(bǔ)方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且能夠有效地提高混凝土受損板的性能。本文通過有限元模擬碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）對(duì)帶裂紋混凝土板進(jìn)行單/雙面補(bǔ)強(qiáng)來探究裂紋深度和膠粘劑參數(shù)對(duì)混凝土板裂紋尖端應(yīng)力的影響。

1有限元模型的建立

本文所用環(huán)氧樹脂膠的力學(xué)性能如下：彈性模量和泊松比分別為1000 MPa和0.3。C30混凝土材料性能如下：彈性模量30000 MPa，泊松比0.2，抗拉強(qiáng)度1.43MPa。單向碳纖維預(yù)浸料層壓板力學(xué)性能如下：0°方向彈性模量140.3MPa，90°方向彈性模量8.08 MPa，泊松比0.288。

本文混凝土板有限元模型如圖1所示?；炷涟彘L200mm，寬200mm，厚度為10mm?；炷涟迳系牧鸭y為橢圓形裂紋，長軸為8mm，短軸為2mm，該模型符合三維無限大板帶裂紋情形。本文采用的CFRP補(bǔ)強(qiáng)片，鋪層角度為[0/±45/90]s，一共8層CFRP，分別對(duì)混凝土板進(jìn)行了單面補(bǔ)強(qiáng)和雙面補(bǔ)強(qiáng)，構(gòu)件粘貼補(bǔ)強(qiáng)片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

邊界條件為有限元模型一端固定，另一端施加集中彎矩，經(jīng)材料力學(xué)計(jì)算受彎混凝土板上表面（受拉側(cè)）當(dāng)?shù)貞?yīng)力為1 MPa。

2 分析結(jié)果與討論

2.1裂紋深度對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響

以裂紋深度為變量，裂紋深度增量為1.0mm，膠層厚度控制為0.2mm，CFRP補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)混凝土板單面補(bǔ)強(qiáng)；當(dāng)裂紋深10mm（裂紋穿透混凝土板）時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)混凝土板進(jìn)行雙面補(bǔ)強(qiáng)。通過有限元計(jì)算，受損板裂紋尖端應(yīng)力變化如圖3。對(duì)混凝土板表面裂紋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，CFRP補(bǔ)強(qiáng)片與混凝土板連接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了探究膠層厚度對(duì)混凝土表面裂紋尖端和連接處集中應(yīng)力的影響，控制膠層厚度增量為0.1mm，混凝土板表面裂紋深度為1mm，CFRP補(bǔ)強(qiáng)片對(duì)混凝土板進(jìn)行單面補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后應(yīng)力変化如圖4。

圖3給出了彎矩作用下帶裂紋混凝土板補(bǔ)強(qiáng)前后裂紋尖端應(yīng)力值變化情況?；炷涟灞砻媪鸭y深度為1mm時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力3.39MPa遠(yuǎn)大于1.43MPa。隨著裂紋深度的加深，裂紋尖端的應(yīng)力先逐漸變大到最大值5.41MPa（深度為7mm）而后逐漸減小。CFRP補(bǔ)強(qiáng)后的混凝土板隨著裂紋深度變深，其裂紋尖端處的應(yīng)力也先變大而后減小，但相比于未補(bǔ)強(qiáng)之前應(yīng)力顯著減小。圖3中橫線是對(duì)裂紋穿透型混凝土板進(jìn)行雙面補(bǔ)強(qiáng)后的裂紋處應(yīng)力值，該值比裂紋通透時(shí)顯著減小，但是其補(bǔ)強(qiáng)效果不理想。對(duì)于該受彎混凝土板，只有在裂紋深度為1mm時(shí)補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，使得裂紋尖端處的應(yīng)力達(dá)到安全水平。

圖4給出了彎矩作用下膠層厚度對(duì)混凝土板表面裂紋尖端和補(bǔ)強(qiáng)片連接處應(yīng)力影響情況?；炷涟灞砻媪鸭y尖端應(yīng)力值隨著粘膠層厚度變厚而增大，而補(bǔ)強(qiáng)片與混凝土板連接處的集中應(yīng)力值呈現(xiàn)相反變化。補(bǔ)強(qiáng)片與帶表面裂紋混凝土板接觸越緊密，就越能限制表面裂紋繼續(xù)開裂；補(bǔ)強(qiáng)片與混凝土板未受損部位連接處接觸越緊密，就導(dǎo)致連接處左右兩側(cè)實(shí)際抗拉能力不一致而產(chǎn)生應(yīng)力集中。圖4中看出當(dāng)膠層厚度接近0.4mm時(shí)混凝土板裂紋尖端應(yīng)力和補(bǔ)強(qiáng)片與混凝土板連接處的集中應(yīng)力均滿足安全應(yīng)力水平，當(dāng)膠厚為0.2mm、0.3mm、0.5mm時(shí)，裂紋尖端應(yīng)力和補(bǔ)強(qiáng)片與混凝土板連接處的應(yīng)力也滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

（1）在彎矩作用下，混凝土板補(bǔ)強(qiáng)前后裂紋深度增加均導(dǎo)致裂紋尖端應(yīng)力先增大后減小。CFRP補(bǔ)強(qiáng)片膠結(jié)補(bǔ)強(qiáng)對(duì)表面裂紋補(bǔ)強(qiáng)效果好。

（2）膠粘劑膠層厚度對(duì)受損板表面裂紋尖端和補(bǔ)強(qiáng)片連接處應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。膠粘劑膠層厚度變厚，裂紋尖端應(yīng)力變大，補(bǔ)強(qiáng)片連接處應(yīng)力變小。

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