預應力CTRC板加固預載梁彎曲性能的數(shù)值研究

(1．湖南體育產(chǎn)業(yè)集團有限公司，湖南 長沙 410000；2. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

織物增強混凝土(the Textile Reinforced Concrete,簡稱TRC)是一種由高性能纖維網(wǎng)格織物與細骨料混凝土結(jié)合而成的新型復合材料。使用TRC材料加固混凝土構(gòu)件是近年來興起的一種新型加固方式。TRC材料具有強度高及耐腐蝕性好的優(yōu)點；由于TRC材料的基體為無機材料，其與加被加固混凝土構(gòu)件間的協(xié)調(diào)相容性和相互滲透性能較好，可以適用在潮濕表面及低溫環(huán)境中[1-3]。這些優(yōu)點使得許多國內(nèi)外學者對TRC材料用于加固混凝土構(gòu)件進行了大量研究。

目前，TRC用于加固RC構(gòu)件的方法大多為層鋪法，即先在待加固構(gòu)件表面平鋪一層砂漿，再在砂漿表面鋪一層纖維織物并輕輕按壓，最后鋪一層砂漿作為覆蓋層。若有多層纖維織物，重復后兩步操作即可[4-6]。OMBRES[7]對TRC材料加固RC梁的彎曲性能進行了試驗分析研究。試驗結(jié)果表明用TRC材料加固后可以明顯提高RC梁的抗彎承載力，與未加固梁相比，抗彎承載力提高比例在10%～44%之間。徐世烺等[8]為了研究TRC加固鋼筋混凝土梁的抗裂性能進行了彎曲試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用TRC加固后的RC梁在正常使用階段的裂縫寬度最大值減小。在TRC的基質(zhì)中加入短切纖維可以提高加固梁的開裂荷載并且使得加固梁的裂縫變得更密。D’AMBRISI等[9]通過試驗對TRC材料加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能進行了研究，試驗結(jié)果表明TRC加固RC梁是有效的，另外加固梁是由于纖維與水泥基質(zhì)之間的剝離而破壞的且破壞時纖維較為完整，這說明加固梁破壞時纖維強度未得到充分利用。

為了避免層鋪法過多的濕作業(yè)操作，將TRC材料預制成復合板材用于加固。在預制時對纖維織物施加預應力以達到保證纖維織物平直和提高纖維織物強度利用率的目的。杜運興等[10,11]對這種板材的力學性能進行了相關試驗研究，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在TRC板制作時摻一定體積分數(shù)的短切鋼纖維可以改善織物與基體混凝土之間的界面黏結(jié)性能，使TRC薄板的破壞形式由剝離轉(zhuǎn)變?yōu)榭椢锢瓟?。另外，對織物施加預拉力可以明顯提高TRC板件的開裂荷載。周芬等[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)采用這種預制的預應力TRC板加固RC梁可以明顯提高其承載力，且隨著纖維織物層數(shù)的增加，加固梁的極限承載力與未加固梁相比提高14.6%～41.5%。雖然預應力TRC板可以有效對RC梁進行加固，但目前研究的對象絕大多數(shù)為未有受載歷史的混凝土梁。而實際工程中，混凝土梁大多為帶裂縫工作狀態(tài)，對其加固后繼續(xù)承受荷載，屬于二次受力狀態(tài)。針對此種情況，本文對預應力碳纖維網(wǎng)格織物增強混凝土(Carbon-Textile reinforced Concrete，簡稱CTRC)板加固預載梁的彎曲性能進行了試驗和數(shù)值模擬研究。

1 試驗概況

1.1 預應力CTRC板的制作與力學性能測試

預應力CTRC板的制作通過一個預應力張拉裝置完成，該裝置內(nèi)有澆筑板材的模具，如圖1所示。

圖1 張拉裝置及模具Figure 1 Tensioning device and mould

預應力CTRC板中的碳纖維網(wǎng)格織物經(jīng)是過環(huán)氧樹脂浸漬的，如圖2所示。首先裁剪寬度約為140 mm浸膠處理后的碳纖維網(wǎng)格織物，將其固定在張拉裝置中，并對其進行預張拉和多次補張拉，使其預拉力水平維持在5.6 kN左右。然后用摻入了鋼纖維的高性能水泥基進行澆筑，澆筑完對其震動密實。初步硬化后，覆蓋濕毛巾，灑水養(yǎng)護，7 d后將預應力CTRC板從張拉裝置上取出，并移入標準養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)護至28 d。經(jīng)測量，預應力CTRC板的平均厚度約為16 mm。

圖2 浸膠后的碳纖維織物Figure 2 Impregnated carbon fiber textile

采用MTS萬能試驗機對預應力CTRC板進行單軸拉伸試驗，如圖3(a)所示。試驗由位移控制加載，速率為0.5 mm/min。拉伸試件一共3個，試件的標距和寬度分別為100、 40 mm，厚度與用于加固的預應力CTRC板厚度相同。預應力CTRC板的拉伸應力-應變曲線如圖3(b)所示。曲線橫軸的拉伸應變?yōu)樵囼灉y得的標距內(nèi)變形除以標距得到，縱軸的拉伸應力為試驗測得的拉力除以試件的橫截面積得到。曲線上A0對應板材出現(xiàn)了第一條裂縫，A2表示板材達到其極限強度發(fā)生斷裂。由于板材的應力-應變曲線A0～A2復雜變化，且為了方便后期對加固梁進行數(shù)值分析，本文對曲線進行簡化，將應力-應變曲線簡化成兩折線模型，兩折線的末端點分別對應板材的開裂和斷裂，兩個點的坐標分別為(0.03%，10.3 MPa)、(1.60%，33.0 MPa)，簡化曲線如圖3(c)所示。

(a)拉伸試驗裝置 (b)拉伸試件的應力-應變曲線

(c)簡化的應力-應變曲線

1.2 試驗梁設計與制作

本試驗一共分為6個工況，具體見表1。所有工況的RC梁的尺寸和配筋情況均相同，如圖4所示。RC梁中縱筋的平均屈服強度和平均抗拉強度分別為488、651 MPa?；炷恋钠骄S心抗壓強度為30.6 MPa。所有加固工況試驗梁均按照表1要求進行預載，預載完成后用高性能水泥基在原位粘貼預應力CTRC板。為了防止預應力CTRC板端部發(fā)生剝離破壞，在CTRC板的端部對用單向碳布進行了環(huán)形錨固，如圖5所示。為了監(jiān)測試驗梁的外荷載和撓度的變化情況，分別布置了1個力傳感器和3個位移傳感器，如圖5所示。所有試驗梁均采用四點彎曲加載。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions試驗工況編號預載情況備注R-B0參考工況D-B直接加固U-B-1加載至fcr,卸載U-B-2加載至fy,卸載加固工況S-B-1加載至fcr,持載S-B-2加載至fy,持載注:fcr表示混凝土梁開裂時的荷載,fy表示混凝土梁剛屈服時的荷載。

圖4 試件尺寸及配筋圖

圖5 端部錨固及測試元件布置圖Figure 5 End anchor and test component layout

2 試驗梁的數(shù)值模擬

2.1 試驗梁模型的建立

各工況試驗梁采用三維模型進行分析。梁的尺寸、鋼筋尺寸及其布置位置均與試驗相同。其中混凝土和預應力CTRC板采用MSC.Marc中的Element 7六面體實體全積分單元；鋼筋采用Element 9三維桁架單元，該桁架單元只能受軸向力，不能承受橫向剪力和彎矩。對幾何模型進行網(wǎng)格的劃分，是較為重要的一步。網(wǎng)格劃分后單元多少將影響有限元模型求解的速度和精度。通過試算后確定單元的劃分，如圖6所示，其中混凝土單元864個，縱筋單元92個，架力筋單元60個，箍筋單元144個，預應力CTRC板單元114個。其中預應力CTRC板單元與混凝土單元間通過共用節(jié)點連接。模型中鋼筋和混凝土間的連接關系，采用MSC.Marc中的Inserts功能，將鋼筋嵌入混凝土中，該功能不考慮混凝土和鋼筋間的粘結(jié)滑移。

圖6 網(wǎng)格劃分及邊界條件Figure 6 Mesh generation and boundary conditions

2.2 材料的本構(gòu)

在本文的有限元分析中，混凝土為主要受壓材料，混凝土的單軸受壓本構(gòu)關系采用Rush本構(gòu)關系如圖7(a)所示，其中ε0=0.002，混凝土極限壓應變εcu=0.003 3。其抗拉性能在MSC.Marc中對混凝土材料特性進行定義時進行考慮，即在損傷中設置混凝土的臨界開裂應力，這樣的設置考慮了混凝土在開裂前的性能。鋼筋的本構(gòu)關系采用線性強化模型，如圖7(b)所示。預應力CTRC板采用圖3(c)所示的本構(gòu)關系。

(a)Rush 本構(gòu)關系(混凝土) (b)線性強化模型(鋼筋)

2.3 參數(shù)設置

所有梁模型的邊界條件根據(jù)簡支梁的約束特點來進行設置，如圖6所示。為了模擬試驗中的四點彎曲加載，分別在純彎段兩端的梁頂位置，設置2個加載點，這兩個加載點位于純彎段兩端的正上方。通過“N個節(jié)點與1個節(jié)點連接”設置，將加載點與梁上純彎段兩端對應的節(jié)點進行連接，這樣可以試驗沿梁寬度方向均勻加載，具體如圖6所示。

工況設置中，對于R-B工況參考梁和D-B工況加固梁，選用固定時間步長，整體工況時間為1 s，增量步數(shù)為100，步長為0.01 s。對于其他加固梁，采用兩個工況進行加載，lcase1工況為預載過程，即將RC梁加載至預定狀態(tài)，lcase2工況為加固梁的加載過程。在lcase1工況中選擇殺死預應力CTRC板單元，在lcase2工況中選擇激活預應力CTRC板單元，通過這樣的設置來實現(xiàn)預應力CTRC板對預載梁的加固。所有加固梁的lcase1工況和lcase2工況的總時間為1 s，增量步數(shù)為100，步長為0.01 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 破壞模式

試驗梁的破壞如圖8所示。由圖可知，R-B工況的破壞模式為混凝土壓碎，加固工況的破壞模式均為預應力CTRC板斷裂。模擬梁破壞模式的確定需要進行具體分析且確定模擬梁破壞模式有利于后續(xù)確定梁的極限承載力。

圖8 試驗梁破壞模式圖Figure 8 Failure model diagrams of test beams

對于R-B工況，提取出荷載-鋼筋應變曲線和荷載-混凝土應變曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，當混凝土應變達到其極限壓應變時，鋼筋應變已遠超其屈服應變2 440 με。這說明R-B工況梁在鋼筋屈服后，因混凝土壓碎而破壞。

圖9 荷載-應變曲線Figure 9 Load-strain curve

對于混凝土壓碎破壞，也可以采用混凝土損傷定義中的極限壓應變結(jié)合模型的應變云圖來判斷。在應變云圖中可以設置最大壓應變?yōu)榛炷恋臉O限壓應變，當模型中的應變超過該最大壓應變時將會顯示灰色，此時應力云圖中的灰色表明單元失效，即混凝土壓碎。圖10(a)展示了R-B工況模擬梁破壞時的應變云圖。

為了更好地得到加固梁的破壞模式，本文在預應力CTRC板的材料特性里對其損傷進行了定義。通過定義第一主應力來控制預應力CTRC板的失效。當預應力CTRC板單元達到其極限拉應力時，即被殺死，表明預應力CTRC板斷裂失效。為了更清楚地判斷混凝土壓碎是和預應力CTRC板斷裂發(fā)生的先后順序，本文繪制了所有模型的荷載-混凝土應變圖，如圖11所示。

圖10 模擬梁破壞模式圖

圖11 荷載-應變曲線Figure 11 Load-strain curve

圖11中的混凝土應變采用混凝土應變的絕對值。從圖11中可以看到，所有加固工況的荷載-混凝土應變曲線均有突降段，此處與預應力CTRC板斷裂相對應。提取預應力CTRC板斷裂時對應的混凝土應變，匯總在表2。

表2 預應力CTRC板斷裂時的混凝土壓應變值Table 2 Compression strain of concrete corresponding to the rupture of the prestressed CTRC plate工況D-BU-B-1U-B-2S-B-1S-B-2應變3 0472 6262 6763 0903 189

從表2可以看到，所有加固工況在預應力CTRC板斷裂時的混凝土壓應變均小于混凝土的極限壓應變3 300 με，這說明所有加固工況的破壞模式為預應力CTRC板斷裂，這與試驗得到的結(jié)果是一致的。

3.2 荷載-跨中撓度曲線

模擬和試驗的各工況梁荷載-跨中撓度曲線對比見圖12所示，其中加固工況的荷載-跨中撓度曲線包括了梁的預載過程和加固后梁的受載過程。從圖12中可以看出，各工況梁的模擬和試驗得到的荷載-跨中撓度曲線走勢一致，對于加固梁而言，加固前的預載過程和加固后梁的受載過程的模擬結(jié)果均與試驗接近，這表明通過設置多個工況及設置預應力CTRC板單元的生死狀態(tài)可以較好地模擬出加固梁的整體變形行為。從圖12中可以看出各工況梁極限承載力的模擬值和試驗值是比較接近的，為了具體比較，將模擬得到的各工況梁的極限荷載進行匯總，并將其與對應的試驗值進行對比分析，見表3。表中括號內(nèi)的數(shù)值為相對于R-B模擬梁極限承載力的提高比例。從表3可以看出，除S-B-2工況外，其它工況梁極限荷載的模擬值與試驗值吻合較好。

圖12 荷載-跨中撓度曲線對比

續(xù)圖12荷載-跨中撓度曲線對比

表3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Table 3 Comparison between simulation results and ex-perimental results工況編號極限承載力試驗值/kN極限承載力模擬值/kN相對誤差/%R-B73.172.4(0%) -1.0D-B128.5126.0(74.0%)-1.9U-B-1128.6123.1(70.0%)-4.3U-B-2129.8122.0(62.4%)-6.0S-B-1124.2123.7(70.9%)-0.4S-B-2128.2108.1(49.3%)-15.7

從表3中可知，與參考梁的極限承載力模擬值相比，無論卸載水平和持載水平如何，預應力CTRC板加固預載梁的極限承載力模擬值都明顯提高，提高比例最大為74.0%，隨著卸載水平或持載水平的提高，加固梁的極限承載力模擬值變化很小。

4 結(jié)論

本文從試驗和數(shù)值模擬兩個方面研究了卸載水平和持載水平兩個變量對預應力CTRC板加固預載梁彎曲性能的影響。根據(jù)試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

a.由數(shù)值模擬得到各工況梁的破壞模式與試驗得到的結(jié)果一致，其中參考梁因混凝土壓碎而破壞，加固梁均因預應力CTRC板斷裂而破壞。

b.數(shù)值模擬可以較好地模擬加固梁的變形行為，且各工況梁的極限承載力試驗值與極限承載力模擬值吻合較好。數(shù)值模擬表明，預應力CTRC板加固預載梁的極限承載力模擬值都明顯提高，提高比例在49.3%～74.0%之間。

c.加固前預載梁進行卸載或持載對加固梁的極限承載力的影響不大。