CFRP 板嵌贴加固混凝土粘结滑移数值分析

曾密林 童谷生

0 引言

近几年来，嵌入式(Near Surface Mounted，简称NSM)加固法在国外已成为FRP材料加固技术研究的热点，已经运用于桥梁、混凝土结构、砌体结构、木结构的加固中，且加固效果良好［1］。嵌入式加固法是一种通过粘结材料将加固材料嵌入加固构件表面预先凿好的槽中，使之与加固构件形成整体，从而提高构件抗弯或抗剪承载力的加固方法。CFRP材料与混凝土间的界面粘结性能是影响加固后结构性能的一个重要因素。本研究基于CFRP梁式拉拔试验数据［2，3］，运用ANSYS软件对其剪应力—滑移关系进行分析，将计算结果与试验结果进行对比，提出CFRP板—混凝土有限元计算模型。

1 有限元模型建立

根据加强筋处理方式的不同，有限元模型的建立有3种方式，即分离式、整体式和组合式［4］。本研究采用的是分离式有限元模型，认为钢筋与混凝土粘结良好，不考虑钢筋的滑移。

1． 1 单元类型的选取

在ANSYS模拟中一般选用Solid65来模拟混凝土，该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。该单元也可用于其他方面，如加筋复合材料(如玻璃纤维、碳纤维)及地质材料(如岩石)。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x，y，z三个方向的线位移，还可对三个方向的含筋情况进行定义。

Solid65单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂(三个正交方向)、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能［5］。

1． 2 材料本构关系模型

混凝土采用Von Mises屈服准则，应力—应变关系曲线为理想弹塑性曲线。纵筋和箍筋应力—应变关系采用Ramberg-Osgood模型［6］:

CFRP板在受拉破坏之前的应力—应变关系为线弹性关系，CFRP板采用线弹性本构关系［6］。

1． 3 材料破坏准则

Solid65单元除了定义材料的本构关系，还需要定义材料的破坏准则。Solid65单元的破坏准则为改进的William-Warnke五参数破坏准则，屈服面用极坐标表示如下(0°≤θ≤60°):

在低静水压力下，其中裂缝开裂时剪切传递系数取为0．4;裂缝闭合时剪切传递系数取为0．9［7］。

2 算例分析

算例的CFRP拉拔试验数据来自文献［2］，其材料常数如表1所示。

表1 材料常数表

计算时整体考虑纵筋和箍筋，其力学性能常数见GB 50010-2002混凝土结构设计规范。

2． 1 建模分析过程

图1 CFRP嵌贴详图

图2 混凝土单元与CFRP单元

首先选择单元类型，设置实常数和材料模型参数;然后建立实体模型，对实体划分网格;再对模型设置边界条件和荷载，设置加载步后求解。CFRP嵌贴详图见图1，混凝土单元与CFRP单元见图2。

2． 2 计算结果分析

1)承载力—滑移计算结果比较。

表2 有限元主要计算结果

表2列出了有限元计算的主要结果，表2中有限元计算结果与实验结果的误差，可能与布置在不同单元节点间Combine39单元的数量有关，Combine39单元数量越多，界面的模型就越接近实际情况，但相应的计算量也会增加［8］。

2)平均粘结剪应力—滑移曲线。

利用时程后处理器POST26输出Combine39单元沿z方向(嵌贴长度方向)的单元应力、单元相应节点的位移随时间变化曲线，可以得到单元力与单元对应节点位移之间的关系。根据求得的每个Combine39单元沿z方向的单元力与单元对应节点的位移之间的关系，并利用单元力F与剪应力τ之间的关系，可以得到CFRP板嵌贴于混凝土表层受拉有限元模型的平均粘结剪应力—滑移曲线，如图3所示。

从图3中可以看出，平均粘结剪应力—滑移曲线与试验结果拟合得到的粘结剪应力—滑移曲线趋势较为一致;曲线上升段与试验结果拟合得到的粘结剪应力—滑移曲线趋势较为一致。由有限元分析结果可知，粘结破坏界面上的剪应力达到峰值后就失去承载能力，有限元模型发生破坏，这一点与试验结果一致，从试验结果拟合得到的粘结剪应力—滑移曲线可以看出，当混凝土表层嵌贴CFRP板粘结体系发生CFRP板—混凝土界面粘结破坏时，该界面在粘结剪应力达到峰值后就发生了粘结破坏，其主要特征就是界面上所能承受的剪应力迅速下降，仅靠CFRP板与环氧树脂粘结剂之间的摩擦提供很小的承载力。

图3 平均粘结剪应力—滑移曲线

3 结语

通过采用大型通用有限元程序对CFRP板—混凝土粘结滑移进行计算分析，在加载初始阶段，剪应力—滑移曲线计算值与试验值吻合较好，随后曲线开始线性增加，所得滑移计算值与试验值吻合较好。计算表明用Combine39单元、Link8单元以及Solid65单元模拟CFRP板与混凝土之间的滑移是可行的。

［1］ 李 荣，滕锦光，岳清瑞．FRP材料加固混凝土结构应用的新领域——嵌入式(NSM)加固法［J］．工业建筑，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］ 美国ANSYS公司驻京办事处．ANSYS使用手册［Z］．2009．

［5］ 陆新征，江见鲸．用ANSYS Solid 65单元分析混凝土组合构件复杂应力［J］．建筑结构，2003(6):38-39．

［6］ 过镇海．钢筋混凝土原理［M］．北京:清华大学出版社，1999．

［7］ 刘树新，杨 夺．裂缝剪切传递系数对钢筋混凝土梁开裂的影响［J］．水利与建筑工程学报，2009(3):93-94．

［8］ 张海霞，朱浮声，王凤池．FRP筋与混凝土粘结滑移数值模拟［J］．沈阳建筑大学学报，2007(3):66-67．