预应力混杂C/G纤维布加固梁的受力性能研究*

方太云，汪　锋，张　剑，杨朝辉，朱金华

(1.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；2.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；4.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310019)



预应力混杂C/G纤维布加固梁的受力性能研究*

方太云1，汪锋2，张剑3，杨朝辉4，朱金华3

(1.江苏省交通运输厅工程质量监督局，江苏 南京 210001；2.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；4.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310019)

摘要：对于混凝土梁和预应力混杂C/G纤维布分别采用非线性组合单元和层壳单元模拟，采用Owen屈服准则和Hinton压碎准则等描述了混凝土非线性特性，同时实现了混杂C/G纤维布空间预应力效应，编制了加固体系的三维非线性有限元计算程序。结果表明，预应力水平是影响预应力混杂C/G纤维布加固结构力学性能的主要因素，提出的确定预应力混杂C/G纤维布力学性能的理论方法和计算模型正确。研究结论可供工程加固设计参考。

关键词：预应力混杂C/G纤维布；混凝土梁；非线性；有限元

FRP布加固技术在实际工程中已有一定的应用，但基本上采用被动粘贴非预应力FRP布(板)。桥梁自重往往占全部荷载作用的很大比例，被动粘贴FRP仅用于抵抗活载作用，在受弯构件上应用效果并不令人满意[1-2]，因此，采用粘贴预应力FRP布的加固无疑优于非预应力FRP布的粘贴法。FRP布可以在粘贴到结构之前用合适的张拉机具预拉到一定的应力，这种主动的加固技术可以更有效地利用FRP材料，充分发挥其高抗拉强度的特点，能够全方位地解决上述问题。与粘贴非预应力FRP布的研究相比，粘结预应力FRP布加固混凝土梁的研究与应用近几年才出现[3-4]。正如传统的预应力结构一样，初始预应力可用来平衡结构的自重和部分荷载，推迟裂缝的开展，减小裂缝的宽度和结构的挠度，缓解受拉钢筋的应力及提高混凝土梁的极限承载能力[5]。

将2种纤维混杂在一起共同工作可表现出优于其单一纤维的力学性能， 且并不是单一材料的简单叠加。其原因在于：2种纤维混合使用时，高延伸性纤维可承受由于低延伸性纤维断裂而引起的额外荷载，从而延缓从微观到宏观的破坏过程，使混杂纤维的平均断裂应变明显提高；而低延性的纤维在断裂后，还能以短纤维的形式与高延性的纤维共同工作，直到所有纤维陆续断裂完为止。

为叙述方便，碳纤维、碳-玻1∶1、碳-玻1∶2、碳-玻1∶3、碳-玻2∶1、碳-玻3∶1和玻璃纤维分别简记为C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G。

本文建立预应力混杂C/G纤维布加固混凝土梁非线性力学模型，对加固结构进行计算分析。

1预应力混杂C/G纤维布加固梁的力学模型

混凝土梁采用实体退化单元模拟(见图1)，单元的中面控制节点9个，用于描述退化单元的信息较相应体单元明显减少。混凝土梁中混凝土、箍筋和构造钢筋可采用层单元模拟。对于纵向受力钢筋(主筋)，用层单元模拟过于近似，本文研究用组合单元模拟。

图1　相应的退化壳单元描述

退化9节点单元的节点位移为：

δi=(uiviwiβ1iβ2i)T

(1)

式中，(uiviwi)是整体坐标系下节点i的线位移；(β1iβ2i)是节点i在其节点坐标系中的转角位移。位移场通过形函数插值可表示为：

(2)

(3)

(4)

结构加固中，混杂C/G纤维布厚度较小，单层厚度一般为0.15～0.25mm。故对于混杂C/G纤维布采用壳单元进行处理，并采用初应力等效荷载方法，实现混杂C/G纤维布的空间预应力效应。不考虑界面粘结滑移效应，即混杂纤维布与混凝土梁体单元采用共节点处理。

2预应力混杂C/G纤维布加固梁的材料模型

2.1混凝土屈服模型

本文采用Owen三轴屈服准则，表达式为：

(5)

式中，I1是应力张量第一不变量；J2是应力偏量第二不变量；σ0是等效应力，取为单轴抗压强度fc；α、β是材料参数。由式1，根据单轴抗压试验和双轴等压试验标定：

(6)

式中，t=fcc/fc，fcc是双向抗压强度。

2.2混凝土压碎模型

混凝土压碎由应变控制，Hinton压碎模型为：

(7)

钢筋采用二折线弹塑性模型，其中弹塑性模量是钢筋弹性模量的1%，在混杂C/G纤维布破断之前是完全弹性。根据试验, 混杂C/G纤维布的极限强度为2 956.3MPa，即认为混杂C/G纤维布达到相应极限强度破断后其强度完全消失。

3非线性收敛准则

本文综合采用等刚度法和切线刚度法，即在各增量步的第1次迭代时采用切线刚度法，各增量步内的其余迭代计算采用等刚度法。采用位移收敛准则，取

(8)

式中，δi是第i增量步的非线性方程组迭代时的收敛解，即混杂C/G纤维布加固混凝土梁第i增量步整体位移向量；δi+1是第i+1增量步的非线性方程组迭代时的收敛解；ε是收敛容差，取值为2.5%。

4程序研制和计算分析

4.1试验资料

加固梁尺寸为150mm×250mm×2 800mm，纵筋为2φ14，箍筋为φ8@150，对称配筋，保护层厚度为25mm。加固所选用纤维布厚度为0.23mm。试验梁的截面尺寸及配筋如图2所示。根据不同配比C/G混杂纤维性能，并进行综合比较后，选择C、CG11等7种混杂纤维(见表1)作为理论分析所选取的纤维布材料，基于强度和延性双重指标计算分析预应力混杂C/G纤维布的最优混杂比。

表1　不同配比的C/G混杂纤维的性能

4.2有限元模型和计算结果

采用非线性组合单元和层壳单元建立混杂C/G纤维布加固混凝土梁计算模型，共有120个单元，533个节点，其中预应力混杂C/G纤维布层壳单元20个，其余为混凝土梁单元，全过程分析中每个加载点每级加载3kN。混凝土强度级别为C25，纤维布预应力度为0.1，进行了全过程计算分析。荷载挠度曲线如图3所示，纤维布应力发展曲线如图4所示。

图2　试验梁截面尺寸及配筋图

图3　混杂纤维布加固梁的荷载挠度曲线

图4　混杂纤维布加固梁的纤维布应力发展曲线

由图3、图4分析可知，不同的纤维布加固混凝土梁的荷载挠度曲线和纤维布应力发展曲线具有规则的变化规律；加载初期，跨中挠度和纤维布应力发展较为平缓，达到屈服荷载后，跨中挠度和纤维布应力均发展迅速直至结构破坏。所得规律证明了本文建立理论分析模型的正确性。

5结语

通过对7种混杂纤维进行加固混凝土梁全过程分析可知，预应力GFRP纤维布加固的特征荷载值均较低，不适合做加固，预应力CFRP布加固的特征荷载值虽有提高，但与混杂纤维相比，其开裂荷载提高较小，且延性指标普遍下降；因此，将CFRP布与GFRP布混杂后，能充分发挥各自的优势。

参考文献

[1] 喻林, 蒋林华, 储洪强. 混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[J]. 建筑材料学报, 2006, 9(3):274-278.

[2] 周英武, 王苏岩, 李宏男.CFRP加固高强钢筋混凝土梁抗剪承载力计算[J]. 大连理工大学学报，2009，49(2): 239-245.

[3] 谢志红, 邓军, 莫晓东. 碳/芳纶混杂纤维布加固混凝土梁抗弯试验研究[J]. 中外公路, 2008, 28(1): 57-60.

[4] 王冬英. 预应力HFRP混杂加固RC梁跨中挠度分析[J]. 低温建筑技术, 2009(3): 30-32.

[5] 姚谏, 朱晓旭, 周延阳. 混凝土表层嵌贴CFRP板条的黏结承载力[J]. 浙江大学学报：工学版, 2008, 42(1): 34-38.

* 交通运输部建设科技项目(2013 318J19 590)

江苏扬子大桥股份有限公司资助项目(GCJS2014-37)

责任编辑彭光宇

Mechanical Properties of Beam Reinforced with Hybrid C/G Sheet

FANG Taiyun1， WANG Feng2， ZHANG Jian3， YANG Chaohui4， ZHU Jinhua3

(1.Quanlity Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province， Nanjing 210001， China；2.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd.， Nanjing 214521， China；3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；4.Zhejiang Jiaotong Advace-grade Highway Maintenance Co., Ltd.，Hangzhou 310019， China)

Abstract：Nonlinear combination element and the shell element are respectively utilized to simulate concrete beam and prestressed hybrid fiber. Besides, the characteres of nonlinear concrete are described by the Owen yield criterion and the Hinton crush criterion. Meanwhile, the three-dimensional prestressing effects of this composite materials and nonlinear finite element computer program of reinforcing system have been realized. The results show that the most reasonable prestress degree is one of the major factors to impact its mechanical properties, which have been strengthened by the prestressed hybrid fiber C/G. And theoretical method and calculation model that determines the mechanical performance of prestressed hybrid fiber in this paper are reasonable and reliable. The research conclusions can be used as a reference in practice engineering design or reinforce.

Key words:prestressed hybrid C/G fiber， concrete beam， nonlinearity， finite element

收稿日期：2015-06-15

作者简介：方太云(1971-)，男，高级工程师，主要从事结构工程等方面的研究。

中图分类号：TB 332

文献标志码:A