预应力CFRP/GFRP纤维加固梁的延性性能研究*

张　剑，江　雷，殷王华

(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)



预应力CFRP/GFRP纤维加固梁的延性性能研究*

张剑，江雷，殷王华

(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

摘要：碳纤维具有高强度、高弹性模量和延性较差的特点，玻璃纤维相对于碳纤维可起到互补作用，采用预应力碳纤维/玻璃纤维(CFRP/GFRP)加固混凝土梁是一项新的加固技术。基于分层单元理论，建立了加固混凝土梁的计算模型，分析了加固后混凝土梁在荷载作用下三分点加载全过程数据，对比分析了加固梁的屈服荷载、极限荷载、变形和延性性能开展情况，研究了不同混杂纤维配比等对加固梁延性性能的影响。结果表明，将CFRP与GFRP混杂后能充分发挥各自的优势，且能提高预应力纤维加固梁的特征荷载。

关键词：预应力；CFRP/GFRP纤维；延性性能；有限元

碳纤维(CFRP)具有较高的抗拉强度和弹性模量；但延伸率相对较低，价格相对昂贵[1]。在常用的纤维增强复合材料中，玻璃纤维(GFRP)的抗拉强度和弹性模量较低；但延伸率相对较大，可达到2.0%～3.0%，其耐高温性能好，耐酸、碱，吸湿性低，价格相对便宜，这对于CFRP来说正起到互补作用，且GFRP材料适合于土木工程结构加固，易于与CFRP材料的混杂编织[2]。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，而并不是单一材料的简单叠加[3-4]。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，直到纤维陆续断裂。

本文对预应力CFRP/GFRP布加固混凝土梁建立分层单元的有限元模型，对于不同的混杂比研究屈服荷载、极限荷载和挠度等结构响应，并对延性性能进行分析。

1分层单元理论

预应力CFRP/GFRP布加固混凝土梁，其由CFRP/GFRP布、钢筋和混凝土等3类材料组成，其材料性能和应力是分层单元ζ坐标的不连续函数。而混凝土屈服、开裂、钢筋屈服和结构大变形响应所具有的非线性特性需用到沿壳厚方向的积分表达。利用分层法简洁而有效地解决了此问题，将不连续函数的积分问题划为有限项级数求和问题，且能保证工程精度。沿ζ方向的分层单元模型如图1所示。

图1　分层单元模型

2配筋梁及纤维材料

根据钢筋混凝土梁的构造要求，钢筋混凝土梁尺寸为150 mm×250 mm×2 800 mm。对称配筋，纵筋为2φ14，箍筋为φ8@150，混凝土保护层厚度为25 mm。截面配筋如图2所示，详细资料见于文献[5]。

图2　加固梁截面配筋图

加固所选用纤维布厚度为0.23 mm。不同配比的CFRP/GFRP混杂纤维性能见表1。对强度、延伸率和价格等因素进行综合比较后，选择7种混杂纤维作为理论分析所用纤维布材料。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。

表1　不同配比的CFRP/GFRP纤维性能

3加固梁的力学性能分析

针对混凝土强度级别C20，纤维布类型(C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G)，以预应力度分别为0和0.4进行分析(见表2和表3)，采用三分点加载并通过程序提取开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和梁体挠度发展数据，实现了从强度、刚度和延性角度评价加固效果的数据量化分析。

表2　未施加预应力的纤维布加固梁的特征指标

表3　预应力度为0.4的纤维布加固梁的特征指标

由表2和表3分析可知，预应力GFRP纤维布加固的特征荷载值均较低，因此，利用预应力GFRP纤维布加固不合适；预应力CFRP布加固的特征荷载值有提高，与混杂纤维相比开裂荷载提高较小，剩余强度过大。将CFRP布与GFRP布混杂后，能充分发挥各自的优势。

4结语

将CFRP布与GFRP布混杂后，能充分发挥各自的优势。与未加固梁相比，粘贴纤维布加固梁的承载能力均有提高；与未施加预应力的纤维布加固梁相比，预应力纤维布加固梁的开裂荷载等均有提高，因此，预应力纤维布加固方法对于旧桥加固而言为有效的主动加固方式。

参考文献

[1] 邓宗才. 碳纤维布增强钢筋混凝土梁抗弯力学性能研究[J]. 中国公路学报, 2001, 14(2): 45-51.

[2] 董福兴. 钢筋混凝土结构腐蚀疲劳研究现状与发展[J]. 山西建筑，2007, 33(7): 95-96.

[3] 王海超. 钢筋混凝土构件腐蚀疲劳试验研究与理论分析[D]. 大连：大连理工大学，2004.

[4] 韦全余，欧世坤，朱金华，等.预应力混杂CFRP/GFRP纤维布加固桥梁结构的工程应用与评估[J].新技术新工艺，2014(9)：46-51.

[5] 艾军, 张剑.预应力混杂CFRP/GFRP纤维布在混凝土桥梁加固中的关键技术研究[R]. 南京：南京航空航天大学, 2013.

* 国家自然科学基金资助项目(11232007)

江苏省自然科学基金资助项目(BK20130787)

南京航空航天大学青年科技创新基金资助项目(NS2014003)

责任编辑马彤

Ductility Performance of Beams Strengthened with Prestressed CFRP/GFRP Sheets

ZHANG Jian， JIANG Lei， YIN Wanghua

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Carbon fiber has high tensile strength and modulus of elasticity, but the ductility of the carbon fiber is poor. Relative to the carbon fibers, glass fiber plays a complementary role. It is a new reinforcement technique to reinforce concrete beams by prestressed CFRP/GFRP. Based on the theory of hierarchical units, a calculation model of reinforced concrete beam is established for the prestressed strengthened beams in CFRP/GFRP. The overall dates of the concrete beam under loads at three dividing point are analyzed. The comparative analysis of yield load, ultimate load, deformation and ductility performance has been worked out and the influence of ductility performance of reinforced beam has been researched in many factors such as the different ratio of hybrid fiber. The results show that when CFRP and GFRP are mixed, the property and the characteristic loads can both be improved.

Key words:prestress, CFRP/GFRP sheet, ductility performance, finite element

中图分类号：U 441

文献标志码:A

收稿日期：2015-11-24

作者简介：张剑(1978-)，男，博士，副教授，主要从事结构工程等方面的研究。