混凝土强度对CFRP板加固钢混梁抗剪性能的影响

詹界东， 黄隆琳， 李 赛

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

混凝土强度对CFRP板加固钢混梁抗剪性能的影响

詹界东， 黄隆琳， 李 赛

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

为提高钢筋混凝土梁的力学性能，利用ABAQUS有限元软件建立碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土梁的有限元模型，通过钢筋混凝土梁的受力和荷载分析验证模型的有效性。设计不同混凝土强度的模型构件，模拟分析CFRP板加固钢筋混凝土梁的抗剪性能。结果表明，随着混凝土强度等级的提高，CFRP板加固后钢筋混凝土梁的跨中位移呈减小趋势，而抗剪承载力和刚度呈递增趋势。该研究为钢筋混凝土梁加固提供了参考。

钢混梁； 混凝土强度； CFRP板； 抗剪性能

0 引 言

钢筋混凝土结构一般长期裸露在外界中，受环境因素影响，结构的外部混凝土易剥落和开裂，其内部的钢筋也会暴露而被锈蚀，如果不及时拆除，就会导致结构整体的安全性能大大降低，留下安全隐患；而如果拆除重新建造，花费较高不经济。选择一种经济有效的加固方式来保证其安全性能就显得尤为重要[1-4]。

加固钢混梁的传统方法有外包钢加固方法、增设支点法[5]、预应力加固法[6]、绕丝加固法、增大梁的截面面积的方法[7]等，这些加固方法存在钢材耗费量大，成本高，施工繁琐、难度大，对特定截面加固效果不明显，增加结构的体积和自重等弊端，因而不能广泛地应用于钢筋混凝土结构的加固工程之中。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polyment, CFRP)作为相对成熟的新型加固材料，因具有良好的耐腐蚀性、可加工性和较高的强度而广泛应用于建筑修补和加固工程之中[8-12]。CFRP板加固钢混梁主要是指用碳纤维增强复合材料对钢筋混凝土梁的加固，即通过树脂粘贴剂粘贴在充分打磨的钢筋混凝土梁表面，形成一个统一的整体，来提高钢筋混凝土梁的力学性能。笔者利用ABAQUS数值模拟软件，模拟分析CFRP板加固的钢混梁的抗剪性能，以期为相关工程作业提供可参考的建议。

1 有限元模型验证

1.1有限元模型

利用ABAQUS有限元软件建立CFRP加固钢筋混凝土梁的模型，其中，试件L-1作为对比模型不进行加固处理，试件L-2应用CFRP材料对梁的两侧进行加固处理，相关参数与参考文献[13]的实验数据保持一致，即实验梁的截面尺寸为300 mm×150 mm，跨度为1 700 mm，净跨为1 400 mm。混凝土强度等级为C30，有限元模拟采用实体单元。混凝土的保护层厚度为25 mm，箍筋采用HPB235，有限元模拟采用线单元，制作好的箍筋内置于混凝土梁之中，纵向钢筋采用HRB335。钢筋混凝土的有限元模型如图1a所示，有限元模型的网格划分如图1b所示。

a 有限元模型

b 网格划分

1.2模拟结果验证

1.2.1 混凝土的应力

图2a为未进行加固处理后混凝土的应力云图，图2b为CFRP加固处理后混凝土的应力云图。通过梁L-1和梁L-2的应力云图可以看出钢筋混凝土梁受力和变形的趋势，当钢筋混凝土梁受力时，承载力都集中在支座和跨中附近。钢筋混凝土梁承载力在粘贴CFRP前后变化很大，CFRP承受了很大的力，这也说明了钢筋混凝土梁在应用CFRP板加固之后抗剪性能得到了大幅度提高。

a 梁L-1

b 梁L-2

1.2.2 开裂荷载与极限荷载

利用ABAQUS有限元软件计算得到梁L-1和L-2的开裂荷载Fk和极限荷载Fm，与参考文献[13]中的荷载进行对比，如表1所示。由表1可以看出,未加固试件L-1产生开裂的荷载与参考文献[13]中实验值的误差xem为5.7%，试件极限荷载的模拟值与实验值的误差为3.2%；用CFRP加固过后的试件L-2产生开裂的荷载与参考文献[13]中实验值的误差为6.1%，极限荷载的模拟值与实验值的误差xek为-3.1%。所有的误差相差不多，说明该模型具有较高的准确性，可以进行后续的分析工作。

表1开裂荷载和极限荷载的模拟值与实验值对比

Table1Comparisonofsimulationandexperimentalresultsofcrackingloadsandultimateloads

梁Fk/kN模拟值实验值xem/%Fm/kN模拟值实验值xek/%L-137355．71601553．2L-252496．1218225-3．1

1.2.3 跨中荷载与位移

结合模拟实验和参考文献[13]中的相关数据，得到梁L-1和L-2的跨中位移与荷载，如图3所示。由图3可以看出，模拟实验和参考文献的实验数据吻合度较高，曲线的发展趋势大体一致，说明模型建立有效，可以进行后续的模拟分析。但由于建立模型的时候未考虑钢筋混凝土骨料之间的相对滑移，并为混凝土增加了垫块，使得梁的刚度变大，所以模拟值和实验值亦存在偏差。

a 梁L-1

b 梁L-2

2 模型构件参数与梁抗剪性能

2.1模型构件参数

文中模拟分析的模型截面尺寸为300 mm×150 mm，跨度为1 700 mm，净跨为1 400 mm，混凝土强度等级为C25、C30、C40，弹性模量分别为2.80×104、3.00×104、3.25×104MPa，混凝土的保护层厚度为25 mm，箍筋采用HRB335，间距为300 mm，纵向钢筋采用HRB335，剪跨比为2.2，加固方式为两侧全部粘贴，箍筋和纵筋的弹性模量为2.0×105MPa，试件依次编号A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6，每组实验设置一个未加固的试件(A-1、A-3、A-5)作为参照。

2.2梁的抗剪性能

利用ABAQUS有限元分析软件进行模拟分析实验，分析钢筋混凝土梁的力学性能。不同试件在极限荷载作用下的应力云图如图4所示。

a A-1

b A-2

c A-3

d A-4

e A-5

f A-6

Fig.4Stressnephogramofcomponentunderultimateload

由图4可以看出，构件在极限荷载作用下，当有限元模型发生破坏时，支座附近的混凝土和加载点附近的混凝土因为达到极限强度而先被压坏。构件的支座附近和跨中部位受力最大，梁两侧剪跨区内CFRP板明显变红，说明CFRP板承受很大的力，起到了良好的抗剪作用。

各个模拟构件的极限承载力、跨中位移和箍筋的极限应变如表2所示。

表2 构件计算结果

由表2可以看出，钢筋混凝凝土梁在用CFRP板加固前后构件的极限承载力、梁的跨中位移和箍筋应变均有很大幅度的提升，其中C25、C30、C40的试件极限承载力分别提高了29.8%、38.1%、39.8%，可以发现，随着混凝土强度的提高，CFRP板加固梁的极限承载力也随之提升。C25、C30、C40试件的跨中位移分别提高了64.8%、60.4%、26.7%，可以发现，随着混凝土强度的提高，加固后钢筋混凝土梁的跨中位移减小趋势越来越明显，构件的抗剪承载力和刚度均有明显的提高。还可以发现，钢筋混凝土梁加固之后，箍筋的应变比未加固的明显提升，随着混凝土强度的提高，箍筋的极限应变增大，说明混凝土强度等级越大越有利于箍筋发挥抗剪作用进而使得极限承载力增大，这也有利于CFRP板和钢筋混凝土梁发挥作用。

3 结 论

(1)CFRP加固前后钢筋混凝土梁的应力与荷载分析验证了有限元模型的有效性。

(2)在极限荷载作用下，不同混凝土强度构件的支座附近和跨中部位受力最大，两侧剪跨区内CFRP板承受较大的力。

(3)随着混凝土强度等级的提高，CFRP板加固后钢筋混凝土梁的抗剪承载力和刚度呈递增趋势，有利于CFRP板和整个梁共同发挥作用。

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(编校荀海鑫)

EffectofconcretestrengthonshearbehaviorofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithCFRPplate

ZhanJiedong,HuangLonglin,LiSai

(School of Civil & Architecture Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

This paper presents an effort to improve the mechanical properties of reinforced concrete beams. The study involves developing the finite element model of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced composite (CFRP) using ABAQUS finite element software; verifying the effectiveness of the model by the force and load analysis of reinforced concrete beams; and simulating the shear strength of reinforced concrete beams strengthened with CFRP plates using the model members with different concrete strength. The results demonstrate that along with an increase in concrete strength grade comes a decreasing trend in the cross-displacement of reinforced concrete beams after the increase of CFRP plate, and an increasing trend in the shear capacity and stiffness. This research may provide a reference for reinforcement of reinforced concrete beams.

reinforced concrete beams; concrete strength; CFRP plate; shear resistance

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.014

TU375

2095-7262(2017)06-0642-04

A

2017-08-31

国家自然科学基金项目(51308028)

詹界东(1970-)，男，吉林省榆树人，教授，博士，研究方向：结构工程、防灾减灾防护工程，E-mail:479014176@qq.com。