表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁抗弯性能有限元分析

张智梅,熊 浩

(上海大学土木工程系,上海200444)

表层嵌贴预应力碳纤维增强复合材料(carbon f i ber reinforced polymer/plastic,CFRP)加固技术在抑制构件发生剥离破坏、提高CFRP材料利用率、减小构件变形和延缓裂缝开展等方面具有明显优势,近年来已成为国内外学者广泛关注的研究课题,并取得了一定的研究成果[1].已有的对表层嵌贴预应力CFRP加固钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁的研究主要集中在试验研究和理论分析等方面,而采用有限元方法对加固梁进行抗弯性能分析的研究则较少[2-5].利用有限元方法可以完成一些在试验和理论研究中无法实现的探索分析,因此采用有限元方法研究表层嵌贴预应力CFRP加固RC梁的抗弯性能具有实际意义.本工作首先利用ABAQUS软件建立表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC试验梁的有限元模型,之后对加固梁的承载力、变形、破坏模式等性能进行非线性分析,并将数值分析结果与试验结果进行对比,以验证模型的正确性;然后,利用验证后的有限元模型进一步研究相关参数对加固梁抗弯性能的影响,从而为加固工程实践提供理论参考.

1 试验概况

1.1 有限元模拟的试验梁

本试验模拟的钢筋混凝土梁来自文献[6],试验采用三点弯曲加载方式,梁的截面尺寸、跨度及配筋情况如图1所示,图中P代表外加竖向荷载.试验梁共5根,其中对比梁NS-NP为未加固梁,梁S-NP表层嵌贴CFRP板条但不施加预应力,梁S-P5、梁S-P20、梁S-P30采用预应力CFRP板条对RC梁进行表层嵌贴加固,CFRP预应力水平分别为5%,20%,30%.板条的截面尺寸为25 mm×2 mm,采用单板条单槽的方式对RC梁进行加固,试验梁的加固长度为3 000 mm,沿跨中对称布置.

图1 梁的尺寸和配筋示意图(mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement details of beams(mm)

1.2 材料特性

本试验中采用的各种材料的力学性能指标如表1所示.

表1 的力学性能Table 1 Mechanical properties of materials

2 有限元模型的建立

本工作利用ABAQUS有限元软件分别对上述各试验梁建立三维分析模型(见图2),并进行非线性数值分析.建模时假定钢筋与混凝土之间、CFRP板条与混凝土之间均不发生黏结滑移.同时,为了避免产生应力集中现象,本模型在两个支座处和跨中加载点处分别设置刚性垫块.混凝土建模采用ABAQUS提供的专门针对混凝土材料的损伤塑性本构模型,该模型主要通过混凝土塑性、混凝土抗拉行为和混凝土抗压行为3个模块来设置.CFRP板条、垫块均为理想线弹性材料,钢筋本构为理想弹塑性模型.混凝土、钢筋、CFRP板条的材料性能均采用实测值.

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

建模时混凝土、CFRP板条、垫块均采用C3D8R单元,钢筋采用T3D2单元.各材料之间的接触条件如下:钢筋与混凝土之间为内置区域约束;垫块与混凝土之间为绑定约束;CFRP板条与混凝土之间为绑定约束.根据简支梁的受力特点,在左、右两侧梁端下部刚性垫块底部中线处节点分别约束5个方向的自由度(U1=0,U2=0,U3=0,UR1=0,UR2=0)和4个方向的自由度(U2=0,U3=0,UR1=0,UR2=0),采用位移加载模式.

在对CFRP板条施加预应力时采用升温法,即首先为CFRP板条单元设定一个初始温度,然后给定一个升温值.由于CFRP板条的热膨胀系数为负,升温会使CFRP板条单元产生收缩变形,此初始应变将使CFRP板条产生预拉作用,该作用即为模型的预应力[7].

3 与试验结果比较

为了验证上述有限元模型的可靠性,本工作将有限元分析得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线与相应的试验结果进行对比分析,结果如图3所示.

图3 试验分析与有限元模拟结果的荷载-跨中挠度曲线对比Fig.3 Comparisons of load-midspan def l ection between test and f i nite element simulation

从图3的对比情况来看,有限元模拟得到的荷载-跨中挠度曲线的整体趋势与试验结果比较吻合,其开裂荷载值的误差控制在10%以内,屈服荷载值的误差控制在11%以内,极限荷载值的误差控制在3%以内(见表2).并且,随着CFRP板条预应力水平的增加,数值模拟结果与试验结果越来越吻合,证明了本工作所采用的模型以及预应力加载的方式是正确的.

表2 试验梁的试验分析和有限元模拟结果Table 2 Analysis of the beam test and f i nite element simulation

本次数值模拟的结果与试验结果存在一定的偏差,主要原因在于:①在建模过程中,未考虑钢筋与混凝土之间、CFRP与混凝土之间的黏结滑移;②模型中采用的混凝土、CFRP等材料的本构关系与实际材料的本构关系之间存在一定差距;③在数值分析时,加固梁的边界条件按理想简支处理,而试验中很难保证梁处于理想简支状态.

4 影响因素分析

已有研究表明,影响表层嵌贴预应力CFRP加固梁抗弯性能的因素主要有CFRP板条的预应力水平、CFRP加固量、纵向配筋率、混凝土强度等级等[8-10].本工作在分析影响因素时以有限元模拟的梁S-P30为基准,梁的混凝土强度等级为C30,纵向受拉钢筋直径为20 mm,CFRP的预应力水平为30%,CFRP加固量为1条,每次仅变换一个参数,其他参数保持不变.

4.1 CFRP板条预应力水平的影响

为了研究CFRP板条预应力水平对加固梁抗弯性能的影响,本工作在分析时仅改变CFRP板条预应力水平(5%,20%,30%,40%,50%,60%),其他参数保持不变.分析结果如图4所示,可见随着CFRP预应力水平的提高,梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有不同程度的增大.相比于梁S-P5,各梁开裂荷载的增幅为23.6%～117.8%,屈服荷载的增幅为1.0%～6.3%,极限荷载的增幅为7.3%～11.6%,说明提高CFRP板条预应力水平,可以显著增大梁的开裂荷载,但是屈服荷载和极限荷载增幅不明显,同时梁破坏时的挠度在减小,延性变差.此外,随着CFRP预应力水平的提高,CFRP的利用率一直在增加,当CFRP板条预应力达到40%后,CFRP的纵向应力达到2 066 MPa,利用率均达到100%,但开裂荷载增幅却在减小,因此本工作建议将CFRP的最优初始预应力水平设定为40%.

图4 不同CFRP预应力水平下梁荷载-跨中挠度曲线对比Fig.4 Comparisons of load-midspan def l ection under diあerent levels of pre-stressed CFRP

4.2 CFRP加固量的影响

为了研究CFRP加固量对加固梁抗弯性能的影响,本工作对不同CFRP加固量下(1条和2条CFRP)的3组RC梁分别进行有限元分析.由图5可知,随着CFRP加固量的增加,RC加固梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载都有不同程度的增大,其中开裂荷载的增幅为12.4%～57.7%,屈服荷载的增幅为3.5%～6.1%,极限荷载的增幅为4.7%～6.7%,梁破坏时的挠度在减小.这说明增加CFRP加固量使RC加固梁的抗弯性能有一定的提高,其中开裂荷载提升最明显,而梁的延性却在变差.此外,随着CFRP加固量的增加,CFRP的利用率却在降低.

图5 不同CFRP加固量下梁荷载-跨中挠度曲线对比Fig.5 Comparisons of load-midspan def l ection under diあerent amount of CFRP reinforcement

4.3 纵向配筋率的影响

考虑到纵向受拉筋配筋率对表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁抗弯性能的影响,本工作研究了不同直径(16,18,20,22 mm)纵向受拉钢筋下加固梁的抗弯性能.由于篇幅有限,在此仅给出了具有代表性的CFRP预应力水平为30%、加固量为1条CFRP板条、混凝土强度等级为C30条件下的分析结果.由图6可知,随着纵向配筋率的增大,开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有不同程度的增大,其中相比于对比梁S-P30-16,其余各梁的开裂荷载的增幅为2.3%～7.1%,屈服荷载的增幅为33.1%～64.1%,极限荷载的增幅为26.1%～46.7%,说明提高梁的纵向配筋率,可以显著增大梁的屈服荷载和极限荷载,但是开裂荷载增大不明显;梁破坏时的跨中挠度减小,延性变差.此外,随着纵向配筋率的增大,CFRP的利用率却在减小,CFRP的加固效果没有充分发挥,因此在不同纵向配筋率下,应合理选择CFRP加固量.

图6 不同纵向配筋率下梁荷载-跨中挠度曲线对比Fig.6 Comparisons of load-midspan def l ection under diあerent reinforcement ratio

4.4 混凝土强度等级的影响

考虑到混凝土强度等级对表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁抗弯性能的影响,本工作研究了在CFRP板条预应力水平为30%、纵向受拉钢筋直径为20 mm、混凝土强度为不同等级时的加固梁的抗弯性能.分析结果如图7所示,随着混凝土强度等级的增加,相比于对比梁S-P30-C25,其余各梁开裂荷载的增幅为0.8%～2.7%,屈服荷载的增幅为0.9%～3.1%,极限荷载的增幅为0.7%～2.8%,说明混凝土强度等级对加固梁的抗弯性能有一定的影响,但是不如其他影响因素明显.

图7 不同混凝土强度等级下梁荷载-跨中挠度曲线对比Fig.7 Comparison of load-midspan def l ection under diあerent concrete strength grade

5 结论

本工作深入讨论了各主要影响因素对表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁抗弯性能的影响,得出以下主要结论.

(1)利用ABAQUS有限元软件,采用接近实际的材料属性和加载方法,对表层嵌贴预应力CFRP板条加固RC梁进行非线性有限元分析.结果表明,模拟试验结果可靠,所以数值分析结果可以取代或部分取代构件的实物试验.

(2)各因素对加固梁抗弯性能的影响主要体现在抗弯承载力、刚度、延性、CFRP利用率等方面,其中提高CFRP板条预应力水平和加固量,可以显著增大梁的开裂荷载,但是屈服荷载和极限荷载增大不明显;而提高梁纵向配筋率,可以显著增大梁的屈服荷载和极限荷载,但是开裂荷载增大不明显;混凝土强度等级对加固梁的抗弯性能有一定的影响,但是不如其他因素明显.

(3)由于对CFRP板条施加了预应力,使加固试件产生有利的反拱,能有效减小构件变形,延缓裂缝开展,但是加固试件的延性会变差.

(4)当CFRP板条预应力达到40%后,CFRP的利用率均达到100%,但开裂荷载增加量却在减小,因此本工作建议将CFRP的最优初始预应力水平设定为40%.

参考文献:

[1]彭晖,张建仁,何贤锋,等.表层嵌贴预应力CFRP-strip加固钢筋混凝土梁的受力性能研究[J]．工程力学,2012,29:79-85.

[2]张智梅,考书姣,白世烨.CFRP布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究[J].结构工程师,2012,28(4):139-143.

[3]孙志洋,张智梅,刘涛.内嵌CFRP板加固已损伤RC梁抗弯性能的试验研究[J].四川建筑科学研究,2013,39(4):112-116.

[4]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.

[5]丁亚红,马艳洁．内嵌预应力碳纤维筋加固混凝土梁受力性能试验研究[J]．建筑结构学报,2012,33(2):128-134．

[6]HAJIHASHEMI A,MOSTOFINEJAD D,AZHARI M.Investigation of RC beams strengthened with prestressed NSM CFRP laminates[J].Compos Constr,2011,15:887-895.

[7]张芳芳.普通和预应力FRP加固梁的数值模拟与理论分析[D].大连:大连理工大学,2008.

[8]姚谏.FRP复合材料加固混凝土结构新技术研究进展[J].科技通报,2004,20:216-221.

[9]薛伟辰,曾磊,谭园.预应力CFRP板加固混凝土梁设计理论研究[J].建筑结构学报,2008,29(4):127-133.

[10]TENG J G,LORENZIS L D,WANG B,et al.Debonding failures of RC beams strengthened with near-surface-mounted CFRP strips[J].Journal of Composites for Construction,2006,10(2):92-105.