碳纤维格栅加固RC梁抗弯模型试验分析

张耀文 陈豪 黄俊玮

（中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

近些年来国内外地震频发，我国作为钢筋混凝土框架结构[1]为主导的建筑结构大国，震后结构内部产生的损伤几乎是不可逆的，尤其是以“强柱弱梁”[2-3]的梁上，在地震来临时，跨中弯矩较大，裂缝产生的位置集中在跨中，为避免损伤集中出现在梁跨中，为梁构件的提升一定安全性，提出在梁底部黏贴CFRP 格栅。以CFRP 格栅网格尺寸及厚度为控制变量，研究其加固后RC 梁整体破坏模式及力学性能的变化，提出最优加固模式，为工程实践提供相关指导。

1 模型设计

1.1 试验设计

根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[4]设计钢筋混凝土简支梁确定尺寸，梁长为3000mm，截面尺寸为b×h=200mm×300mm，模型试验中有效计算跨度为2800mm，混凝土设计强度为C30，箍筋选用HRB335，普通钢筋采用HRB400。下部受拉钢筋为2Φ10，箍筋为B6@150，上部架立筋4Φ6，规范要求最小配筋率不小于0.15%，本文设计配筋率为1.14%，满足规范要求。RC 梁截面尺寸图与平面图见图1 与图2。加固材料CFRP(碳纤维格栅)的材料相关材料属性[5]见表1，加固方式采取将CFRP 格栅粘附在混凝土有效跨度之间。试件设计以变换CFRP格栅厚度和尺寸为变量，详见表2。

图1 RC梁平面图

图2 RC梁截面图

表1 CFRP格栅网格

表2 试件设计

1.2 有限元模型建立

基于合理的单元选择，本构关系以及相互作用建立CFRP 格栅加固RC 梁的有限元模型，混凝土应用ABAQUS 中内置的混凝土塑性损伤模型，引入损伤因子能够充分的表达出随荷载增加后，混凝土内部的损伤演化。混凝土依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[4]提出的受拉及受压本构关系，曲线见图3a 与图3b。钢筋与CFRP 格栅选用理想弹塑性模型[6]，钢筋的弹性模量取2×105Mpa，泊松比为0.2。CFRP 格栅弹性模量为1.31×105Mpa，泊松比为0.2。本构曲线见图3c 与图3d。为减少计算误差，加载板与承压板设为刚度极大的理想弹性材料[7]。

将承压板与加载板绑定在RC 梁上，钢筋笼内置于混凝土中，CFRP 格栅网格绑定在RC 梁的下底面上，为保证计算模型过程中有良好的收敛性，模型试验采用位移控制，即分别在两个加载板上部耦合点上同时施加位移荷载。

图3 材料本构曲线图

2 试验结果

2.1 破坏模式-尺寸

通过变化CFRP 格栅尺寸分析其加固后对RC 梁破坏模式的影响。本文以PEMAG（等效塑性应变）、DAMAGEC（受压损伤）与DAMAGET（受拉损伤）云图来模拟裂缝可能出现及延伸位置。不同CFRP尺寸格栅云图见（图4～图7）。由DAMAGET 云图中发现A3与A4 受拉损伤带从纯弯段扩展至支座位置附近，损伤分布均匀。由PEMAG 云图中得出最大塑性应变分别为0.022 与0.024，塑性应变区域基本维持在0.01 左右。说明钢筋与CFRP格栅加固区域的组合充分发挥抑制裂缝增大，起到防止脆性破坏的效果。受压区损伤区域相比于A1 与A2 较为广泛，表明CFRP 格栅加固后，增大RC 梁结构主压应力与主拉应力的比例。充分发挥混凝土抗压能力，有效提高RC 梁抗弯承载力。对于A2 来说，只在纯弯段加固对并没有使梁受拉区损伤分布均匀，相反，在梁加载点位置延梁底出现两条明显裂缝损伤带，说明加固后纯弯段刚度得到明显提升，梁受力后，损伤集中出现在梁最脆弱的受力点附近，受压损伤区域程度较小。混凝土的抗压能力发挥不充分。相对而言，未加固裂缝在跨中位置最大塑性应变为0.05，其余由跨中向支座塑性应变逐渐减小，受压损伤程度相比于A3 与A4 较小。综上，CFRP 格栅尺寸的变化对RC 梁的破坏模式影响较为显著。

图4 A1损伤云图

图5 A2损伤云图

图6 A3损伤云图

图7 A4损伤云图

2.2 荷载位移曲线-尺寸

加固后的RC 梁与未加固的破坏阶段基本一致。加载初期，主要由混凝土承担荷载，荷载的持续增大致使混凝土内部产生微损伤，表现出近似线弹性，随着受拉区混凝土达到极限拉应力，梁底出现裂缝，受拉区钢筋主导抵抗梁内产生的拉应力，RC 梁整体刚度有所削减，荷载持续增大，裂缝不断扩展，受拉钢筋屈服并没有使得受压区混凝土达到极限压应力，达到峰值荷载后，受压区混凝土才逐渐被压碎。相比于未加固RC 梁，受拉区混凝土拉裂后，承担拉应力的是CFRP 格栅与钢筋，此阶段梁的刚度得到提升，减小损伤，为承载力的提升做储备，钢筋屈服后，斜率的变化较为均衡，说明加固维持梁内拉压应力的平衡，更加充分地发挥了受压区混凝土的抗压能力与钢筋的抗拉能力。相比较加固RC 梁来说，A3与A4的加固效果更加显著。在节省成本的基础上，综合破坏模式与承载能力来说，推荐A3加固模式。

2.3 破坏模式-厚度

借助上述得到的最佳格栅尺寸以格栅网格的厚度为变量研究其对RC 梁破坏模式、承载力以及延性的影响。随着CFRP 网格厚度的增加，受拉区混凝土的塑性应变分布愈加均匀，受压区损伤区域扩大，损伤程度逐渐严重，说明CFRP 格栅网厚度的增大对加固RC 梁破坏模式的改善有明显效果，混凝土与钢筋在梁中的作用都充分得到发挥。

2.4 CFRP格栅网格应力云图

随着格栅厚度的增大，跨中CFRP 格栅网格最大应力分别为2727Mpa、2037Mpa、1609Mpa 和1402Mpa，逐步减小，且CFRP 格栅受力范围也逐步增大，说明CFRP 网格厚度的增大有效利用加固网格尺寸，间接提高了CFRP 格栅网格抗拉能力，为RC 梁抗弯承载力提高有良好的贡献。

2.5 荷载位移曲线-厚度

随着格栅厚度的增大，RC 梁整体刚度得到提升，而且钢筋屈服后斜率变化的越来越缓慢，说明RC 梁内整体的耗能能力得到提高。

3 承载力及延性

表3 为CFRP 格栅加固RC 梁抗弯计算结果。由表中可以发现CFRP 格栅网格尺寸增大，RC 梁的屈服荷载与屈服位移都得到提高，A3 与A4 两种尺寸的CFRP 格栅网格相差不多，峰值荷载与峰值位移也基本一致，说明格栅网格的增加并不一定会对RC 梁抗弯承载力有较好贡献，合理的选取加固尺寸较为关键。以推荐A3 方案通过变换CFRP 格栅厚度加固RC梁，随着CFRP格栅网格厚度的增大，无论承载力还是延性都得到了较为明显的提升。

表3 CFRP格栅加固RC梁抗弯计算结果

4 小结

CFRP 格栅网格加固优化了RC 梁正截面的破坏模式，充分发挥了钢筋和混凝土各自优势属性，增加RC梁正截面破坏的耗能能力。

通过变换CFRP 格栅网格的尺寸，在满足破坏模式、承载力以及延性的基础上，以节省成本为附加选出最优加固方式A3。

以CFRP 格栅网格厚度为变量，通过RC 梁正截面抗弯破坏表明随着CFRP 格栅网格厚度的增大。RC梁的破坏模式改善明显，承载力及延性随之提高。