葉華文,T.Ummenhofer,強士中
(1.西南交通大學 土木工程學院,成都 610031;2.Institute for Rehabilitation of Buildings and Structures,Technical University of Braunschweig,Braunschweig 38106,Germany)
預應力碳纖維(CFRP)板加固技術可以有效地提高工程結構的剛度和極限承載能力,但國內應用和研究最多的是 CFRP 布,如楊勇新[1],趙啟林[2]和鄧軍[3]等從預應力CFRP布的施加方式、錨固方式、預應力施加值和預應力損失等方面進行了研究。國外已有利用預應力CFRP板加固工程結構的研究[4],但國內對商用成型的預應力CFRP板的應用和研究還處在起步階段,特別是對鋼結構的加固,因此進行這方面的研究很有必要。
在各類鋼結構中,軸心受拉是一種最基本的受力狀態(tài),采用一維線彈性理論和有限元方法分析CFRP板加固鋼構件受拉行為,雖然可得到應力分布,但仍然無法全面分析加固結構的真實受力行為,如錨固裝置的作用和預應力損失等。本文在預應力CFRP板加固鋼板軸心受拉試驗基礎上,結合理論分析結果,研究先張法施工的預應力CFRP板加固鋼板構件靜力行為,包括應力分析情況和錨固裝置作用及預應力損失分析。
根據一維線彈性理論,修正文獻[5]的分析結果,得到如圖1所示的預應力CFRP板雙面加固鋼板構件,在軸心受拉條件下CFRP板和鋼板長度方向應力分布解析式為
式中,外荷載為T;鋼板和CFRP板拉應力為σs和σc;Es,Ec和Ga分別為鋼板和CFRP板的彈性模量及黏結膠的剪切模量;As為鋼板的截面積;tc和ta為CFRP板和黏結膠厚度;bc為 CFRP板寬度,L為試件1/2長度,x為離試件中心距離;σ0fc控制張拉預應力。由式(1)和式(2)可以看出,預應力CFRP板應力來自兩部分:外荷載與預應力,對鋼構件的應力相應的影響也主要有兩個方面,即提高剛度和施加預壓應力。
圖1 預應力CFRP板加固鋼板示意
試件為雙邊缺口鋼板(1 200 mm×150 mm×10 mm),鋼板雙面粘貼為長800 mm、寬50 mm的預應力CFRP板,粘貼預應力CFRP板的試件設置高強螺栓連接的鋼板壓條錨固裝置。為研究鋼板和CFRP板在試驗過程中的應力分布和變化情況,在兩CFRP板中部(缺口處)粘貼應變片 G1和 G2;在鋼板離缺口100 mm處雙面粘貼應變片G3和 G4,如圖2所示。各材料力學和幾何參數如表1所示。根據生產商提供的資料,CFRP板的抗拉極限強度為3 000 MPa,最大張拉控制預應力為40%的抗拉強度,即1 200 MPa。為分析參數,如預應力CFRP板彈性模量對預應力CFRP板加固鋼板效果的影響,根據不同的參數分析要求,把試件分為A,B,C,D和E五個系列,每個系列有2~3個試件,如表2所示。
圖2 預應力CFRP板加固鋼板試件(單位:mm)
表1 材料參數表
表2 分析參數
有限元數值模擬分析中,根據不同的研究目的和對象,CFRP—粘結膠層—鋼板組合結構根據單元類型的不同分為三大類:梁—板—梁模型,三板(殼)模型,三維實體模型。由于三維實體有限元模型使組合結構相互之間連接關系簡單,比其它模型更多真實地模擬實際構件,從而獲得其它類型模型為簡化模型而忽略的應力。因此,鋼板、CFRP板和黏結膠都采用實體單元模擬,這樣建模很簡單,相互之間的連接問題也很容易解決,但 CFRP板與黏結膠層厚度(一般為0.1~3.0 mm)與鋼板(10 mm)相比一般都很小,容易造成單元畸變或單元數目過多,需要進行精細單元劃分。通過降溫法對碳纖維板施加預應力,采用節(jié)點耦合實現CFRP板的錨固。建立預應力CFRP板加固無缺口鋼板的三維有限元模型,有限元模型中材料特性參數見表1、表2,幾何尺寸和有限元模型如圖3。三種材料單元類型均采用ANSYS中能適應復雜形狀的20節(jié)點SOLID95單元。根據對稱性,采用四分之一模型進行分析,在對稱面施加對稱邊界條件。
圖3 預應力CFRP加固鋼板分析模型
為研究CFRP板在施加預應力階段的蠕變行為,在張拉CFRP板到設計控制應力水平后間隔48 h測量應變變化情況,以應變前后變化值δ與張拉預應力的應變值εp的比值δ/εp作為指標來衡量CFRP板的蠕變行為,如表3所示。
由于CFRP材料的熱膨脹系數很小,且實驗室基本保持恒溫,所以可以不考慮溫度變化影響。由表3可知,預應力CFRP板的蠕變是很小的,都在3%以下,說明在預應力狀態(tài)下CFRP板的力學性質是很穩(wěn)定的。
造成預應力偏心作用的主要原因在兩個方面:①鋼板和CFRP板定位偏差,兩邊CFRP板與中間鋼板的距離很難完全相等。②鋼板不平直。常用鋼板是無法絕對平直的,總存在一定的彎曲變形,根據規(guī)范,鋼板的平面度要求平面偏差在1 mm/m以下,這兩個方面往往是一起作用的。表4是試件在施加預應力后加載前的彎曲應力測試值,計算值等于鋼板兩表面應力差值的一半。
表3 預應力CFRP板的蠕變行為
表4 試件彎曲應力 MPa
預應力的引入使得鋼板及CFRP板靜力狀態(tài)下的應力—荷載關系發(fā)生了很大變化,如圖4、圖5所示。在預壓應力作用下,鋼板的拉應力水平降低了很多,加固試件的承載能力得到很大提高,但加固試件的剛度并沒有很明顯的提高。試驗中測量記錄CFRP板在荷載作用下的應力—荷載關系基本為線彈性,非預應力CFRP板(B系列試件)的利用率是非常低的,應力水平在150 MPa以下,在其極限受拉強度(約3 000 MPa)的5%以下;而預應力CFRP板的拉應力水平可達到1 300 MPa,其利用率可以達到其極限抗拉強度的40%,大大提高了加固效率,而且試驗中沒有出現CFRP板被拉斷破壞的現象。
根據有限元模型計算結果,分別得到CFRP板和鋼板中部拉應力,并分別與相應的理論解及試驗值作比較,如表5。鋼板兩表面應力因預應力偏心作用產生彎曲應力,因此采用兩表面應力值的平均值。有限元計算結果和試驗平均值及理論值的比較來看,理論值與試驗結果符合得相當好,說明有限元模型能正確反映試件的應力分布。
圖4 鋼板應力—荷載關系
圖5 CFRP板應力—荷載關系
表5 理論解、有限元結果與試驗平均值比較 MPa
預應力碳纖維加固技術中,對錨固方式的研究至關重要,錨固效果的好壞甚至關系到加固效果能否實現。由理論分析可知,隨著預應力水平的增加,CFRP板端膠層剪應力也在不斷增加。CFRP板端的應力分布復雜,測試也很困難,通過三維有限元模型分析,無錨固裝置條件下不同張拉預應力水平作用時,膠層劈裂應力沿長度方向分布,如圖6所示,雖然預應力只有100 MPa,相應膠層劈裂應力達到7.91 MPa。而預應力達1 000 MPa時板端劈裂應力達到74 MPa,超過黏結膠的抗拉強度,將發(fā)生劈裂破壞。預應力使得板端劈裂應力急劇增加,如果沒有錨固裝置將發(fā)生劈裂破壞。
圖6 試件黏結膠層劈裂應力分布
試驗中分別對有機械錨固和無機械錨固裝置的試件進行了靜載試驗,其結果如表6所示。
表6 機械錨固裝置錨固效果
對于機械夾持粘結型錨具,黏結膠與機械裝置荷載分配根據錨具的變形值確定,由于黏結膠的剪切模量小,承擔的荷載不大,荷載主要由摩擦力承載。由表6可知,摩擦力承擔的荷載在80%以上,說明了黏結膠層已經成為次要傳力裝置,重要性大大降低。機械錨固裝置對提高加固構件的承載能力是非常重要的,可以有效地防止CFRP板發(fā)生劈裂破壞,提高加固構件的承載能力。
1)預應力施加階段
因CFRP板錨固后彈性壓縮產生的預應力損失在理論上容易計算(不計錨具變形引起的損失),實測的CFRP板有效預應力和計算得到的預應力損失率,如表7所示。由此可知,對于機械夾持黏結型錨具,CFRP有效預應力達到張拉控制應力值的90%,預應力損失幾乎跟彈性壓縮產生的損失相等,只達到張拉控制應力的10%左右,錨固效率遠遠超過黏結型錨具[6]。由于高強螺栓產生的壓力使得錨具變形很小,預應力損失率基本上等于加固率,說明預應力損失主要由構件彈性壓縮變形(加固率)而引起的。
在預加應力階段,機械夾持黏結型錨具的預應力損失遠小于黏結型錨具,錨固效率大大提高,同時還能防止預應力CFRP板端頭劈裂,進一步使得加固結構可靠性得到提高。
2)循環(huán)荷載作用階段預應力損失
運營階段預應力損失是其預應力損失分析很重要一個方面,試驗中將循環(huán)荷載作用下的CFRP板預應力損失作為運營階段的損失,不考慮環(huán)境因素的影響。在循環(huán)荷載作用過程中定期測量CFRP板在最大荷載時的應力變化情況,以預應力水平最高的試件E2為例,如圖7所示。
表7 預應力損失分析
圖7 CFRP板在疲勞荷載最大值作用下應力變化
由圖7可以看出,在16萬次循環(huán)荷載作用過程中CFRP板應力在13 MPa范圍內波動,基本保持不變,說明在疲勞荷載作用過程中預應力損失非常小。靜力蠕變試驗結果表明了CFRP板蠕變很小,疲勞試驗結果也表明了其在疲勞荷載作用下仍保持穩(wěn)定的力學性質。因此,CFRP板長期預應力損失可以認為是很小的。
通過以上預應力CFRP板加固鋼板構件的試驗和理論分析,可以得出以下結論:
1)CFRP板力學性質穩(wěn)定,在高應力條件下蠕變很小。因鋼板的不平直和定位偏差導致的預應力偏心作用產生彎曲應力,使得鋼板在軸心受拉作用下厚度方向應力不均勻,但應力理論值和試驗測試平均值符合得還是相當好的,說明用經典彈性理論分析得到的結果是平均值。施加預應力使得CFRP板可用拉應力可以達到其極限抗拉強度的40%,大大提高了加固效率和材料利用率。在預壓應力作用下,鋼板的拉應力水平降低很多,加固試件的承載能力提高很多,但加固試件的剛度提高并不明顯。
2)預應力 CFRP板端頭的機械錨固裝置是必須的,黏結膠無法單獨錨固高預應力CFRP板。機械錨固裝置成為主要傳力裝置,黏結膠成為次要的因素,不再對預應力CFRP板加固技術產生制約作用。
3)預應力施加階段機械夾持性錨具錨固的CFRP板預應力損失主要是彈性壓縮造成的,因循環(huán)荷載作用造成的長期預應力損失很小,因此,總預應力損失可簡化計算為短期損失乘以一個安全系數。
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