程?hào)|輝，于雁南，葉 旭

（東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）布具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、施工方便、施工質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域［1－13］。為充分發(fā)揮CFRP布高強(qiáng)度的特點(diǎn)，解決普通CFRP布加固混凝土構(gòu)件存在的應(yīng)力滯后問(wèn)題，對(duì)CFRP布進(jìn)行預(yù)張拉，然后對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行粘貼加固是行之有效的途徑。各國(guó)對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究證明：利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固可以明顯提高混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂荷載、縱向受力鋼筋屈服時(shí)的荷載和構(gòu)件的極限承載力；顯著提高構(gòu)件的剛度，減少變形；有效抑制裂縫的形成、開(kāi)展，明顯改善結(jié)構(gòu)的工作性能；使CFRP布由被動(dòng)受力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)受力。

為進(jìn)一步研究CFRP布加固混凝土柱受壓性能，筆者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用有限元軟件ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固低強(qiáng)度混凝土柱的軸心受壓力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)截面配筋的不同設(shè)計(jì)制作3組共計(jì)12根方形截面柱試件，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C20。每組試件中選1根普通鋼筋混凝土柱作為對(duì)比柱，其余3根利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固。柱截面尺寸為200mm×200mm，柱高1 000mm，試件截面尺寸及配筋如圖1所示，試件配筋率及CFRP布張拉控制應(yīng)力如表1所示。

試驗(yàn)中采用日本東麗（TORAYCA）公司生產(chǎn)的CFRP布，該CFRP布為單向纖維，由高強(qiáng)度CFRP束組成，每束碳纖維的絲數(shù)規(guī)格為18K；CFRP布單位面積質(zhì)量為200g，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。膠粘劑選用亨斯特先進(jìn)化工材料有限公司生產(chǎn)的雙酚A改性環(huán)氧樹(shù)脂和配套的改性胺類固化劑，二者按4∶1比例配制而成，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為13.2MPa，試驗(yàn)選用的鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表4。

圖1 試件尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Dimensions and Reinforcements ofSpecimens（Unit：mm）

表1 試件配筋率及CFRP布張拉控制應(yīng)力Tab.1 Reinforcement Ratios of Specimens and Prestress of CFRP Sheets

表2 CFRP布的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical Property Indexes of CFRP Sheets

表3 浸漬膠粘劑的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.3 Mechanical Property Indexes of Impregnated Adhesive MPa

表4 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)值Tab.4 Measured Values of Mechanical Property Indexes of Steel Bars

1.2 試件的加固及測(cè)試方案

采用文獻(xiàn)［14］中的裝置對(duì)CFRP布進(jìn)行張拉（圖2），然后進(jìn)行粘貼加固。由于張拉機(jī)具對(duì)CFRP布張拉時(shí)需要以試件為依托，因此張拉完畢后張拉機(jī)具所留的約20mm空隙用普通CFRP布纏繞。待環(huán)氧樹(shù)脂膠固化后，對(duì)試件進(jìn)行加載，加載試驗(yàn)在5 000kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載初期以每級(jí)20 kN進(jìn)行加載，加至普通混凝土對(duì)比柱極限荷載的70%后，以每級(jí)10kN進(jìn)行加載。加載間隔3min，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行下一級(jí)加載，直至試件破壞。試件加載及測(cè)試方案見(jiàn)圖3，加載試驗(yàn)全貌見(jiàn)圖4。

圖2 CFRP布張拉過(guò)程Fig.2 Prestressing Process of CFRP Sheets

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果

3根普通混凝土對(duì)比柱在加載過(guò)程中呈現(xiàn)典型的軸心受壓破壞特征：柱底在荷載作用下首先出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載增大，柱中部有縱向裂縫出現(xiàn)；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的95%時(shí)，混凝土保護(hù)層大面積剝落，柱底產(chǎn)生的裂縫與柱中部裂縫貫穿導(dǎo)致柱破壞，如圖5（a）所示。

預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)以下值得注意的現(xiàn)象：由于CFRP布的約束，加載初期試件未出現(xiàn)異常變化；當(dāng)荷載增至極限荷載的70%時(shí)，試件發(fā)出“噼啪”聲，這是柱在軸向壓力作用下產(chǎn)生橫向變形，預(yù)應(yīng)力CFRP布的拉力增大，導(dǎo)致部分環(huán)氧樹(shù)脂膠開(kāi)裂發(fā)出的。加載至極限荷載時(shí)，加固柱產(chǎn)生2種破壞形態(tài)：第1種是在加固柱達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)CFRP布中處于邊緣的纖維束逐漸斷裂，使中部未拉斷纖維束應(yīng)力增大并依次被拉斷，直至CFRP布整體拉斷，喪失對(duì)混凝土的約束，導(dǎo)致混凝土被壓碎，如圖5（b）所示；第2種是加固柱在軸向壓力作用下產(chǎn)生的橫向變形使預(yù)應(yīng)力CFRP布搭接處的環(huán)氧樹(shù)脂膠突然剝離，混凝土喪失環(huán)向約束而被壓碎，如圖5（c）所示。這2種破壞都比較突然，無(wú)明顯預(yù)兆，具有脆性破壞特征。

表5中給出了試驗(yàn)過(guò)程中第Ⅰ～Ⅲ組試件在各特征時(shí)刻的代表性數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值。圖6中給出了第Ⅰ，Ⅱ組試件實(shí)測(cè)的荷載－軸向位移曲線。

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱的力學(xué)性能開(kāi)展研究［15－17］，分析過(guò)程中混凝土單元選用Solid65，鋼筋單元選用Link8一維鏈桿單元，預(yù)應(yīng)力CFRP布選用Shell41膜單元。

假定CFRP布與混凝土之間位移變形協(xié)調(diào)，CFRP布單元與相鄰的混凝土單元通過(guò)二者間共用節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞力，采用升溫法對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力，即利用CFRP布的溫度線膨脹系數(shù)α為負(fù)（α＝－0.7×10－6℃）這一特點(diǎn)，對(duì)CFRP布進(jìn)行升溫，使CFRP布產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力，從而對(duì)被包裹其中的混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力作用。根據(jù)不同的預(yù)應(yīng)力水平，采用ΔT＝ε／α來(lái)計(jì)算溫度的改變值，其中，T 為溫度，ε為應(yīng)變。

分析求解采用完全的Newton－Raphson迭代法。打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，采用Cnvtol命令調(diào)整收斂精度，加速收斂，以減少計(jì)算時(shí)間。

3.2 力學(xué)性能分析

3.2.1 承載力

表6中給出了各試件極限承載力的有限元計(jì)算值V1與實(shí)測(cè)值V2的對(duì)比。由表6可以看出：在混凝土柱配筋率相同時(shí)，預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱相對(duì)于普通混凝土對(duì)比柱的極限承載力有明顯提高。這是因?yàn)榧庸讨谖词芎芍凹匆咽艿筋A(yù)應(yīng)力CFRP布的環(huán)向壓力，該變形從一開(kāi)始即受到CFRP布的約束，從而提高了混凝土的極限壓應(yīng)變，使受壓承載力得以提高。此外，由表6還可以看出：加固柱承載力提高幅度受CFRP布的預(yù)拉應(yīng)力影響，當(dāng)柱配筋率較低時(shí)，柱承載力提高幅度隨CFRP布的預(yù)拉應(yīng)力增加而增大。

圖5 柱典型破壞形態(tài)Fig.5 Typical Failure Modes of Columns

3.2.2 軸向變形

圖7中以第Ⅰ組試件為例，給出了軸向壓力作用下試件軸向位移實(shí)測(cè)曲線與有限元計(jì)算曲線。由圖7可以看出：普通混凝土對(duì)比柱由于未受到CFRP布的約束作用，軸向位移從加載開(kāi)始直至破壞始終呈線性變化。而利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的混凝土柱，在荷載作用下混凝土橫向變形受到約束，進(jìn)而影響到軸向位移，使荷載作用下軸向位移曲線的斜率增大，相同荷載下的軸向位移減小。縱向鋼筋屈服后，其軸向位移呈明顯增大趨勢(shì)，這是與對(duì)比柱有顯著區(qū)別的，說(shuō)明利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的混凝土柱的延性得到明顯提高。

表5 主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Main Experimental Results

圖6 荷載－軸向位移曲線Fig.6 Load－axial Displacement Curves

3.2.3 預(yù)應(yīng)力CFRP布與縱向鋼筋協(xié)同受力

為充分考察預(yù)應(yīng)力CFRP布在受力過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，選取有代表性的3根加固柱，給出了其縱向受力鋼筋和預(yù)應(yīng)力CFRP布應(yīng)變變化曲線，如圖8所示。由圖8可以看出：加載初期，柱的橫向變形不大，對(duì)CFRP布產(chǎn)生的拉應(yīng)力較小，縱向鋼筋與混凝土承擔(dān)了主要荷載；當(dāng)加載至縱向鋼筋屈服后，預(yù)應(yīng)力CFRP布的應(yīng)變顯著增加，表明在縱向鋼筋屈服時(shí)，外荷載的增加主要由混凝土及預(yù)應(yīng)力CFRP布的間接作用承擔(dān)，這也是加固柱承載力提高的主要原因。

表6 試件極限承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.6 Calculated Values and Measured Values for Ultimate Bearing Capacity of Specimens

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固后的低強(qiáng)度混凝土柱極限承載力明顯提高：CFRP布從加載初期即參與受力，減少了應(yīng)力滯后現(xiàn)象的發(fā)生，充分發(fā)揮了CFRP布的強(qiáng)度。

（2）利用預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱，有效抑制了柱內(nèi)混凝土裂縫開(kāi)展，提高了柱的延性。

（3）預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱極限承載力提高幅度與截面配筋率有關(guān)：當(dāng)配筋率較低時(shí)，加固柱極限承載力的提高幅度隨CFRP布預(yù)拉應(yīng)力的提高而增大。

（4）利用有限元軟件ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固混凝土柱的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖7 荷載－軸向位移曲線的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.7 Comparisons of Calculated Values and Measured Values of Load－axial Displacement Curves

圖8 預(yù)應(yīng)力CFRP布與縱向鋼筋荷載－應(yīng)變曲線Fig.8 Load－strain Curves of Prestressed CFRP Sheets and Longitudinal Reinforcements

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