洪一紅，劉勇兵

HONG Yihong，LIU Yongbing

(衢州學院建筑工程學院，浙江 衢州324000)

碳纖維(CFRP)復合材料加固鋼筋混凝土是在近年來國內外廣泛采用的一種混凝土外部補強新技術［1-5］。由于CFRP 理論上發(fā)揮自身受拉高強性能需要足夠的應變，混凝土作為一種脆性材料其本身應變范圍又有限，因此CFRP 加固混凝土特別是考慮二次受力時的效果及其極限承載能力一直是該領域關注和討論的熱點。另外，當加固不是在完全卸載狀態(tài)下進行時，若不考慮結構的二次受力，將會過高估計構件的承載力。然而實際加固時，完全卸載條件是難以實現的，即使能夠做到全部卸載，其所造成的附加費用也是極其龐大的。因此，實際的加固分析應考慮二次加載問題［6-8］。本文運用有限元分析軟件ANSYS 對3 根試驗梁進行了模擬，將有限元值和試驗值進行了比較，結果表明ANSYS 模擬結果和試驗結果吻合較好，用該方法模擬二次受力下CFRP 加固鋼筋混凝土梁是一種可行的方法。

1 試驗研究

1.1 試件設計與制作

按照《混凝土結構設計規(guī)范(GB 50010—2010)》設計并制作了5 根相同尺寸的梁，截面尺寸為120 mm×250 mm，長2500 mm，見圖1。考慮到目前實際需要加固的結構構件的混凝土材料強度均較低，故本試驗梁混凝土強度等級設計為C20，受拉主筋采用HRB335:216，架立筋采用HRB335:28，箍筋采用HRB335: 8@70，配筋率為1.52%。

圖1 試驗梁配筋圖

1.2 加載方案及加固方法

試驗梁采用簡支形式，梁的試驗長度為2000 mm，純彎段長度為500 mm。加載采用四分點兩點對稱加載，加載方式采用液壓千斤頂反向加載，試驗按《混凝土結構試驗方法標準(GB 50152—2012)》［9］要求進行;當加載接近特征點荷載(如混凝土開裂、鋼筋屈服點)時，減少荷載等級以準確控制特征點;鋼筋屈服后按撓度控制加載至試件破壞。另外，為了保持粘貼CFRP 時荷載的基本不變，采用液壓千斤頂自鎖。

表1 各試驗梁加載的參數

試驗測試內容包括:位移(跨中、分配梁兩支座位置)、纖維應變、梁縱筋應變、混凝土應變、裂縫開展情況。為保證應變測試數據的準確性，分別在分配梁的兩個加載點位置對稱布置應變片，在同一位置兩根受拉主筋布置3 片，CFRP 布置2片(在跨中位置也布置了2 片)?；炷翍円粤旱闹休S為對稱軸每隔50 mm 貼1 片，每一截面共5 片。

粘結劑為國產三體系建筑結構膠，包括找平膠、底膠和浸漬膠。

梁受拉側表面打磨至露出粗骨料，且打磨后試件的表面應保持平整;清除表面浮灰，用丙酮清洗干凈。按照表1 的加載歷史分級加載到預先確定的荷載等級，然后保持該荷載不變(為便于以下分析，該荷載點簡稱為“持載點”)，粘貼CFRP。

1.3 試驗結果分析

通過5 根試驗梁的室內加載試驗，不同的持載點以及碳纖維用量對梁的承載能力都有一定的影響，其極限承載力、梁的剛度以及破壞模式見表2。

表2 試驗結果表

試驗研究表明，使用碳纖維布來提高鋼筋混凝土梁承載力的補強加固方法是有效的，粘貼碳纖維布后，試驗梁的極限承載力明顯提高，但提高率與纖維加固量并不是線性關系。加固纖維布的鋼筋混凝土梁在承受一定荷載(如0.6Py)的情況下，加固梁的極限狀態(tài)延緩，隨著纖維加固量增大，極限承載力也相應提高。采用CFRP 加固的鋼筋混凝土梁的剛度較普通鋼筋混凝土梁的剛度都有明顯提高，纖維布對承受以抗彎為主的構件有增強剛度和控制撓度的作用。隨著纖維加固量的增大，梁的屈服剛度也隨之增大。

2 有限元分析

2.1 分析模型

本文利用有限元分析軟件ANSYS，對碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁進行全程分析，試驗梁模型以及材料性能與試驗定義相同。在此僅分析粘貼一層CFRP 布的試驗梁與對比梁分別為B1、B2、B4。分析時混凝土采用三維8 節(jié)點6 面體的等參單元SOLID65 來模擬帶有或者不帶有鋼筋的三維實體模型。在本例中箍筋采用整體式模型又稱彌散鋼筋單元(smeared element)，直接在SOLID65 單元中通過定義實數的途徑來實現。其優(yōu)勢在于建模簡便，但無法得到鋼筋內力。簡支梁的箍筋在整根梁中是均勻分布的主要起抗剪作用，所以本文采用了整體式模型。受拉和受壓鋼筋由于兩方面的原因采用了分離式模型，用LINK8 單元來模擬梁的縱向受力鋼筋。這兩方面的原因分別是:(1)他們在簡支梁中的分布不是均勻的，如果采用整體式模型則與實際情況不符合;(2)需要讀取受拉鋼筋的應變值，以此來詳細考察梁的結構性能。碳纖維布是一種只存在平面內應力、平面外剛度很小的材料，ANSYS 提供了SHELL41 單元來模擬。SHELL41 是一個三維單元，平面內具有膜強度但平面外沒有彎曲強度，符合CFRP 布在約束混凝土中的受力狀態(tài)。

2.2 生死單元模擬不同的工作狀態(tài)

CFRP 實際加固應用中，由于種種條件限制，往往不能完全卸除荷載后進行加固。CFRP 通常在不卸載情況下直接粘貼在構件表面，這樣CFRP的初始應變?yōu)?，初始工作應力也為0，CFRP 只能隨著被加固構件變形的進一步開展而發(fā)揮作用，即存在所謂“二次受力”問題。ANSYS 要求必須在前處理器一次性建好模型，因此利用單元生死技術，在第一載荷步先把SHELL41 單元全部殺死后施加荷載，相當于構件在沒有加固的情況下工作，待施加到預定荷載后再激活這些單元，以此來模擬二次受力問題。而始終不殺死SHELL41 單元相當于不考慮“二次受力”時的情況。第一載荷步殺死SHELL41 單元后不再激活相當于不進行加固的對比梁情況。

2.3 與試驗結果比較

對不考慮二次受力CFRP 加固梁B2，加載0.6Py后再進行CFRP 加固，即考慮二次受力的梁B4，分別進行ANSYS 有限元分析并與試驗結果比較，見圖2。從總體上說有限元的分析結果與試驗結果在一定程度上是吻合的，但由于模型中采用的本構關系模型與實際試驗存在著差別，所以未能明顯模擬出試驗曲線中的水平段。由圖2 可見B2 在進入鋼筋屈服階段以前，ANSYS 有限元分析能夠很好地模擬出混凝土梁的荷載-撓度變化曲線。由于B4 是在一定的持載點下粘貼纖維布進行加固的，所以在持載點荷載之前加固梁的承載能力不如對比梁，但在持載點粘貼纖維布加固后梁的承載能力明顯提高很多;試驗值與計算值之間存在一定差別，這和模型中采用的材料本構關系、有限元模型與實際試件的差別等都有關，這些問題還有待進一步的研究。

試驗梁有限元計算的荷載-撓度曲線比較見圖3。在加載初期加固梁與未加固梁沒有明顯差別，當荷載增加到持載點時，預載加固梁與完好加固梁的荷載-撓度曲線發(fā)生分離;施加相同的外力完好加固梁的撓度大于預載加固梁，因為預載加固梁是在構件發(fā)生一定破壞時進行加固的，這樣可以更加充分地利用碳纖維布的抗拉性能，提高構件的極限承載能力。

圖2 梁荷載-撓度曲線試驗值與計算值比較

圖3 B1、B2、B4 荷載-撓度曲線

3 結 語

本文通過1 根未加固的鋼筋混凝土梁和2 根碳纖維加固的鋼筋混凝土梁的試驗研究并與有限元分析進行比較，從比較結果來看，兩者吻合得非常好，并且采用有限元分析可以節(jié)約試驗經費，值得在該領域推廣應用。碳纖維布加固的二次受力鋼筋混凝土梁比加固的完好梁前期屈服剛度高，說明用碳纖維布加固二次受力構件更能發(fā)揮材料的抗拉力強的性能，并且與工程實際更加相符。有限元分析時采用生死單元模擬碳纖維布加固二次受力鋼筋混凝土梁，其分析結果與試驗結果吻合，說明采用生死單元技術是可行的。

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