張　劍，江　雷，殷王華

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

?

預(yù)應(yīng)力CFRP/GFRP纖維加固梁的延性性能研究*

張劍，江雷，殷王華

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

摘要：碳纖維具有高強(qiáng)度、高彈性模量和延性較差的特點(diǎn)，玻璃纖維相對(duì)于碳纖維可起到互補(bǔ)作用，采用預(yù)應(yīng)力碳纖維/玻璃纖維(CFRP/GFRP)加固混凝土梁是一項(xiàng)新的加固技術(shù)?；诜謱訂卧碚?，建立了加固混凝土梁的計(jì)算模型，分析了加固后混凝土梁在荷載作用下三分點(diǎn)加載全過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了加固梁的屈服荷載、極限荷載、變形和延性性能開展情況，研究了不同混雜纖維配比等對(duì)加固梁延性性能的影響。結(jié)果表明，將CFRP與GFRP混雜后能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，且能提高預(yù)應(yīng)力纖維加固梁的特征荷載。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；CFRP/GFRP纖維；延性性能；有限元

碳纖維(CFRP)具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量；但延伸率相對(duì)較低，價(jià)格相對(duì)昂貴[1]。在常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，玻璃纖維(GFRP)的抗拉強(qiáng)度和彈性模量較低；但延伸率相對(duì)較大，可達(dá)到2.0%～3.0%，其耐高溫性能好，耐酸、堿，吸濕性低，價(jià)格相對(duì)便宜，這對(duì)于CFRP來(lái)說(shuō)正起到互補(bǔ)作用，且GFRP材料適合于土木工程結(jié)構(gòu)加固，易于與CFRP材料的混雜編織[2]。將2種纖維混雜在一起共同工作，可表現(xiàn)出優(yōu)于其單一纖維的力學(xué)性能，而并不是單一材料的簡(jiǎn)單疊加[3-4]。其原因在于2種纖維混合使用時(shí)，高延伸性纖維可承受由于低延伸性纖維斷裂而引起的額外荷載，從而延緩從微觀到宏觀的破壞過(guò)程，使混雜纖維的平均斷裂應(yīng)變明顯提高；而低延性的纖維在斷裂后，還能以短纖維的形式與高延性的纖維共同工作，直到纖維陸續(xù)斷裂。

本文對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP/GFRP布加固混凝土梁建立分層單元的有限元模型，對(duì)于不同的混雜比研究屈服荷載、極限荷載和撓度等結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并對(duì)延性性能進(jìn)行分析。

1分層單元理論

預(yù)應(yīng)力CFRP/GFRP布加固混凝土梁，其由CFRP/GFRP布、鋼筋和混凝土等3類材料組成，其材料性能和應(yīng)力是分層單元ζ坐標(biāo)的不連續(xù)函數(shù)。而混凝土屈服、開裂、鋼筋屈服和結(jié)構(gòu)大變形響應(yīng)所具有的非線性特性需用到沿殼厚方向的積分表達(dá)。利用分層法簡(jiǎn)潔而有效地解決了此問(wèn)題，將不連續(xù)函數(shù)的積分問(wèn)題劃為有限項(xiàng)級(jí)數(shù)求和問(wèn)題，且能保證工程精度。沿ζ方向的分層單元模型如圖1所示。

圖1　分層單元模型

2配筋梁及纖維材料

根據(jù)鋼筋混凝土梁的構(gòu)造要求，鋼筋混凝土梁尺寸為150 mm×250 mm×2 800 mm。對(duì)稱配筋，縱筋為2φ14，箍筋為φ8@150，混凝土保護(hù)層厚度為25 mm。截面配筋如圖2所示，詳細(xì)資料見于文獻(xiàn)[5]。

圖2　加固梁截面配筋圖

加固所選用纖維布厚度為0.23 mm。不同配比的CFRP/GFRP混雜纖維性能見表1。對(duì)強(qiáng)度、延伸率和價(jià)格等因素進(jìn)行綜合比較后，選擇7種混雜纖維作為理論分析所用纖維布材料。為敘述方便，碳纖維、碳-玻1∶1、碳-玻1∶2、碳-玻1∶3、碳-玻2∶1、碳-玻3∶1和玻璃纖維分別簡(jiǎn)記為C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G。

表1　不同配比的CFRP/GFRP纖維性能

3加固梁的力學(xué)性能分析

針對(duì)混凝土強(qiáng)度級(jí)別C20，纖維布類型(C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G)，以預(yù)應(yīng)力度分別為0和0.4進(jìn)行分析(見表2和表3)，采用三分點(diǎn)加載并通過(guò)程序提取開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和梁體撓度發(fā)展數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從強(qiáng)度、剛度和延性角度評(píng)價(jià)加固效果的數(shù)據(jù)量化分析。

表2　未施加預(yù)應(yīng)力的纖維布加固梁的特征指標(biāo)

表3　預(yù)應(yīng)力度為0.4的纖維布加固梁的特征指標(biāo)

由表2和表3分析可知，預(yù)應(yīng)力GFRP纖維布加固的特征荷載值均較低，因此，利用預(yù)應(yīng)力GFRP纖維布加固不合適；預(yù)應(yīng)力CFRP布加固的特征荷載值有提高，與混雜纖維相比開裂荷載提高較小，剩余強(qiáng)度過(guò)大。將CFRP布與GFRP布混雜后，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

將CFRP布與GFRP布混雜后，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。與未加固梁相比，粘貼纖維布加固梁的承載能力均有提高；與未施加預(yù)應(yīng)力的纖維布加固梁相比，預(yù)應(yīng)力纖維布加固梁的開裂荷載等均有提高，因此，預(yù)應(yīng)力纖維布加固方法對(duì)于舊橋加固而言為有效的主動(dòng)加固方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧宗才. 碳纖維布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎力學(xué)性能研究[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2001, 14(2): 45-51.

[2] 董福興. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 山西建筑，2007, 33(7): 95-96.

[3] 王海超. 鋼筋混凝土構(gòu)件腐蝕疲勞試驗(yàn)研究與理論分析[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2004.

[4] 韋全余，歐世坤，朱金華，等.預(yù)應(yīng)力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用與評(píng)估[J].新技術(shù)新工藝，2014(9)：46-51.

[5] 艾軍, 張劍.預(yù)應(yīng)力混雜CFRP/GFRP纖維布在混凝土橋梁加固中的關(guān)鍵技術(shù)研究[R]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2013.

* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11232007)

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130787)

南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(NS2014003)

責(zé)任編輯馬彤

Ductility Performance of Beams Strengthened with Prestressed CFRP/GFRP Sheets

ZHANG Jian， JIANG Lei， YIN Wanghua

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Carbon fiber has high tensile strength and modulus of elasticity, but the ductility of the carbon fiber is poor. Relative to the carbon fibers, glass fiber plays a complementary role. It is a new reinforcement technique to reinforce concrete beams by prestressed CFRP/GFRP. Based on the theory of hierarchical units, a calculation model of reinforced concrete beam is established for the prestressed strengthened beams in CFRP/GFRP. The overall dates of the concrete beam under loads at three dividing point are analyzed. The comparative analysis of yield load, ultimate load, deformation and ductility performance has been worked out and the influence of ductility performance of reinforced beam has been researched in many factors such as the different ratio of hybrid fiber. The results show that when CFRP and GFRP are mixed, the property and the characteristic loads can both be improved.

Key words:prestress, CFRP/GFRP sheet, ductility performance, finite element

中圖分類號(hào)：U 441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-24

作者簡(jiǎn)介：張劍(1978-)，男，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究。