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        GFRP布在橋梁梁體加固抗剪性能的研究

        2022-08-05 12:08:04王加練史玉保
        低溫建筑技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:承載力有限元橋梁

        王加練, 史玉保

        (云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,云南 650228)

        0 引言

        傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中總是遵循著“強剪弱彎”的原則,橋梁剪切承載力的設(shè)計冗余度較大,這主要是因為結(jié)構(gòu)的剪切破壞呈脆性,極易造成極大的經(jīng)濟損失。因此在過往的檢測加固領(lǐng)域中往往忽視了對橋梁剪切承載力加固的研究[1]。但近年來,對一大批橋梁的結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),橋梁在使用過程中極易產(chǎn)生較多的斜向剪切裂縫。裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致空氣中的腐蝕性物質(zhì)進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,內(nèi)部鋼筋極大的被腐蝕,結(jié)構(gòu)耐久性大打折扣。造成上述結(jié)果的主要原因是由較大的施工誤差、橋梁長期承擔(dān)滿超載貨車[2]。

        纖維增強復(fù)合材料是一種由基體和內(nèi)部纖維復(fù)合而成的新型材料。其內(nèi)部纖維可分為碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等,其中碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)被廣泛的應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域。但由于CFRP 材料造價過于昂貴,因此將其應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域顯得不切實際。雖GFRP材料的強度不及CFRP,但其優(yōu)勢在于造價較低[3],可大量應(yīng)用于橋梁加固領(lǐng)域。近年來,國內(nèi)外大量學(xué)者針對FRP材料加固橋梁進行了深入的研究[4,5]。Javed M[6]分析了不同F(xiàn)RP 外貼形式對于混凝土梁剪切加固效果的影響。趙彤等[7]對混凝土梁進行了CFRP 加固試驗,研究結(jié)果表明外貼FRP可顯著提升低配筋梁的抗剪力學(xué)性能。Chaallal[8]研究發(fā)現(xiàn)斜向粘貼FRP的加固形式,其抗剪加固效果較為良好。

        綜上所述,現(xiàn)有的研究大多集中于CFRP,但針對GFRP的加固效果研究較少??紤]到造價因素,CFRP大規(guī)模應(yīng)用于橋梁加固領(lǐng)域不太現(xiàn)實,因此研究GFRP 對于混凝土梁的加固效果仍將是一個熱點,且具有重要意義[9]。文中基于某試驗梁,建立ABAQUS有限元模型,通過對其進行破壞加載分析了加固后的混凝土梁剪切破壞機理,比較加固前后的剪切承載力差異。

        1 試驗概況

        1.1 試驗梁簡介

        文中設(shè)置兩組試驗(S-1、S-2),兩組試驗的尺寸、配筋、加載剪跨比均相同,試驗梁尺寸及配筋依據(jù)文獻。不同點在于S-1 未進行FRP 加固,S-2 進行了FRP抗剪加固。

        如圖1(a)、圖1(b)所示,試驗梁跨徑L=1900mm,有效跨徑L0為1600mm,梁高h=250mm,梁寬b=150mm,加載剪跨比均為2.3。試驗梁內(nèi)部梁底布置3 根直徑為20mm的鋼筋,頂部布置2根直徑為20mm的鋼筋。梁箍筋直徑為6mm,箍筋間距為200mm。S-2 梁FRP 布置方案如圖1(c)所示,F(xiàn)RP截面尺寸為50mm×6mm。

        圖1 試驗構(gòu)造圖(單位:mm)

        2 數(shù)值模型的建立

        2.1 材料參數(shù)

        混凝土本構(gòu)采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]中對于混凝土本構(gòu)的定義如式(1)、式(2)所示,混凝土參數(shù)取值如表1所示。

        表1 混凝土材料參數(shù)

        式中,σ為應(yīng)力;dt為拉伸損傷參數(shù);dc為壓縮損傷參數(shù);Et為拉伸彈性模量;Ec為壓縮彈性模量;ξ 為應(yīng)變。

        鋼筋均采用無屈服點鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線,鋼筋本構(gòu)表達如式3 所示,鋼筋材料的屈服強度fy為400MPa。

        式中,Es為鋼筋的彈性模量;σs為鋼筋應(yīng)力;ξs為鋼筋應(yīng)變;fy,r為鋼筋的屈服強度代表值;ξy為與fy,r相對應(yīng)的鋼筋屈服應(yīng)變;ξu為鋼筋硬化段斜率。

        加固試驗中所用GFRP 材料力學(xué)參數(shù):極限強度為370MPa,彈性模量為25000MPa。有限元建模計算中可將材料簡化為彈性。

        2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

        建立有限元模型如圖2、圖3 所示。為保證加載點梁體不出現(xiàn)應(yīng)力集中,因此在加載點、支座處施加墊塊。梁體、墊塊、GFRP 加固板均采用C3D8R 單元,內(nèi)部鋼筋均采用T3D2單位。梁體支座采用簡支邊界條件。

        圖2 未加固梁體有限元模型(ABAQUS軟件提?。?/p>

        圖3 加固后梁體有限元模型(ABAQUS軟件提取)3 模擬結(jié)果分析

        3 模擬結(jié)果分析

        梁體有限元計算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知,當(dāng)對混凝土梁體進行加固后,其極限承載力Pu由394.5kN提升至440.9kN,F(xiàn)RP加固可使得承載力可提升11.8%。當(dāng)對混凝土梁體進行加固后,其極限承載力Pu,0.5 由238.5kN 提升至240.2kN,F(xiàn)RP 加固對于0.5 倍極限承載力影響不大。加固后,極限承載力所對應(yīng)的剛度Pu/Su可由58.01kN/mm提升至65.8kN/mm,F(xiàn)RP 加固可使得極限承載力所對應(yīng)的剛度提升13.4%。0.5倍極限承載力所對應(yīng)的剛度Pu,0.5/Su,0.5可由103.7kN/mm 提升至109.2kN/mm,F(xiàn)RP 加固可使得極限承載力所對應(yīng)的剛度提升5.3%。

        表2 計算結(jié)果

        3.1 混凝土梁荷載-位移曲線

        梁體荷載-位移曲線如圖4所示。由圖可知,F(xiàn)RP的加固對于梁體的前期剛度影響不大,加固前后荷載-位移曲線重合度較高。

        圖4 荷載-位移曲線(ABAQUS軟件提?。?/p>

        當(dāng)荷載達到0.75Pu以后,加固后梁體剛度明顯大于加固前,這說明加固后的FRP開始在此階段發(fā)揮作用,提升了混凝土梁的強度及剛度。

        由圖4也可知,當(dāng)利用FRP對梁體進行加固后,其是在梁體剛度下降后可急需承載,這說明所加固的FRP 板需在梁體抗剪剛度下降后才能發(fā)揮作用。因此FRP板加固不能夠抑制裂縫的開展,其能提高梁體在開裂后的極限承載力。

        3.2 混凝土拉伸損傷分析

        對比分析加固前后梁體在0.25、0.50、0.75、1.00Pu4個階段計算結(jié)果可知以下結(jié)論。

        對于未加固的混凝土梁,當(dāng)加載至0.25Pu時,混凝土梁體跨中出現(xiàn)較多的豎向裂縫,且在剪彎區(qū)已近出現(xiàn)較多的拉伸損傷。當(dāng)加載至0.50Pu時,豎向裂縫繼續(xù)數(shù)量繼續(xù)增加,剪跨區(qū)拉伸損傷開始由梁底延伸至梁頂。當(dāng)加載至0.75Pu時,梁頂拉伸損傷開始由邊跨延伸至跨中。當(dāng)加載至1.00Pu時,梁頂布滿拉伸損傷。

        對于加固后的混凝土梁,各個階段的拉伸損傷均小于所對應(yīng)的加固前混凝土梁。這是因為GFRP板可承擔(dān)部分應(yīng)力,混凝土承擔(dān)應(yīng)力較小,因此其裂縫開展較為延緩。

        4 結(jié)語

        文中以某試驗梁為依托,建立ABAQUS有限元模型并進行破壞加載。通過分析結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線、FRP 應(yīng)力、混凝土拉伸損傷等參數(shù),研究了FRP 布加固對于RC 梁的剪切性能的影響。研究主要結(jié)論如下:

        (1) FRP加固可使得承載力可提升11.8%,但加固對于0.5倍極限承載力影響不大。

        (2) FRP 加固可使得極限承載力所對應(yīng)的剛度提升13.4%,F(xiàn)RP加固可使得0.5倍極限承載力所對應(yīng)的剛度提升5.3%。

        (3) FRP 的加固對于梁體的前期剛度影響不大,當(dāng)荷載達到0.75Pu以后,加固后梁體剛度明顯大于加固前,這說明加固后的FRP 開始在此階段發(fā)揮作用,提升了混凝土梁的強度及剛度。

        (4) 對于加固后的混凝土梁,各個階段的拉伸損傷均小于所對應(yīng)的加固前混凝土梁。

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