吳凡，吳攀，彭暉，鄧?yán)^華

（長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastic，簡稱為CFRP）具有質(zhì)量輕、強度高及抗疲勞性能好等優(yōu)點，在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其加固技術(shù)和施工工藝也日愈完善，矩形板條是其最常見的截面形狀［1-2］。目前，國內(nèi)外常用的CFRP板加固方法主要分為兩類：表面粘貼（externally bonded，簡稱為EB）和表面嵌貼（near surface mounted，簡稱為NSM）。

近年來，許多學(xué)者對EB和NSM CFRP加固技術(shù)進行了大量研究。研究表明，剝離破壞是CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的主要破壞模式之一，盡管NSM加固技術(shù)可有效緩解CFRP的黏結(jié)問題，但其端部的剝離破壞和大量的開槽工作增加了許多問題［3-4］。因此，通過合理的構(gòu)造形式規(guī)避這些缺陷的新型CFRP板加固混凝土結(jié)構(gòu)方法亟待開發(fā)。

CFRP板、樹脂膠與混凝土的界面黏結(jié)性能是影響結(jié)構(gòu)發(fā)生剝離破壞的基礎(chǔ)，而混凝土強度、槽尺寸大小、CFRP埋置深度等均為界面黏結(jié)性能的主要影響因素。郭樟根等人［5］運用修正梁的試驗方法，考察了混凝土強度和黏結(jié)長度等因素對EB CFRP、NSM CFRP與混凝土界面黏結(jié)性能的影響。SENA-CRUZ［6］認(rèn)為混凝土強度對黏結(jié)承載力沒有影響。CARO等人［7］提出了增大混凝土強度可顯著提升界面黏結(jié)性能的結(jié)論。DE LORENZIS等人［8］考察了槽的大小對界面黏結(jié)性能的影響。TENG等人［9］采用有限元軟件建立CFRP板加固模型，探究各因素對界面黏結(jié)性能的影響。還有不少學(xué)者對界面黏結(jié)性能也進行了研究［10-13］，但目前所得結(jié)論均缺少普適性。

本研究提出端部嵌貼（terminal embedded，簡稱為TE）CFRP板加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法。該方法將混凝土槽分為兩段，在自由端部的一小段開槽，將CFRP嵌入作為嵌貼段，嵌貼段通過傾斜槽與加載端連接為過渡段。因此，本研究對端部嵌貼CFRP加固混凝土棱柱體進行單剪拔出試驗，研究剪切應(yīng)力作用下端部嵌貼CFRP加固混凝土試件的破壞模式，分析其中的應(yīng)力傳遞過程。運用ABAQUS有限元軟件，根據(jù)試驗得到的荷載-滑移曲線，對拔出試件進行有限元模擬，分析不同因素對界面黏結(jié)性能的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

采用標(biāo)號為C40的普通混凝土，測量同時澆筑、同條件養(yǎng)護、尺寸大小為150 mm×150 mm×150 mm試塊的強度。CFRP板條尺寸大小為3 mm（厚）×50 mm（寬）。黏結(jié)劑采用Sikadur－30CN環(huán)氧樹脂膠，在實驗室常溫養(yǎng)護7 d后達到標(biāo)準(zhǔn)強度。材料的性能參數(shù)見表1。

表1 加固材料性能參數(shù)Table 1 Properties of reinforcement materials

1.2 試驗參數(shù)

本研究設(shè)計了3個CFRP板加固混凝土棱柱體試件，試件橫截面尺寸大小為200 mm（寬）×220 mm（高），并在澆筑前預(yù)留矩形截面槽，該槽位于試件200 mm長邊的正中間，考慮到鋼筋混凝土保護層的厚度，設(shè)計槽深度為25 mm，槽寬為60 mm。加載時保持軸向拉力，除嵌貼段與過渡段長度外，在過渡段前預(yù)留50 mm長度的外貼段，外貼段開5 mm淺槽。典型單剪拉拔試件剖面如圖1所示，具體試驗參數(shù)見表2。

圖1 單剪拉拔試件剖面Fig.1 Section of single shear pull-out specimen

表2 試驗參數(shù)設(shè)計Table 2 Design of test parameters

1.3 試驗加載與量測

本研究采用單剪拉拔試驗方法，加載裝置如圖2所示。試驗采用千斤頂進行加載，為防止加載過程中出現(xiàn)偏心等情況，應(yīng)注意千斤頂、傳感器和CFRP板條的軸心保持在同一直線上。加載過程中，以5 kN為一級控制加載，級間間隔3 min，記錄每一級荷載下CFRP應(yīng)變和加載端滑移值。位移計設(shè)置在加載端端部，將應(yīng)變片與應(yīng)變采集儀相連。應(yīng)變片布置如圖3所示，以距離自由端20 mm處為起點，每50 mm布置1個應(yīng)變測點，直至加載黏結(jié)另一端。

圖2 拉拔試驗加載裝置Fig.2 Loading device for shear pull test

圖3 CFRP板應(yīng)變布置（單位：mm）Fig.3 Layout CFRP strips strain（unit：mm）

2 試驗現(xiàn)象及分析

試件的黏結(jié)承載力能直觀反映試件的黏結(jié)性能，各試件的黏結(jié)承載力情況見表3。試件破壞形態(tài)如圖4～6所示。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

圖4 L500+200試件破壞Fig.4 The destruction of the L500+200 specimen

圖5 L400+200試件破壞Fig.5 The destruction of the L400+200 specimen

圖6 L300+200試件破壞Fig.6 The destruction of the L300+200 specimen

從圖4～6可以看出，本試驗的破壞模式為界面剝離破壞。從試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，樹脂膠裂縫呈半月形，表明CFRP沿板寬方向的黏結(jié)剛度與靠近板中央部分的不一致?？拷逯醒氩糠值幕戚^大，黏結(jié)剛度較弱，而靠近板邊部分，由于受到槽側(cè)混凝土的約束，其滑移值小，黏結(jié)剛度較大。

各試件的荷載-端部滑移曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，嵌貼段長度越長，其曲線斜率越大，試件的界面黏結(jié)剛度越大。在過渡段長度相同的情況下，增加嵌貼段長度，黏結(jié)承載力會增加，滑移會減小，表明嵌貼段提供了較好的錨固作用。

圖7 荷載-滑移曲線Fig.7 Load-displacement curves

L300+200的CFRP應(yīng)變分布如圖8所示。當(dāng)荷載增大到70 kN時，其應(yīng)變突然增大，表明加載端部樹脂界面開始軟化剝離，與試驗在荷載為70 kN時發(fā)出輕微嘣響聲情況相符。從圖8可以看出，當(dāng)荷載為110 kN時，CFRP板應(yīng)變分布為嵌貼段內(nèi)CFRP板的應(yīng)變值很小，表明絕大部分CFRP板拉伸應(yīng)力是由過渡段的黏結(jié)剪應(yīng)力平衡，而試件荷載加載至125 kN時出現(xiàn)破壞，表明過渡段提供了88%以上的黏結(jié)承載力。

3 有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

運用ABAQUS有限元分析軟件對試驗進行非線性數(shù)值分析，并將計算結(jié)果與試驗值進行比較，驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性［14］。在該模型基礎(chǔ)上，考慮混凝土等級、槽的大小等因素對模型黏結(jié)性能的影響。

在本模型中，混凝土和FRP均采用八節(jié)點六面體縮減積分的三維實體單元（C3D8R）?；炷帘緲?gòu)選用塑性損傷本構(gòu)，F(xiàn)RP定義為理想線彈性材料。邊界條件設(shè)定試塊某一面完全固定。為防止應(yīng)力集中，建立參考點。通過Coupling與CFRP板條表面相互作用，在約束和加載點處采用Coupling方式定義加載面。選用20 mm網(wǎng)格劃分模型，提高裂縫模擬精確度。為使模型收斂，選用位移加載模式對模型進行加載。

為準(zhǔn)確模擬CFRP與混凝土的黏結(jié)性能，本研究選用Spring2非線性彈簧單元模擬CFRP與混凝土之間的黏結(jié)情況，并采用Python語言實現(xiàn)Spring2彈簧的批量導(dǎo)入。建模時，需在CFRP與混凝土節(jié)點之間添加兩組分別代表法向和切向的彈簧。對于法向彈簧，考慮到發(fā)生黏結(jié)破壞時法向變形遠小于切向變形，本模型中將法向彈簧剛度Kv定義為100 000 kN/mm。對于切線彈簧，其黏結(jié)-滑移關(guān)系根據(jù)試驗所得到的數(shù)據(jù)換算成F-D曲線來確定。最終建立的有限元模型如圖9所示。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 模擬結(jié)果的驗證

通過ABAQUS軟件模擬得到試件的荷載和滑移值，試驗值與模擬值的對比情況見表4，L500+200試件的荷載-滑移曲線對比如圖10所示。從表4和圖10中可知，模擬值與試驗值吻合良好。黏結(jié)荷載值隨嵌貼段長度增加而增大，與試驗結(jié)論一致。因此，采用ABAQUS軟件能有效模擬端部嵌貼CFRP加固試件的受力過程，得到較為準(zhǔn)確的極限狀態(tài)值，且Spring2非線性彈簧能較好地模擬CFRP板、混凝土與樹脂膠之間的滑移。對比發(fā)現(xiàn)，各試樣滑移值較黏結(jié)承載力誤差大，這可能是由于該模型未考慮沿板寬方向的黏結(jié)應(yīng)力不一致的情況，使得彈簧剛度大于試驗黏結(jié)剛度。

圖10 荷載-滑移對比曲線Fig.10 Comparison curves load-displacement

表4 試驗值與模擬值對比Table 4 Comparison of test and simulate values

3.2.2 因素分析

許多研究表明，混凝土強度會影響試件剛度，混凝土強度對界面黏結(jié)性能有重要影響［15-16］。因此，本研究基于L400+200模型驗證結(jié)果，通過修改INP文件中的混凝土材料參數(shù)，改變混凝土本構(gòu)關(guān)系，建立了一組C20～C60的有限元模型，探究混凝土強度對黏結(jié)性能的影響，黏結(jié)承載力隨混凝土等級變化曲線如圖11所示。有限元模擬結(jié)果見表5。

圖11 黏結(jié)承載力隨混凝土等級變化Fig.11 The variation of bearing capacity with concretegrades

表5 有限元模擬結(jié)果Table 5 Finite element simulation results

從圖11可看出，黏結(jié)承載力隨混凝土強度提高而增大。混凝土等級從C20提升至C40，黏結(jié)承載力從102 kN提高至144 kN，提高了41%，而混凝土等級超過C50后，黏結(jié)承載力僅提高了5%，提升幅度不明顯。

不同混凝土強度試件荷載隨著滑移變化的情況如圖12所示。從圖12可以看出，荷載較小時，各試件的滑移值比較接近，隨著荷載的增加，界面開始發(fā)生剝離，黏結(jié)剛度隨界面剝離的發(fā)展逐漸退化?；炷翉姸仍礁?，曲線斜率越大，即黏結(jié)剛度越大，其滑移值越小。這表明隨著混凝土強度增大，CFRP和膠層之間的約束越大，CFRP的滑移會越小。通過有限元模擬分析，說明混凝土強度對黏結(jié)強度存在不可忽視的影響。

圖12 不同混凝土強度荷載-滑移曲線Fig.12 Load-displacement curves of specimen with different strength

槽的尺寸大小會影響到FRP與混凝土之間的黏結(jié)劑的厚度、大小和幾何形狀，還會影響FRP材料與槽內(nèi)樹脂的結(jié)合情況，以及FRP、膠層和混凝土三者之間的相對位置關(guān)系［17］。本研究設(shè)計了5種不同尺寸大小的槽，分析槽寬、槽深對黏結(jié)強度的影響。有限元計算結(jié)果見表6。

表6 有限元模擬結(jié)果Table 6 Results obtained by finite element simulation

不同槽尺寸試件荷載隨滑移的變化規(guī)律如圖13所示。從圖13可以看出，槽寬越大，黏結(jié)承載力越小，滑移越大。這是由于環(huán)氧樹脂膠的彈性模量和剛度均小于混凝土的，隨著槽寬增加，環(huán)氧樹脂會增多，膠層更容易發(fā)生變形，且加大槽寬后削減了槽側(cè)面混凝土對CFRP的約束作用，削弱了黏結(jié)性能。因此，隨著槽寬增加，界面黏結(jié)強度降低。槽深的變化改變了CFRP嵌入的深度。對于同一黏結(jié)長度而言，相當(dāng)于改變了過渡段CFRP轉(zhuǎn)折區(qū)角度，槽深越大，彎折角度越大。在拉伸應(yīng)力作用下，混凝土和樹脂形成的徑向壓力越大，轉(zhuǎn)折段提供的黏結(jié)強度越大。從圖13還可以看出，L400+200-W80和L400+200-H15的荷載-滑移曲線較為接近，前者略高于后者，這說明過大的槽寬或過淺的槽深均降低了其黏結(jié)性能，槽深過淺時尤為明顯。

圖13 不同槽尺寸試件荷載-滑移曲線Fig.13 Load-displacement curves of specimen with different slot size

4 結(jié)論

本研究對端部嵌貼CFRP加固混凝土試件進行了單剪拔出試驗，并運用ABAQUS有限元軟件對其進行了非線性有限元分析，討論了混凝土等級和槽寬對其界面黏結(jié)性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）端部嵌貼方法能有效提高界面黏結(jié)性能。嵌貼段很好地發(fā)揮了錨固作用，嵌貼段長度越大，滑移越小，界面黏結(jié)性能越強。

2）樹脂膠裂縫呈半月形，這說明沿CFRP板寬方向的黏結(jié)剛度不一致，靠近板中央部分黏結(jié)剛度較弱。由于受到槽側(cè)混凝土的約束，靠近板邊部分的黏結(jié)剛度較好。

3）運用ABAQUS有限元軟件模擬端部嵌貼CFRP加固試件的受力過程，可得到較為準(zhǔn)確的極限狀態(tài)值。采用Spring2非線性彈簧，實現(xiàn)CFRP板、混凝土與樹脂膠之間的滑移。

4）混凝土強度會影響界面黏結(jié)強度，提高混凝土等級能增大界面黏結(jié)承載力，但混凝土等級超過C50后，黏結(jié)承載力提高不明顯。

5）槽寬、槽深均會對界面黏結(jié)強度產(chǎn)生影響。過大的槽寬或過淺的槽深均會造成黏結(jié)性能降低，當(dāng)槽深過淺時尤為明顯。