混合裂紋對(duì)鋼板加固混凝土梁安全性的影響

張淑峰 張明峰 藺海曉

(1．沈陽(yáng)奧思特安全技術(shù)服務(wù)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110031; 2．上海梅山礦業(yè)有限公司，江蘇南京 210041;3．河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000)

近些年來(lái)，外貼鋼板加固混凝土構(gòu)件成為對(duì)建筑物進(jìn)行加固和修改的重要辦法，這是因?yàn)樵摲椒軌蚝?jiǎn)單、快捷施工以節(jié)省勞動(dòng)力和施工成本。但是該方法要求混凝土梁和鋼板之間有良好的粘結(jié)關(guān)系以確保兩者能夠共同工作，所以鋼板與混凝土之間的粘結(jié)性能非常重要?；炷亮和ǔＲ彩峭ㄟ^(guò)粘結(jié)層把承受的拉力傳遞給鋼板，因此粘結(jié)層對(duì)構(gòu)件的安全性以及耐久性都有著非常重要的意義。更好的了解鋼板和混凝土之間的粘結(jié)作用利于組合梁的整體力學(xué)性能評(píng)估以及更好優(yōu)化鋼板加固方案。然而，由于混凝土本身是一種非均質(zhì)材料，材料性能的離散性比較大，其破壞模式和斷裂模式都比較復(fù)雜，使得鋼板加固混凝土組合梁的分析更加復(fù)雜。因此，有必要采用數(shù)值方法對(duì)鋼板和混凝土之間的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行分析，為優(yōu)化鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型及驗(yàn)證

本文采用RFPA2D混合裂縫引起鋼板加固混凝土梁脫粘的數(shù)值模擬。其基本的單元類型為平面四邊形單元。模型假設(shè)單元的材料性能參數(shù)滿足Weibull概率分布函數(shù)[1］:

其中，u表示服從Weibull分布材料性能(例如強(qiáng)度、彈性模量等)的數(shù)值;而u0是與所有單元參數(shù)的平均值。參數(shù)m定義了Weibull分布函數(shù)的形態(tài)，該參數(shù)m反映了參數(shù)的離散程度，其數(shù)值越大表示材料越均勻。當(dāng)其由小到大變化時(shí)，單元的力學(xué)參數(shù)分布變得較為集中，更接近于給定的參數(shù)u0，當(dāng)m＞100時(shí)，生成的數(shù)字模型可以被認(rèn)為是均質(zhì)模型。單元的破壞準(zhǔn)則為最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則或摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，同時(shí)通過(guò)定義殘余強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)模擬單元破壞后的力學(xué)性能。在模型加載的過(guò)程中，可分步施加外荷載，詳情參考文獻(xiàn)[1］。

本文模型尺寸為375 mm×150 mm，單元的尺寸為1 mm×1 mm，粘結(jié)長(zhǎng)度取直徑的整數(shù)倍。混合裂縫和模型尺寸的比例如圖1所示。整個(gè)模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。模型中材料的取值參考了文獻(xiàn)[2］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。混凝土和鋼板的彈性模量分別取38 GPa和210 GPa，混凝土強(qiáng)度取30 MPa左右，鋼板的屈服強(qiáng)度取250 MPa;粘結(jié)強(qiáng)度取13．5 MPa;鋼材和混凝土的泊松比分別取0．3 和 0．2。

在本文的模型中，混凝土被視為非均質(zhì)的材料以反映混凝土本身各組分性能的差異以及存在的原始缺陷;粘結(jié)層亦視為非均質(zhì)材料，考慮了實(shí)際試驗(yàn)中膠層與混凝土之間由人為因素造成的粘結(jié)缺陷。混凝土與粘結(jié)層的性能參數(shù)都服從Weibull分布。

圖1 鋼板加固混凝土模型示意圖

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，與相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比如圖2所示。載荷位移關(guān)系如圖3所示，破壞模式如圖4所示，可見(jiàn)數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖2 含預(yù)制裂紋的素混凝土梁

圖3 試驗(yàn)和模擬載荷位移曲線對(duì)比

圖4 試驗(yàn)裂紋路徑和計(jì)算裂紋路徑對(duì)比

2 計(jì)算結(jié)果及討論

在試驗(yàn)研究中，限于試驗(yàn)條件，往往很難得到鋼板和混凝土的脫粘發(fā)展規(guī)律，數(shù)值方法則比較容易實(shí)現(xiàn)。不同荷載等級(jí)下鋼板和混凝土之間的脫粘規(guī)律如圖5所示:由圖5中可以看出，脫粘最先產(chǎn)生于混合裂縫的端部，這是因?yàn)樵擖c(diǎn)存在著應(yīng)力集中，導(dǎo)致該范圍內(nèi)的鋼板和混凝土首先發(fā)生脫粘;隨著載荷的不斷增加，脫粘開(kāi)始從混合裂縫向梁的端部延伸。與此同時(shí)，混合裂紋上端的混凝土也出現(xiàn)了開(kāi)裂，隨著載荷的增加，混凝土裂縫逐漸向加載點(diǎn)擴(kuò)展。進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)鋼板和混凝土的脫粘僅發(fā)生在裂縫和梁的端部，而在裂紋和加載點(diǎn)之間的部分，并沒(méi)有發(fā)生脫粘現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诹旱亩瞬亢突炷亮芽p之間部分，粘結(jié)層上面的正應(yīng)力是拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力的存在，加速了界面脫粘現(xiàn)象;而在裂紋和加載點(diǎn)之間的部分，界面上的正應(yīng)力為壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力并不能對(duì)脫粘起到推動(dòng)作用，因此，脫粘僅發(fā)生在裂縫和梁端之間的部分(見(jiàn)圖6)。

圖5 脫粘發(fā)展過(guò)程

圖6 界面正應(yīng)力分布

3 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值計(jì)算的方法，對(duì)混合裂紋引起的鋼板加固混凝土梁的脫粘過(guò)程進(jìn)行了分析研究。計(jì)算結(jié)果表明，脫粘產(chǎn)生于混合裂紋的端部，隨著荷載不斷增加而向梁的端部擴(kuò)展，同時(shí)在混凝土中，裂紋也從原來(lái)的位置向加載點(diǎn)擴(kuò)展;由于界面存在壓縮正應(yīng)力，因此在加載點(diǎn)和預(yù)制裂紋之間，沒(méi)有脫粘發(fā)生;數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

[1] 朱萬(wàn)成，張娟霞，唐春安．FRP加固混凝土構(gòu)件中裂紋擴(kuò)展規(guī)律的數(shù)值模擬[J］．建筑材料學(xué)報(bào)，2007，10(1):83-88．

[2] Galvez JC，Elices M．Guinea GV and Planas[J］．Internal Journal of Fracture，1998(98):267-276．