混合裂紋對鋼板加固混凝土梁安全性的影響

張淑峰 張明峰 藺海曉

(1．沈陽奧思特安全技術服務有限公司，遼寧沈陽 110031; 2．上海梅山礦業有限公司，江蘇南京 210041;3．河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000)

近些年來，外貼鋼板加固混凝土構件成為對建筑物進行加固和修改的重要辦法，這是因為該方法能夠簡單、快捷施工以節省勞動力和施工成本。但是該方法要求混凝土梁和鋼板之間有良好的粘結關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性能非常重要。混凝土梁通常也是通過粘結層把承受的拉力傳遞給鋼板，因此粘結層對構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作用利于組合梁的整體力學性能評估以及更好優化鋼板加固方案。然而，由于混凝土本身是一種非均質材料，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雜，使得鋼板加固混凝土組合梁的分析更加復雜。因此，有必要采用數值方法對鋼板和混凝土之間的粘結機理進行分析，為優化鋼板加固混凝土結構設計提供參考。

1 數值模型及驗證

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

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

本文模型尺寸為375 mm×150 mm，單元的尺寸為1 mm×1 mm，粘結長度取直徑的整數倍。混合裂縫和模型尺寸的比例如圖1所示。整個模型簡化為平面應力進行計算。模型中材料的取值參考了文獻[2］的試驗數據。混凝土和鋼板的彈性模量分別取38 GPa和210 GPa，混凝土強度取30 MPa左右，鋼板的屈服強度取250 MPa;粘結強度取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;粘結層亦視為非均質材料，考慮了實際試驗中膠層與混凝土之間由人為因素造成的粘結缺陷。混凝土與粘結層的性能參數都服從Weibull分布。

圖1 鋼板加固混凝土模型示意圖

為了驗證數值模型的正確性，與相關文獻的試驗結果進行分析對比如圖2所示。載荷位移關系如圖3所示，破壞模式如圖4所示，可見數值模擬結果和試驗結果吻合較好。

圖2 含預制裂紋的素混凝土梁

圖3 試驗和模擬載荷位移曲線對比

圖4 試驗裂紋路徑和計算裂紋路徑對比

2 計算結果及討論

在試驗研究中，限于試驗條件，往往很難得到鋼板和混凝土的脫粘發展規律，數值方法則比較容易實現。不同荷載等級下鋼板和混凝土之間的脫粘規律如圖5所示:由圖5中可以看出，脫粘最先產生于混合裂縫的端部，這是因為該點存在著應力集中，導致該范圍內的鋼板和混凝土首先發生脫粘;隨著載荷的不斷增加，脫粘開始從混合裂縫向梁的端部延伸。與此同時，混合裂紋上端的混凝土也出現了開裂，隨著載荷的增加，混凝土裂縫逐漸向加載點擴展。進一步觀察可發現鋼板和混凝土的脫粘僅發生在裂縫和梁的端部，而在裂紋和加載點之間的部分，并沒有發生脫粘現象。這是因為在梁的端部和混凝土裂縫之間部分，粘結層上面的正應力是拉應力，這種拉應力的存在，加速了界面脫粘現象;而在裂紋和加載點之間的部分，界面上的正應力為壓應力，該壓應力并不能對脫粘起到推動作用，因此，脫粘僅發生在裂縫和梁端之間的部分(見圖6)。

圖5 脫粘發展過程

圖6 界面正應力分布

3 結語

采用數值計算的方法，對混合裂紋引起的鋼板加固混凝土梁的脫粘過程進行了分析研究。計算結果表明，脫粘產生于混合裂紋的端部，隨著荷載不斷增加而向梁的端部擴展，同時在混凝土中，裂紋也從原來的位置向加載點擴展;由于界面存在壓縮正應力，因此在加載點和預制裂紋之間，沒有脫粘發生;數值計算結果和試驗結果基本吻合。

[1] 朱萬成，張娟霞，唐春安．FRP加固混凝土構件中裂紋擴展規律的數值模擬[J］．建筑材料學報，2007，10(1):83-88．

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