FRP加固混凝土構件的剝離性能研究綜述

李 璐 黃麗華

(大連理工大學，遼寧 大連 116023)

FRP加固混凝土構件的剝離性能研究綜述

李 璐 黃麗華

(大連理工大學，遼寧 大連 116023)

通過建立帶裂縫的混凝土加固梁新模型，根據混凝土的開裂程度，分析了裂縫周圍混凝土與FRP界面滑移量，探討了裂縫附近FRP應變，從而得到了混凝土開裂對界面剝離破壞的影響，以供參考。

加固，混凝土構件，剝離性能

1 概述

纖維增強復合材料(FRP)自20世紀80年代起，逐漸開始在土木工程施工中得到廣泛應用。FRP是由高性能纖維經過編織與環氧樹脂等基材膠合凝固或經過高溫固化而成的一種新型復合材料。其具有輕質、耐久性能及力學性能好等特點，在加固混凝土結構中代替傳統加固方法，更好地完成加固施工工作。隨著研究的深入，眾多文獻表明[1-3]，大量FRP加固混凝土的構件破壞往往是由于FRP與混凝土的剝離產生的。界面剝離破壞屬于脆性破壞，破壞時FRP與混凝土均未能發揮到極限水平，造成材料的浪費，并且由于其破壞前沒有明顯特征，也使得結構可靠性降低。為此，大量學者對FRP與混凝土之間的粘結性能進行了理論與試驗研究，提出了較為全面的結論。

2 界面粘結性能數值分析研究現狀

Hugo C.Biscaia等人[4]分別對線性和非線性粘結滑移關系下的FRP—混凝土界面的剝離過程進行數值模擬與理論分析。該數值模擬方法運用了Finite Difference Method和Newton-Raphson Method，可成功對多個非線性粘結滑移關系進行計算，對剝離過程進行預測。通過不同分析模型得到傳遞到FRP板上最大荷載表達式見表1。

表1 Fmax表達式

數值模擬結果證實，Fmax不受粘結滑移曲線影響，但與FRP剛度與斷裂能存在一定關系，近似隨著參數的平方根變化。FRP有效粘結長度與FRP剛度有關，同時粘結滑移關系也與FRP和混凝土材料性能有關，這方面因素也同樣對有限粘結長度造成影響。

陸新征等人[5]采用尺寸在0.25 mm～0.5 mm的單元來模擬混凝土與FRP，兩者之間未設粘結滑移單元，而是以混凝土單元開裂來模擬界面剝離。數值模擬結果顯示，界面粘結滑移與發生的位置有關，當位于遠離裂縫區域時，粘結滑移關系類似于面內剪切模型，而當在裂縫處，當達到極限粘結強度，剝離即會發生，并且粘結強度直接降為零。

R.Kalfat等人[6]利用ATENA3D軟件，對FRP單向與雙向錨固混凝土構件進行數值模擬，其結果符合試驗數據。數值模擬發現，雙向錨固構件顯著提高了FRP與混凝土粘結處的強度與延性，失效荷載可提高93%～109%，并且發現在剝離之前，混凝土等級與FRP片材最大應變之間近似呈線性關系。筆者的模型具體如圖1所示。

Ahmed M.Sayed等人[7]分別從梁寬、混凝土強度、剪切跨高比、FRP厚度及粘貼形式(U形錨固、全梁錨固)因素的考慮對55個樣本進行數值模擬，對梁的極限抗剪力進行計算，得到可靠的計算結果。側面粘貼、U形錨固、全梁粘貼FRP形式得到的結果精確度可以達到0.96，0.95和0.95，該模型如圖2所示。

3 界面粘結性能理論研究現狀

為了更準確地預測FRP與混凝土之間因粘結滑移而造成的剝離破壞，各國學者分別根據彈性力學、斷裂力學、損傷力學等經典力學理論推導FRP與混凝土界面的粘結滑移關系，提出影響其粘結滑移的主要因素。

Hong Yuan等人[8]以非線性斷裂力學為基礎推導出界面剪應力及正應力分布，并提出不同有效粘結長度和FRP剛度對荷載位移曲線及FRP界面應力的影響。通過兩種粘結滑移模型——線性模型和指數模型來進行FRP加固混凝土單剪試件的計算，并比較了兩種不同模型帶來的相似及不同之處。

Yufei Wu等人[9]通過628個剪切試驗建立新的理論計算模型，認為影響粘結長度的FRP寬度函數不應只有寬度比一個參數，混凝土強度同樣影響寬度函數的計算，加入混凝土強度這一參數之后結果將更加精確。

王文煒等人[10]提出了FRP端部應力分析的方法及過程，并給出FRP與加固梁界面之間的粘結剪應力和剝離正應力公式，通過計算公式及破壞準則確定剝離荷載。需指出該法忽略了混凝土的裂縫影響并假設材料處于彈性變形階段，簡化了混凝土應變的計算，通過求得中和軸高度及材料力學正應力公式得到混凝土應變值；另假設各材料的切應力在寬度、厚度方向上是無變化的。

滕錦光等學者[11]利用經典力學對外貼FRP布的簡支梁的界面應力進行推導，該法同樣認為各材料是彈性的，并且假設層間無滑移。該法通過經典梁理論直接提出界面應力的公式，系數除材料參數以外，僅有傅里葉公式中的數學參數。根據對稱荷載和反對稱荷載的形式進行不同邊界條件的確定，得到規定荷載模式下的公式，經過疊加可應用于任意荷載形式，經數值模擬驗證吻合性較好。但由該法提出的公式系數繁多，計算較為不便，并且不能表達界面粘結剪應力和剝離正應力在產生滑移后的變化。

對于粘結滑移的直接表達形式，亦有學者根據不同的理論基礎提出粘結滑移公式。

H.Adbel.Baky等人[12]在微觀力學及有限元的基礎上提出局部非線性粘結滑移關系，并用ANDIA程序及試驗得到的數據進行比較驗證，得到一個較精確的公式：

JianguoDai，Ueda等人[13]通過試驗對比利用簡單方法得到粘結滑移關系，該表達式僅需要界面斷裂能和界面延展性指數兩個參數，表達式如下：

τ=2BGf(exp(-Bs)-exp(-2Bs))。

4 結語

本文對FRP與混凝土間的剝離破壞中粘結滑移的研究成果進行了概括，目前在理論計算方面已提出大量算法，但仍然不能統一計算提出一個適用于大多數構件的公式，在進行剝離破壞計算時，由于粘結滑移關系的選取不同，使計算結果有時會發生很大的差異。于工程應用而言，復雜的粘結滑移關系使計算量增大很多，而只有進行正確地簡化分析才能保證工程計算的精度，因此粘結滑移及界面剝離最大荷載的計算需盡快建立統一公式，使計算規范化。

對于FRP加固混凝土構件的數值計算分析，大多模型并不能考慮構件本身帶有初始損傷的計算，然而混凝土裂縫是引發FRP剝離的主要因素。這一結論已被大量試驗所證實，然而相應的數值計算分析尚不多見，目前的數值計算模型中均忽略了混凝土開裂及裂縫擴展對FRP應力、應變的影響，從而無法實現裂縫引發FRP剝離破壞的數值計算分析。為此，有必要研究建立帶裂縫的混凝土加固梁新模型，根據混凝土的開裂程度，分析裂縫周圍混凝土與FRP界面滑移量，以及裂縫附近FRP應變，從而得到混凝土開裂對界面剝離破壞的影響。

希望本文的介紹可以對FRP加固混凝土結構的進一步研究提供有利的信息。

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[13] Jianguo Dai,Tamon Ueda,Yasuhiko Sato.Development of the Nonlinear Bond Stress-Slip Model of Fiber Reinforced Plastics Sheet-Concrete Interfaces with a Simple Method[J].Journal of composites for construction,2005(9):52-62.

Outline on peeling properties of FRP reinforcing concrete members

LI Lu HUANG Li-hua

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

Through establishing cracking concrete bridge types, according to concrete cracking degree, the thesis analyzes the slippage of cracking concrete and FRP interface, explores FRP stress nearby cracks, and finds out the impact of concrete cracking upon the interface slippage damage, so as to provide some guidance.

reinforcement, concrete member, peeling properties

1009-6825(2014)22-0030-02

2014-05-13

李 璐(1988- )，女，在讀碩士； 黃麗華(1967- )，女，副教授

TU375

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