預應力混雜C/G纖維布加固梁的受力性能研究*

方太云，汪　鋒，張　劍，楊朝輝，朱金華

(1.江蘇省交通運輸廳工程質量監督局，江蘇 南京 210001；2.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；4.浙江交工高等級公路養護有限公司，浙江 杭州 310019)

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預應力混雜C/G纖維布加固梁的受力性能研究*

方太云1，汪鋒2，張劍3，楊朝輝4，朱金華3

(1.江蘇省交通運輸廳工程質量監督局，江蘇 南京 210001；2.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；4.浙江交工高等級公路養護有限公司，浙江 杭州 310019)

摘要：對于混凝土梁和預應力混雜C/G纖維布分別采用非線性組合單元和層殼單元模擬，采用Owen屈服準則和Hinton壓碎準則等描述了混凝土非線性特性，同時實現了混雜C/G纖維布空間預應力效應，編制了加固體系的三維非線性有限元計算程序。結果表明，預應力水平是影響預應力混雜C/G纖維布加固結構力學性能的主要因素，提出的確定預應力混雜C/G纖維布力學性能的理論方法和計算模型正確。研究結論可供工程加固設計參考。

關鍵詞：預應力混雜C/G纖維布；混凝土梁；非線性；有限元

FRP布加固技術在實際工程中已有一定的應用，但基本上采用被動粘貼非預應力FRP布(板)。橋梁自重往往占全部荷載作用的很大比例，被動粘貼FRP僅用于抵抗活載作用，在受彎構件上應用效果并不令人滿意[1-2]，因此，采用粘貼預應力FRP布的加固無疑優于非預應力FRP布的粘貼法。FRP布可以在粘貼到結構之前用合適的張拉機具預拉到一定的應力，這種主動的加固技術可以更有效地利用FRP材料，充分發揮其高抗拉強度的特點，能夠全方位地解決上述問題。與粘貼非預應力FRP布的研究相比，粘結預應力FRP布加固混凝土梁的研究與應用近幾年才出現[3-4]。正如傳統的預應力結構一樣，初始預應力可用來平衡結構的自重和部分荷載，推遲裂縫的開展，減小裂縫的寬度和結構的撓度，緩解受拉鋼筋的應力及提高混凝土梁的極限承載能力[5]。

將2種纖維混雜在一起共同工作可表現出優于其單一纖維的力學性能， 且并不是單一材料的簡單疊加。其原因在于：2種纖維混合使用時，高延伸性纖維可承受由于低延伸性纖維斷裂而引起的額外荷載，從而延緩從微觀到宏觀的破壞過程，使混雜纖維的平均斷裂應變明顯提高；而低延性的纖維在斷裂后，還能以短纖維的形式與高延性的纖維共同工作，直到所有纖維陸續斷裂完為止。

為敘述方便，碳纖維、碳-玻1∶1、碳-玻1∶2、碳-玻1∶3、碳-玻2∶1、碳-玻3∶1和玻璃纖維分別簡記為C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G。

本文建立預應力混雜C/G纖維布加固混凝土梁非線性力學模型，對加固結構進行計算分析。

1預應力混雜C/G纖維布加固梁的力學模型

混凝土梁采用實體退化單元模擬(見圖1)，單元的中面控制節點9個，用于描述退化單元的信息較相應體單元明顯減少。混凝土梁中混凝土、箍筋和構造鋼筋可采用層單元模擬。對于縱向受力鋼筋(主筋)，用層單元模擬過于近似，本文研究用組合單元模擬。

圖1　相應的退化殼單元描述

退化9節點單元的節點位移為：

δi=(uiviwiβ1iβ2i)T

(1)

式中，(uiviwi)是整體坐標系下節點i的線位移；(β1iβ2i)是節點i在其節點坐標系中的轉角位移。位移場通過形函數插值可表示為：

(2)

(3)

(4)

結構加固中，混雜C/G纖維布厚度較小，單層厚度一般為0.15～0.25mm。故對于混雜C/G纖維布采用殼單元進行處理，并采用初應力等效荷載方法，實現混雜C/G纖維布的空間預應力效應。不考慮界面粘結滑移效應，即混雜纖維布與混凝土梁體單元采用共節點處理。

2預應力混雜C/G纖維布加固梁的材料模型

2.1混凝土屈服模型

本文采用Owen三軸屈服準則，表達式為：

(5)

式中，I1是應力張量第一不變量；J2是應力偏量第二不變量；σ0是等效應力，取為單軸抗壓強度fc；α、β是材料參數。由式1，根據單軸抗壓試驗和雙軸等壓試驗標定：

(6)

式中，t=fcc/fc，fcc是雙向抗壓強度。

2.2混凝土壓碎模型

混凝土壓碎由應變控制，Hinton壓碎模型為：

(7)

鋼筋采用二折線彈塑性模型，其中彈塑性模量是鋼筋彈性模量的1%，在混雜C/G纖維布破斷之前是完全彈性。根據試驗, 混雜C/G纖維布的極限強度為2 956.3MPa，即認為混雜C/G纖維布達到相應極限強度破斷后其強度完全消失。

3非線性收斂準則

本文綜合采用等剛度法和切線剛度法，即在各增量步的第1次迭代時采用切線剛度法，各增量步內的其余迭代計算采用等剛度法。采用位移收斂準則，取

(8)

式中，δi是第i增量步的非線性方程組迭代時的收斂解，即混雜C/G纖維布加固混凝土梁第i增量步整體位移向量；δi+1是第i+1增量步的非線性方程組迭代時的收斂解；ε是收斂容差，取值為2.5%。

4程序研制和計算分析

4.1試驗資料

加固梁尺寸為150mm×250mm×2 800mm，縱筋為2φ14，箍筋為φ8@150，對稱配筋，保護層厚度為25mm。加固所選用纖維布厚度為0.23mm。試驗梁的截面尺寸及配筋如圖2所示。根據不同配比C/G混雜纖維性能，并進行綜合比較后，選擇C、CG11等7種混雜纖維(見表1)作為理論分析所選取的纖維布材料，基于強度和延性雙重指標計算分析預應力混雜C/G纖維布的最優混雜比。

表1　不同配比的C/G混雜纖維的性能

4.2有限元模型和計算結果

采用非線性組合單元和層殼單元建立混雜C/G纖維布加固混凝土梁計算模型，共有120個單元，533個節點，其中預應力混雜C/G纖維布層殼單元20個，其余為混凝土梁單元，全過程分析中每個加載點每級加載3kN。混凝土強度級別為C25，纖維布預應力度為0.1，進行了全過程計算分析。荷載撓度曲線如圖3所示，纖維布應力發展曲線如圖4所示。

圖2　試驗梁截面尺寸及配筋圖

圖3　混雜纖維布加固梁的荷載撓度曲線

圖4　混雜纖維布加固梁的纖維布應力發展曲線

由圖3、圖4分析可知，不同的纖維布加固混凝土梁的荷載撓度曲線和纖維布應力發展曲線具有規則的變化規律；加載初期，跨中撓度和纖維布應力發展較為平緩，達到屈服荷載后，跨中撓度和纖維布應力均發展迅速直至結構破壞。所得規律證明了本文建立理論分析模型的正確性。

5結語

通過對7種混雜纖維進行加固混凝土梁全過程分析可知，預應力GFRP纖維布加固的特征荷載值均較低，不適合做加固，預應力CFRP布加固的特征荷載值雖有提高，但與混雜纖維相比，其開裂荷載提高較小，且延性指標普遍下降；因此，將CFRP布與GFRP布混雜后，能充分發揮各自的優勢。

參考文獻

[1] 喻林, 蔣林華, 儲洪強. 混雜纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[J]. 建筑材料學報, 2006, 9(3):274-278.

[2] 周英武, 王蘇巖, 李宏男.CFRP加固高強鋼筋混凝土梁抗剪承載力計算[J]. 大連理工大學學報，2009，49(2): 239-245.

[3] 謝志紅, 鄧軍, 莫曉東. 碳/芳綸混雜纖維布加固混凝土梁抗彎試驗研究[J]. 中外公路, 2008, 28(1): 57-60.

[4] 王冬英. 預應力HFRP混雜加固RC梁跨中撓度分析[J]. 低溫建筑技術, 2009(3): 30-32.

[5] 姚諫, 朱曉旭, 周延陽. 混凝土表層嵌貼CFRP板條的黏結承載力[J]. 浙江大學學報：工學版, 2008, 42(1): 34-38.

* 交通運輸部建設科技項目(2013 318J19 590)

江蘇揚子大橋股份有限公司資助項目(GCJS2014-37)

責任編輯彭光宇

Mechanical Properties of Beam Reinforced with Hybrid C/G Sheet

FANG Taiyun1， WANG Feng2， ZHANG Jian3， YANG Chaohui4， ZHU Jinhua3

(1.Quanlity Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province， Nanjing 210001， China；2.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd.， Nanjing 214521， China；3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；4.Zhejiang Jiaotong Advace-grade Highway Maintenance Co., Ltd.，Hangzhou 310019， China)

Abstract：Nonlinear combination element and the shell element are respectively utilized to simulate concrete beam and prestressed hybrid fiber. Besides, the characteres of nonlinear concrete are described by the Owen yield criterion and the Hinton crush criterion. Meanwhile, the three-dimensional prestressing effects of this composite materials and nonlinear finite element computer program of reinforcing system have been realized. The results show that the most reasonable prestress degree is one of the major factors to impact its mechanical properties, which have been strengthened by the prestressed hybrid fiber C/G. And theoretical method and calculation model that determines the mechanical performance of prestressed hybrid fiber in this paper are reasonable and reliable. The research conclusions can be used as a reference in practice engineering design or reinforce.

Key words:prestressed hybrid C/G fiber， concrete beam， nonlinearity， finite element

收稿日期：2015-06-15

作者簡介：方太云(1971-)，男，高級工程師，主要從事結構工程等方面的研究。

中圖分類號：TB 332

文獻標志碼:A