預應力CFRP/GFRP纖維加固梁的延性性能研究*

張　劍，江　雷，殷王華

(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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預應力CFRP/GFRP纖維加固梁的延性性能研究*

張劍，江雷，殷王華

(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

摘要：碳纖維具有高強度、高彈性模量和延性較差的特點，玻璃纖維相對于碳纖維可起到互補作用，采用預應力碳纖維/玻璃纖維(CFRP/GFRP)加固混凝土梁是一項新的加固技術。基于分層單元理論，建立了加固混凝土梁的計算模型，分析了加固后混凝土梁在荷載作用下三分點加載全過程數據，對比分析了加固梁的屈服荷載、極限荷載、變形和延性性能開展情況，研究了不同混雜纖維配比等對加固梁延性性能的影響。結果表明，將CFRP與GFRP混雜后能充分發揮各自的優勢，且能提高預應力纖維加固梁的特征荷載。

關鍵詞：預應力；CFRP/GFRP纖維；延性性能；有限元

碳纖維(CFRP)具有較高的抗拉強度和彈性模量；但延伸率相對較低，價格相對昂貴[1]。在常用的纖維增強復合材料中，玻璃纖維(GFRP)的抗拉強度和彈性模量較低；但延伸率相對較大，可達到2.0%～3.0%，其耐高溫性能好，耐酸、堿，吸濕性低，價格相對便宜，這對于CFRP來說正起到互補作用，且GFRP材料適合于土木工程結構加固，易于與CFRP材料的混雜編織[2]。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，而并不是單一材料的簡單疊加[3-4]。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，直到纖維陸續斷裂。

本文對預應力CFRP/GFRP布加固混凝土梁建立分層單元的有限元模型，對于不同的混雜比研究屈服荷載、極限荷載和撓度等結構響應，并對延性性能進行分析。

1分層單元理論

預應力CFRP/GFRP布加固混凝土梁，其由CFRP/GFRP布、鋼筋和混凝土等3類材料組成，其材料性能和應力是分層單元ζ坐標的不連續函數。而混凝土屈服、開裂、鋼筋屈服和結構大變形響應所具有的非線性特性需用到沿殼厚方向的積分表達。利用分層法簡潔而有效地解決了此問題，將不連續函數的積分問題劃為有限項級數求和問題，且能保證工程精度。沿ζ方向的分層單元模型如圖1所示。

圖1　分層單元模型

2配筋梁及纖維材料

根據鋼筋混凝土梁的構造要求，鋼筋混凝土梁尺寸為150 mm×250 mm×2 800 mm。對稱配筋，縱筋為2φ14，箍筋為φ8@150，混凝土保護層厚度為25 mm。截面配筋如圖2所示，詳細資料見于文獻[5]。

圖2　加固梁截面配筋圖

加固所選用纖維布厚度為0.23 mm。不同配比的CFRP/GFRP混雜纖維性能見表1。對強度、延伸率和價格等因素進行綜合比較后，選擇7種混雜纖維作為理論分析所用纖維布材料。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。

表1　不同配比的CFRP/GFRP纖維性能

3加固梁的力學性能分析

針對混凝土強度級別C20，纖維布類型(C、CG11、CG12、CG13、CG21、CG31和G)，以預應力度分別為0和0.4進行分析(見表2和表3)，采用三分點加載并通過程序提取開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和梁體撓度發展數據，實現了從強度、剛度和延性角度評價加固效果的數據量化分析。

表2　未施加預應力的纖維布加固梁的特征指標

表3　預應力度為0.4的纖維布加固梁的特征指標

由表2和表3分析可知，預應力GFRP纖維布加固的特征荷載值均較低，因此，利用預應力GFRP纖維布加固不合適；預應力CFRP布加固的特征荷載值有提高，與混雜纖維相比開裂荷載提高較小，剩余強度過大。將CFRP布與GFRP布混雜后，能充分發揮各自的優勢。

4結語

將CFRP布與GFRP布混雜后，能充分發揮各自的優勢。與未加固梁相比，粘貼纖維布加固梁的承載能力均有提高；與未施加預應力的纖維布加固梁相比，預應力纖維布加固梁的開裂荷載等均有提高，因此，預應力纖維布加固方法對于舊橋加固而言為有效的主動加固方式。

參考文獻

[1] 鄧宗才. 碳纖維布增強鋼筋混凝土梁抗彎力學性能研究[J]. 中國公路學報, 2001, 14(2): 45-51.

[2] 董福興. 鋼筋混凝土結構腐蝕疲勞研究現狀與發展[J]. 山西建筑，2007, 33(7): 95-96.

[3] 王海超. 鋼筋混凝土構件腐蝕疲勞試驗研究與理論分析[D]. 大連：大連理工大學，2004.

[4] 韋全余，歐世坤，朱金華，等.預應力混雜CFRP/GFRP纖維布加固橋梁結構的工程應用與評估[J].新技術新工藝，2014(9)：46-51.

[5] 艾軍, 張劍.預應力混雜CFRP/GFRP纖維布在混凝土橋梁加固中的關鍵技術研究[R]. 南京：南京航空航天大學, 2013.

* 國家自然科學基金資助項目(11232007)

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130787)

南京航空航天大學青年科技創新基金資助項目(NS2014003)

責任編輯馬彤

Ductility Performance of Beams Strengthened with Prestressed CFRP/GFRP Sheets

ZHANG Jian， JIANG Lei， YIN Wanghua

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Carbon fiber has high tensile strength and modulus of elasticity, but the ductility of the carbon fiber is poor. Relative to the carbon fibers, glass fiber plays a complementary role. It is a new reinforcement technique to reinforce concrete beams by prestressed CFRP/GFRP. Based on the theory of hierarchical units, a calculation model of reinforced concrete beam is established for the prestressed strengthened beams in CFRP/GFRP. The overall dates of the concrete beam under loads at three dividing point are analyzed. The comparative analysis of yield load, ultimate load, deformation and ductility performance has been worked out and the influence of ductility performance of reinforced beam has been researched in many factors such as the different ratio of hybrid fiber. The results show that when CFRP and GFRP are mixed, the property and the characteristic loads can both be improved.

Key words:prestress, CFRP/GFRP sheet, ductility performance, finite element

中圖分類號：U 441

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-11-24

作者簡介：張劍(1978-)，男，博士，副教授，主要從事結構工程等方面的研究。