玻璃纖維格柵加固RC梁受彎破壞數值模擬

張耀文，王偉峰，郭星辰

(新疆大學，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

鋼筋混凝土梁是由鋼筋與混凝土組合在一起的承重構件，在橋梁、房屋建筑等方面應用極為廣泛。其原因是鋼筋的抗拉能力與混凝土的抗壓能力均可得到充分發揮，共同提高梁的受彎承載力。近年來，我國地震頻發，致使許多靠近地震中心的房屋梁板存在年久失修的安全隱患，隨著新型玻璃纖維復合材料（GFRP）的發展與人們對其認知程度的提高，GFRP 在工程加固方面［1-4］優勢較為突出。本文基于有限元軟件ABAQUS 通過GFRP 加固適筋梁抗彎模擬試驗分析其破壞模式、荷載位移曲線、承載力及延性，為今后工程加固提供相關指導。

1 試驗設計及模型建立

根據文獻［5-6］，梁截面尺寸b×h 為300mm×200mm，梁長度為2500mm，混凝土強度為C30級，梁內置的鋼筋選取HRB400 級，混凝土保護層厚度為25mm，根據RC 梁配筋相關計算得出鋼筋配置方式，梁內箍筋間距150mm，鋼筋直徑為8mm，適筋梁受拉鋼筋直徑為20mm，架立筋為8mm。梁尺寸及配筋方式見圖1，圖2 為GFRP 粘結方式，GFRP 相關參數見表1。

圖1 梁尺寸以配筋方式圖

圖2 GFRP粘結方式

表1 GFRP相關參數

運用ABAQUS 有限元分析軟件對加固與未加固RC 梁的破壞模式及荷載位移曲線對比分析。混凝土采用內置的混凝土塑性損傷模型，混凝土本構曲線依照《混凝土結構設計規范》GB50010-2010［6］中提出的曲線，受壓及受拉本構曲線見圖3a、圖3b。混凝土采用三維八節點實體單元，能夠更加直觀了解裂縫發展情況及梁整體破壞規律。鋼筋采用HRB440 級，單元選取桁架單元，賦予截面尺寸，鋼筋本構［7］曲線見圖3c。GFRP 選擇理想彈塑性模型［8］，單元選擇具有一定厚度的殼，本構曲線見圖3d。由于進行梁的兩點受彎試驗，為忽略墊板的變形，給到墊板足夠大彈性模量［9］。混凝土塑性相關參數見表2。

混凝土與墊板之間接觸設定為綁定，鋼筋籠內嵌入混凝土中，GFRP 綁定在混凝土底面。支座以簡支方式支撐梁，墊板各表面設置耦合點。Rp3 約束U1=U2=0，UR1=UR2=UR3=0，RP4 約束U1=U2=0，UR1=UR=0。在上墊板外表面施加豎向荷載，網格劃分見圖4所示。

表2 混凝土塑性參數

圖3 材料本構曲線

圖4 網格劃分

2 模型試驗結果分析

2.1 破壞模式

分別對加固與未加固RC 梁進行兩點受彎模擬試驗。基于ABAQUS 輸出PEEQ 與PEEQT 對構件裂縫情況進行分析評估，詳見圖5 與圖6。圖7 為加固與未加固RC 梁的Mise 應力云圖。由PEEQT 與PEEQ 云圖來看。加固后受拉區混凝土的開裂范圍略有增加且先前已出現裂縫的位置裂縫發展更加充分，受壓區混凝土被壓碎的區域也略有擴大。從應力云圖上看，二者都形成了“弓”型的受壓應力區段，相比較而言，加固后的RC 梁混凝土壓應力發展的更加充分。綜上，GFRP 加固RC 梁提高了構件耗能能力，一定程度上彌補了混凝土抗拉能力弱的缺點，使得梁具有更好的抗彎性能。

圖5 PEEQT云圖

圖6 PEEQ云圖

圖7 Mise應力云圖

2.2 荷載位移曲線

圖8 為未加固與加固RC 梁荷載位移曲線。由圖發現，加固與未加固梁破壞過程基本類似。初始階段，混凝土與鋼筋共同承受荷載，主要承力材料為混凝土，由于梁受拉區混凝土未開裂，此時GFRP格柵網上的應力很小。混凝土受拉出現裂縫后，鋼筋作為主要承力材料，GFRP 材料的抗拉性能隨著混凝土的持續開裂作用越來越明顯，加固梁的剛度退化速率相比于未加固來的說較為緩慢。未加固的到達峰值荷載后，曲線出現下降段，受壓區混凝土隨著荷載的持續增大被壓碎最后喪失承載力，加固RC 梁與未加固RC 梁基本保持一致，但由于加固后混凝土開裂，受拉區由GFRP 材料與鋼筋共同提供拉應力，梁內受拉耗能增大，延緩了受壓區混凝土過早被壓碎，所以加固RC 梁峰值荷載后曲線下降相對平緩。

圖8 試件荷載位移曲線

圖9 受拉區混凝土應力曲線

圖10 受拉區混凝土應變曲線

2.3 混凝土應力、應變與時間步關系

RC 適筋梁的破壞是由于受拉區混凝土率先被拉裂，之后鋼筋屈服，受壓區混凝土被壓碎。所以混凝土的應力與應變對于探討加固RC 梁力學性能尤為重要。圖9 與圖10 為受拉區混凝土應力、應變與時間步的關系。圖中曲線出現上下浮動是由于在設定混凝土損傷因子時引入一定拉伸恢復，使得混凝土具有一定抗開裂的能力，近似于實際情況。由應力曲線圖可知，加固梁與未加固梁鋼筋屈服時，混凝土上殘余拉應力分別為0.3MPa、0.35MPa，鋼筋強化后，混凝土拉應力變化速率相對較快，說明梁加固后，混凝土拉應力發揮更加充分。從應變曲線上看，鋼筋屈服后，加固RC 梁混凝土應變速率要比未加固的緩慢，極限應變值分別為0.015 與0.02，這是由于加固后，RC 梁受拉區混凝土受到鋼筋與GFRP 材料共同抗拉作用提高其抗開裂能力，使得裂縫發展緩，而且裂縫密而細，提高RC 梁的冗余度。

3 承載力及延性

表3為模擬試驗結果。從表中可以看出加固后梁無論是承載力及延性都得到一定程度提升，且峰值位移提高70.19%，延性系數相比提高了0.13，說明GFRP材料提升了梁的力學性能。

表3 計算結果

4 結論

本文基于ABAQUS 軟件進行GFRP 加固RC 梁抗彎模型試驗，分析其力學性能，得出如下結論。

（1）GFRP 材料加固后RC 梁受拉區混凝土裂縫發展密且裂縫寬度較小，說明加固對提升構件整體性有良好增益，受壓區混凝土被壓碎時間滯后，梁內的耗能能力增加，提高了梁抗彎冗余度。

（2）加固后梁的承載力及延性都得到一定提升，而且極限位移相比于未加固提高70.19%，延性提高較為明顯。