GFRP 板條嵌入式加固混凝土梁界面黏結強度影響因素研究

郭靳時 宋志昂

吉林建筑大學（130118）

0 引言

目前國內外對GFRP 的開發應用均十分重視，相應的國家和行業規范及技術標準也陸續出臺。雖然GFRP 不能大面積地替代傳統鋼材和混凝土材料，但它作為一種高性能材料，必將成為傳統結構材料的重要補充。同時，GFRP 為結構工程的發展開辟了新的道路，對社會經濟效益的提高也起到了不容忽視的作用。GFRP 是一種高性能新型結構材料，作為強化塑料的補強材料應用時，其最大的特征是抗拉強度大、伸長小，溫度達到300 ℃時對強度沒影響，并且彈性系數高、剛性佳，彈性限度內伸長量大且拉伸強度高，故能吸收大的沖擊能量[1-3]。

1 模型構件設計

1.1 模擬所用材料部件

1）混凝土梁。為了更好地發現混凝土強度對粘貼效應產生的影響，本次模擬試驗采用不同強度等級的混凝土梁，詳細參數見表1。

表1 不同強度等級的混凝土梁各項參數

2）GFRP 板材。本次模擬試驗采用海寧安捷復合材料公司生產的GFRP 板條，其詳細參數見表2。

表2 GFRP 板條各項參數

3）環氧樹脂膠。本次模擬試驗采用的環氧樹脂膠是西卡（中國）有限公司生產的 Sikadur-30 CN，其材料性能見表3。

表3 GFRP 板條材料性能各項參數

1.2 模擬方案

為了能夠得出直觀數據，此次模擬試驗設定三個變量:

1）混凝土的強度等級（C30，C40）。

2）粘貼長度（700 mm，800 mm，900 mm，1 000 mm，1 100 mm）。

3）GFRP 板條數量，共 3 條。

不同的混凝土等級對應不同的粘貼長度，不同的粘貼長度對應不同的板條數量，采用靜力加載的方式對每根梁進行加載。

1.3 加載方法

通過abaqus 軟件建立梁的模型。為了更接近與真實，在墊塊與梁之間設置約束效應，并且把梁上端兩個墊塊設置為一個耦合點RP1。對耦合點施加荷載，把力均勻地分配在兩個墊塊上，以防止因受力不均而產生滑移，進而影響結果的準確性。采用普通靜力加載方法，位移加載曲線如圖1 所示。

圖1 靜力作用下位移加載曲線

圖2 混凝土梁加載實體模型和可視化模型

2 影響界面強度的因素

2.1 混凝土強度等級

在模擬實驗中，主要受力部件是混凝土梁，它承擔著主要的荷載。梁自身破損以后，構件的承載能力會急劇下降，所以混凝土自身的強度在加固中還是起著主導作用。根據模擬分析，在粘貼長度、粘貼寬度和膠層厚度不變的情況下，C40 混凝土的承載能力要比C30 混凝土的承載能力平均提高3 kN左右。可以看出，隨著混凝土強度的增加，界面承載能力也隨之增加，所以在不違背“強柱弱梁”設計原則的基礎上，應盡量提高混凝土的強度等級[4-6]。

2.2 粘貼寬度

表4 板條數量不同情況下混凝土梁的各項參數

圖3 靜力作用下位移—荷載曲線

通過軟件模擬出的數值，可以直觀地看出:當荷載在0～48 kN 時加固效果不是很明顯；當荷載在48～250 kN 時，隨著 GFRP 板條寬度的增加，加固效果越來越明顯；當荷載加至250 kN 后，未加固的梁退出工作，這時GFRP 板條承擔全部荷載。由此得出結論:當混凝土等級、膠層厚度、GFRP 板材與混凝土的粘貼長度一定時，隨著板條寬度的增加，梁的承載能力逐漸提升，對梁的加固效果影響顯著[7]。

2.3 粘貼長度

在加固混凝土梁的時候，GFRP 與混凝土梁之間的粘貼長度也起著主要作用。當達到極限承載力時，混凝土就會退出工作，此時GFRP 薄板將承擔所有外部荷載。增加粘貼長度相當于增大了GFRP與梁的接觸面積，當粘貼長度增大到一定數值時，加固效果反而不是很明顯，所以控制好粘結長度也是提高混凝土梁承載力的關鍵因素[8]。

3 結論

綜上所述，混凝土強度、粘貼長度和GFRP 板條的寬度是影響GFRP 加固梁加固效果的關鍵因素，而膠層厚度和粘貼寬度的影響較小，對這些因素可以有針對性地加以控制。今后還應該對加固場地環境及二次受力的影響進行深入研究，發現其之間的規律，找出制衡點，以獲取更好的加固效果。