碳纖維格柵加固RC梁抗彎模型試驗(yàn)分析

張耀文 陳豪 黃俊瑋

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外地震頻發(fā)，我國(guó)作為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[1]為主導(dǎo)的建筑結(jié)構(gòu)大國(guó)，震后結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的損傷幾乎是不可逆的，尤其是以“強(qiáng)柱弱梁”[2-3]的梁上，在地震來(lái)臨時(shí)，跨中彎矩較大，裂縫產(chǎn)生的位置集中在跨中，為避免損傷集中出現(xiàn)在梁跨中，為梁構(gòu)件的提升一定安全性，提出在梁底部黏貼CFRP 格柵。以CFRP 格柵網(wǎng)格尺寸及厚度為控制變量，研究其加固后RC 梁整體破壞模式及力學(xué)性能的變化，提出最優(yōu)加固模式，為工程實(shí)踐提供相關(guān)指導(dǎo)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[4]設(shè)計(jì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁確定尺寸，梁長(zhǎng)為3000mm，截面尺寸為b×h=200mm×300mm，模型試驗(yàn)中有效計(jì)算跨度為2800mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，箍筋選用HRB335，普通鋼筋采用HRB400。下部受拉鋼筋為2Φ10，箍筋為B6@150，上部架立筋4Φ6，規(guī)范要求最小配筋率不小于0.15%，本文設(shè)計(jì)配筋率為1.14%，滿足規(guī)范要求。RC 梁截面尺寸圖與平面圖見圖1 與圖2。加固材料CFRP(碳纖維格柵)的材料相關(guān)材料屬性[5]見表1，加固方式采取將CFRP 格柵粘附在混凝土有效跨度之間。試件設(shè)計(jì)以變換CFRP格柵厚度和尺寸為變量，詳見表2。

圖1 RC梁平面圖

圖2 RC梁截面圖

表1 CFRP格柵網(wǎng)格

表2 試件設(shè)計(jì)

1.2 有限元模型建立

基于合理的單元選擇，本構(gòu)關(guān)系以及相互作用建立CFRP 格柵加固RC 梁的有限元模型，混凝土應(yīng)用ABAQUS 中內(nèi)置的混凝土塑性損傷模型，引入損傷因子能夠充分的表達(dá)出隨荷載增加后，混凝土內(nèi)部的損傷演化。混凝土依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010[4]提出的受拉及受壓本構(gòu)關(guān)系，曲線見圖3a 與圖3b。鋼筋與CFRP 格柵選用理想彈塑性模型[6]，鋼筋的彈性模量取2×105Mpa，泊松比為0.2。CFRP 格柵彈性模量為1.31×105Mpa，泊松比為0.2。本構(gòu)曲線見圖3c 與圖3d。為減少計(jì)算誤差，加載板與承壓板設(shè)為剛度極大的理想彈性材料[7]。

將承壓板與加載板綁定在RC 梁上，鋼筋籠內(nèi)置于混凝土中，CFRP 格柵網(wǎng)格綁定在RC 梁的下底面上，為保證計(jì)算模型過(guò)程中有良好的收斂性，模型試驗(yàn)采用位移控制，即分別在兩個(gè)加載板上部耦合點(diǎn)上同時(shí)施加位移荷載。

圖3 材料本構(gòu)曲線圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式-尺寸

通過(guò)變化CFRP 格柵尺寸分析其加固后對(duì)RC 梁破壞模式的影響。本文以PEMAG（等效塑性應(yīng)變）、DAMAGEC（受壓損傷）與DAMAGET（受拉損傷）云圖來(lái)模擬裂縫可能出現(xiàn)及延伸位置。不同CFRP尺寸格柵云圖見（圖4～圖7）。由DAMAGET 云圖中發(fā)現(xiàn)A3與A4 受拉損傷帶從純彎段擴(kuò)展至支座位置附近，損傷分布均勻。由PEMAG 云圖中得出最大塑性應(yīng)變分別為0.022 與0.024，塑性應(yīng)變區(qū)域基本維持在0.01 左右。說(shuō)明鋼筋與CFRP格柵加固區(qū)域的組合充分發(fā)揮抑制裂縫增大，起到防止脆性破壞的效果。受壓區(qū)損傷區(qū)域相比于A1 與A2 較為廣泛，表明CFRP 格柵加固后，增大RC 梁結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力與主拉應(yīng)力的比例。充分發(fā)揮混凝土抗壓能力，有效提高RC 梁抗彎承載力。對(duì)于A2 來(lái)說(shuō)，只在純彎段加固對(duì)并沒(méi)有使梁受拉區(qū)損傷分布均勻，相反，在梁加載點(diǎn)位置延梁底出現(xiàn)兩條明顯裂縫損傷帶，說(shuō)明加固后純彎段剛度得到明顯提升，梁受力后，損傷集中出現(xiàn)在梁最脆弱的受力點(diǎn)附近，受壓損傷區(qū)域程度較小。混凝土的抗壓能力發(fā)揮不充分。相對(duì)而言，未加固裂縫在跨中位置最大塑性應(yīng)變?yōu)?.05，其余由跨中向支座塑性應(yīng)變逐漸減小，受壓損傷程度相比于A3 與A4 較小。綜上，CFRP 格柵尺寸的變化對(duì)RC 梁的破壞模式影響較為顯著。

圖4 A1損傷云圖

圖5 A2損傷云圖

圖6 A3損傷云圖

圖7 A4損傷云圖

2.2 荷載位移曲線-尺寸

加固后的RC 梁與未加固的破壞階段基本一致。加載初期，主要由混凝土承擔(dān)荷載，荷載的持續(xù)增大致使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微損傷，表現(xiàn)出近似線彈性，隨著受拉區(qū)混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)力，梁底出現(xiàn)裂縫，受拉區(qū)鋼筋主導(dǎo)抵抗梁內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，RC 梁整體剛度有所削減，荷載持續(xù)增大，裂縫不斷擴(kuò)展，受拉鋼筋屈服并沒(méi)有使得受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)力，達(dá)到峰值荷載后，受壓區(qū)混凝土才逐漸被壓碎。相比于未加固RC 梁，受拉區(qū)混凝土拉裂后，承擔(dān)拉應(yīng)力的是CFRP 格柵與鋼筋，此階段梁的剛度得到提升，減小損傷，為承載力的提升做儲(chǔ)備，鋼筋屈服后，斜率的變化較為均衡，說(shuō)明加固維持梁內(nèi)拉壓應(yīng)力的平衡，更加充分地發(fā)揮了受壓區(qū)混凝土的抗壓能力與鋼筋的抗拉能力。相比較加固RC 梁來(lái)說(shuō)，A3與A4的加固效果更加顯著。在節(jié)省成本的基礎(chǔ)上，綜合破壞模式與承載能力來(lái)說(shuō)，推薦A3加固模式。

2.3 破壞模式-厚度

借助上述得到的最佳格柵尺寸以格柵網(wǎng)格的厚度為變量研究其對(duì)RC 梁破壞模式、承載力以及延性的影響。隨著CFRP 網(wǎng)格厚度的增加，受拉區(qū)混凝土的塑性應(yīng)變分布愈加均勻，受壓區(qū)損傷區(qū)域擴(kuò)大，損傷程度逐漸嚴(yán)重，說(shuō)明CFRP 格柵網(wǎng)厚度的增大對(duì)加固RC 梁破壞模式的改善有明顯效果，混凝土與鋼筋在梁中的作用都充分得到發(fā)揮。

2.4 CFRP格柵網(wǎng)格應(yīng)力云圖

隨著格柵厚度的增大，跨中CFRP 格柵網(wǎng)格最大應(yīng)力分別為2727Mpa、2037Mpa、1609Mpa 和1402Mpa，逐步減小，且CFRP 格柵受力范圍也逐步增大，說(shuō)明CFRP 網(wǎng)格厚度的增大有效利用加固網(wǎng)格尺寸，間接提高了CFRP 格柵網(wǎng)格抗拉能力，為RC 梁抗彎承載力提高有良好的貢獻(xiàn)。

2.5 荷載位移曲線-厚度

隨著格柵厚度的增大，RC 梁整體剛度得到提升，而且鋼筋屈服后斜率變化的越來(lái)越緩慢，說(shuō)明RC 梁內(nèi)整體的耗能能力得到提高。

3 承載力及延性

表3 為CFRP 格柵加固RC 梁抗彎計(jì)算結(jié)果。由表中可以發(fā)現(xiàn)CFRP 格柵網(wǎng)格尺寸增大，RC 梁的屈服荷載與屈服位移都得到提高，A3 與A4 兩種尺寸的CFRP 格柵網(wǎng)格相差不多，峰值荷載與峰值位移也基本一致，說(shuō)明格柵網(wǎng)格的增加并不一定會(huì)對(duì)RC 梁抗彎承載力有較好貢獻(xiàn)，合理的選取加固尺寸較為關(guān)鍵。以推薦A3 方案通過(guò)變換CFRP 格柵厚度加固RC梁，隨著CFRP格柵網(wǎng)格厚度的增大，無(wú)論承載力還是延性都得到了較為明顯的提升。

表3 CFRP格柵加固RC梁抗彎計(jì)算結(jié)果

4 小結(jié)

CFRP 格柵網(wǎng)格加固優(yōu)化了RC 梁正截面的破壞模式，充分發(fā)揮了鋼筋和混凝土各自優(yōu)勢(shì)屬性，增加RC梁正截面破壞的耗能能力。

通過(guò)變換CFRP 格柵網(wǎng)格的尺寸，在滿足破壞模式、承載力以及延性的基礎(chǔ)上，以節(jié)省成本為附加選出最優(yōu)加固方式A3。

以CFRP 格柵網(wǎng)格厚度為變量，通過(guò)RC 梁正截面抗彎破壞表明隨著CFRP 格柵網(wǎng)格厚度的增大。RC梁的破壞模式改善明顯，承載力及延性隨之提高。