单向分布碳纤维砼加固板温度裂缝分析

毕继红 任振国 逯 鹏 关 健

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072）

本文基于某桥梁挡风板上碳纤维混凝土加固板件现场观测，来分析碳纤维混凝土加固板的温度裂缝问题.由于混凝土材料的抗拉强度低、延性差等缺点，在温度变化的影响下极易开裂.为了解决这一问题，可以采用碳纤维增强混凝土（CFRC）.在普通混凝土中掺入碳纤维，碳纤维的良好的力学性能、韧性、延性、耐久性等，与混凝土的性能互补，使混凝土性能发生明显改善，和普通混凝土（OPC）相比，CFRC抗拉、抗剪、抗弯等强度均有很大提高，抗裂性、韧性等性质也有明显的提高［1－2］.国内外的学者对碳纤维的增强机理和CFRC的基本性能进行了大量的研究，但是主要集中在其力学性能方面，而对CFRC的热性能研究颇少，特别是对碳纤维混凝土加固构件与被加固构件之间的温差引起的温度裂缝的研究就更少了［3］.

钢筋混凝土桥梁由于温度梯度产生的温度应力越来越受到人们的重视，各国规范都规定了相应的温度梯度分布模式.主要有我国《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2004提出的双折线模式、新西兰桥梁规范NZBM－2003提出的5次幂函数模式以及我国《铁路桥涵设计规范》TB 10002.3－2005提出的指数函数模式等［4－6］.结构暴露在环境中，由于日照辐射或年温差的影响，会使结构产生温度应力，使得混凝土极易开裂.温度应力包括材料内部自相约束而产生的自应力和结构构件之间变形相互约束产生的次应力两部分［7］.

对于纤维混凝土的增强理论有两种基本理论，一种是复合力学理论，一种是基于断裂力学的纤维间距理论.复合力学理论是将纤维混凝土看作纤维和混凝土两相复合材料，其性能为纤维和混凝土的加和值.纤维间距理论是在线弹性断裂力学的基础上，引入纤维混凝土中纤维的平均间距，来确定纤维混凝土复合材料的抗拉强度［8］.

本文对挡风板和碳纤维加固（CFRP）板设定不同的温升值，采用FINAL有限元软件来分析温差对加固板开裂的影响，并对正交分布碳纤维加固板和不同厚度的碳纤维混凝土加固板进行了分析，得出碳纤维配向和碳纤维加固板厚度对碳纤维加固板开裂的影响规律.

1 工程概况

本文项目为某铁路桥梁，桥梁左右两侧通长设有1 700mm高的挡风板，沿挡风板全长在靠近车道一侧连续设置碳纤维加固板加固，碳纤维加固板的基体为混凝土材料.用螺栓将碳纤维加固板固定在挡风板上，并且碳纤维加固板与挡风板之间用一层有机胶粘剂粘合.

在自然条件下经过一年的时间，纤维混凝土加固板出现了非常明显的开裂现象，裂缝基本分布在每块加固板的两列螺栓之间的区域，并且裂缝基本均为竖向裂缝，裂缝分布示意图如图1所示.

初步分析，由于挡风板与碳纤维加固板之间的温差作用，两者产生相对变形，当碳纤维加固板的拉应变超过基体极限拉应变时，裂缝产生.因为碳纤维加固板沿竖向单向掺入碳纤维，碳纤维主要对基体横向裂缝开展有阻碍作用，所以产生竖向裂缝［9－10］.

图1 碳纤维加固板裂缝示意图

2 模型建立

2.1 几何尺寸

桥梁挡风板为厚200mm，高1 700mm沿桥梁全长的钢筋混凝土结构，桥梁长度方向，每隔一定长度设置一条贯穿桥梁横截面的伸缩缝.碳纤维加固板厚度6mm，高1 700mm，宽900mm，沿挡风板长度方向连续拼接，建模时碳纤维加固板拼接处留出1mm的缝隙.伸缩缝处三块加固板长度范围内的几何尺寸如图2所示.

图2 局部结构尺寸

2.2 材料属性

碳纤维沿板的高度方向单向配置，体积率为0.5%.主要材料参数见表1.

表1 材料主要性能参数

2.3 单元选取

挡风板选用8节点六面体单元，在x、y、z3个方向以配筋率的形式输入钢筋；碳纤维加固板使用4节点四边形板单元，在x、y、z3个方向输入一定体积率的碳纤维；螺栓用刚性梁单元模拟，螺栓伸入挡风板80mm；碳纤维加固板之间的1mm拼接缝处用只抗压不抗拉的弹簧模拟.

2.4 边界条件

由现场观测发现，在伸缩缝附近处的碳纤维加固板开裂比较明显.本文模拟伸缩缝附近处的边界条件，取一块半长度的模型，伸缩缝处的面假设为沿桥轴方向统一变形，为保守起见，剖切面沿桥轴方向固定.由于桥面板和挡风板在伸缩缝处可以沿桥轴方向伸缩，故假设挡风板的底部沿桥长方向可以移动.不考虑碳纤维加固板和挡风板之间的有机胶粘剂的变形，两者之间采用共用节点的方式连接.有限元模型如图3所示.

图3 有限元模型

2.5 基本温度工况

不考虑材料内部温度不均匀产生的温度自应力，用来模拟挡风板和碳纤维加固板的单元温度分别同步升高.根据太阳照射方位的变化，取3个基本温度工况，见表2.

表2 基本温度工况

3 有限元分析结果

结果显示，Case1分析结果和观测的开裂情况类似，如图4所示.

图4 Case1分析结果与现场观测比较

挡风板升温比碳纤维加固板升温高是最不利的工况.当两者均匀升温或者碳纤维加固板升温高时，碳纤维加固板不会开裂，Case2和Case3分析结果如图5～6所示.

图5 Case2碳纤维加固板裂缝图

图6 Case3碳纤维加固板裂缝图

有限元分析结果显示，在3个基本工况中Case1是最不利的工况，当日光照射钢筋混凝土挡风板时，挡风板温度比碳纤维加固板温度升高得快，此时对碳纤维加固板是最不利的.Case1的分析结果和现场观测吻合，说明本文所采用的分析方法是可靠的.

4 加固板面内正交纤维有限元分析

本文实际碳纤维混凝土加固板为沿板高单向配置碳纤维，根据纤维的阻裂原理，纤维对基体沿纤维轴向的变形产生阻碍作用，阻止与纤维相交的裂缝产生.如果正交两向配置碳纤维，有限元分析结果显示，加固板只在螺栓处发生开裂，因为螺栓附近由于应力集中，螺栓附近的应力较大，当拉应变超过基体的极限拉应变时，混凝土开裂.裂缝图如图7所示.

图7 两向正交碳纤维加固板裂缝图

5 加固板厚度对开裂的影响

因为Case1碳纤维混凝土加固板的裂缝比较多，在基本工况Case1的基础上，改变碳纤维混凝土加固板的厚度进行分析.对Case1分别设置5、6、7、8、10、12、14、16、18、20、22、24mm碳纤维混凝土加固板的厚度，其他条件完全相同，分析不同厚度下加固板的开裂情况.碳纤维加固板的裂缝条数与板厚因素的关系曲线如图8所示.

图8 碳纤维加固板厚度与裂缝条数关系曲线

由碳纤维加固板厚度d与裂缝条数N的关系图线可以看出，碳纤维加固板的厚度对碳纤维加固板的开裂情况有影响，碳纤维加固板厚度d与裂缝条数N呈双折线关系，当板厚d＜7mm时碳纤维加固板的厚度对温度开裂的影响很大，当板厚d＞7mm时板厚对温度开裂的影响比较小，因此可既考虑节约材料，又考虑充分利用碳纤维加固板的力学性能，可取适当的板厚.

6 结 论

结构构件之间因为温差产生温度次应力，本文通过FINAL有限元软件对碳纤维加固板温度裂缝进行有限元分析，得出以下结论：1）根据日照方位变化，挡风板与碳纤维加固板之间产生温差，由于温差的作用及热膨胀系数差异的影响，碳纤维加固板会产生裂缝.2）对于单向纤维增强混凝土，由于纤维与基体之间的粘接作用，裂缝的开裂受到阻碍.因此，裂缝大部分沿纤维走向开裂，与纤维垂直方向裂缝很少.3）因为碳纤维具有负的线膨胀系数，对混凝土在温度作用下的膨胀具有约束作用，可以阻止混凝土的温度变形.4）碳纤维加固板的厚度对开裂情况有一定的影响，兼顾适用和经济两方面的因素，可以取适当的板厚.

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