CFRP加固梁U型锚固效果的数值分析

黄丽华 王跃方 李璐

摘要：

CFRP与混凝土层间剥离是纤维加固钢筋混凝土梁中最常见的破坏形式，在CFRP端部或沿全梁设置横向U型锚固是目前工程中使用最广泛的防止过早剥离破坏的方法。采用数值计算方法，对比了无U型锚固，端部设置U型锚固以及沿全梁施加U型锚固3种情况下，加固梁的承载力、变形、粘结层的滑移量以及CFRP应变分布，分析研究U型锚固在CFRP加固钢筋混凝土梁中的作用。由计算分析结果可知，U型锚固可有效提高加固梁的承载力和刚度，防止过早剥离破坏的发生。在钢筋屈服后，沿全梁设置U型锚固比端部设置U型锚固能够更有效防止发生剥离破坏，但同时也引起CFRP应变分布不均匀，当CFRP被拉断破坏时，沿全梁锚固时加固梁的极限承载力低于端部锚固情形。

关键词：

CFRP加固钢筋混凝土梁；U型锚固；有限元分析；界面剥离

中图分类号：

TU375

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）06000806

碳纤维增强复合材料（简称CFRP）在钢筋混凝土结构加固、修复中已有广泛应用。大量的实践和实验结果表明粘贴纤维片材进行受弯加固时，最常见的破坏形式是在钢筋屈服后，混凝土梁达到极限承载力之前，碳纤维片材与混凝土之间发生剥离[1]。常见的CFRP与混凝土间剥离形式包括：1）CFRP片材端部切应力过大将其位置附近混凝土保护层剥落；2）在混凝土梁的弯剪区内，由剪切裂缝引起CFRP剥离；3）弯曲裂缝附近过大的切应力引起CFRP与混凝土剥离；4）混凝土梁端部最后一个裂缝引起CFRP锚固从混凝土上剥离[23]。FRP与混凝土界面应力理论研究表明，在FRP端部界面正应力和切应力最大，剥离首先发生在该位置[45]。杨勇新等[6]推导出粘结正应力和粘结切应力作用下发生剥离破坏的数学判据，从而建立剥离承载力的计算方法。目前已有很多CFRP与混凝土间剥离破坏的实验及数值计算研究成果，对引起CFRP和混凝土间发生剥离的认识也基本一致，但相应的防止剥离破坏的措施相当有限。目前最常见的方法是延长粘结延伸长度、设置横向U型FRP锚固条或采用机械式锚固方法。延长粘结延伸长度对防止界面滑移的必要性已被大量试验所证实，其中瑞士联邦材料测试与研究实验室（EMPA ）的实验研究成果给出[7]：在弹性范围内，当锚固长度为220 mm时，随着作用在CFRP上拉力增大，参与工作的CFRP长度逐渐增加，剥离时CFRP的应变值约为0002 3，此时CFRP与基底间的最大滑移量为02 mm，粘结层最大切应力发生在距CFRP端部100 mm位置，大小约为5 MPa。由此可见，CFRP开始剥离的应力值在500 MPa左右，即CFRP的高抗拉强度利用率较低，限制了CFRP材料抗拉性能的发挥，影响了CFRP材料的使用效率和混凝土结构加固后的可靠性，造成实际结构加固中CFRP材料强度利用率普遍低于20%。工程中通常将加固层延伸至支座处，以延长粘结延伸长度，减小粘结层上过早剥离。在CFRP端部用横向FRP条进行锚固的方式最早由 Brena 提出[8]，之后大量的研究证明了该方法对控制CFRP端部剥离和剪切裂缝引起的CFRP剥离的有效性，在实际工程中已有广泛应用。叶列平等[9]通过实验研究提出在梁底碳纤维布的粘结延伸长度范围内采用附加碳纤维布U型箍能够提高梁底碳纤维布的抗剥离能力， 谭壮等[10]通过实验研究了U型箍对受剪加固混凝土梁剥离承载力的作用。在大量实验研究成果基础上，数值计算分析方法也越来越成熟。Toutanji等[11]证明了建立在断裂力学理论上的剥离模型的准确性， Choi等[12]提出了以梁弯曲变形为基础的数值分析模型， 将FRP与混凝土之间用弹簧单元连接的常规有限元计算分析模型也给出了较好的分析结果[1314]。张子潇等[15]利用ANSYS分析了U型锚固对加固效果的影响，得到的结论是设置U型锚固后加固梁的剥离承载力得到提高。工程中也大量采用U型箍锚固方法，但不同的U型锚固形式对加固梁承载力的影响并不确定。在CFRP端部或沿全梁实行机械式锚固或嵌入式（Near Surface Mounted，简称NSM）锚固方法目前都只局限于研究范围，由于施工过程复杂，且对实际构件造成一定损坏，在实际工程中应用较少。采取有效措施防止CFRP与混凝土间剥离，提高CFRP材料利用率，确保CFRP加固后混凝土结构的可靠性，是进一步推广CFRP在结构加固中的广泛应用急需解决的问题。

黄丽华，等：CFRP加固梁U型锚固效果的数值分析

本文针对目前工程中最常用的防止剥离破坏的锚固方法，以碳纤维布（CFRP）加固钢筋混凝土简支梁为例，参考文献中给出的实验结果，利用商用数值计算分析软件ANSYS，分析对比加固梁在无U型锚固，端部采用U型锚固以及沿全梁实施U型锚固三种加固模式下，梁的强度、刚度、粘结层上碳纤维布与混凝土间相对滑移量以及CFRP应变分布情况，分析U型箍的使用在防止加固梁产生剥离破坏中的作用，证明使用U型锚固对控制CFRP与混凝土间发生剥离的有效性，同时也指出了CFRP端部锚固与沿全梁锚固在防止CFRP剥离破坏及拉断破坏两种破坏形式下的不同作用效果，为CFRP加固钢筋混凝土梁的设计提供参考。

1有限元计算模型

以图1所示的CFRP加固钢筋混凝土梁为例，建立有限元计算模型（图2）。图中取1/2梁建模，钢筋混凝土采用分离式模型，不考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移，混凝土采用SOLID65单元，WilliamWarnke五参数破坏准则，分布式裂缝形式，其中张开裂缝的剪切传递系数取05，闭合裂缝的剪切传递系数取10，屈服准则采用多线性随动强化模型（KINH）。钢筋采用link 单元，经典的双线性随动强化模型（BKIN）。CFRP采用shell单元，线弹性应力应变关系。由于CFRP 与混凝土界面滑移是引起CFRP沿界面剥离破坏的主要因素，故忽略界面间法向位移的计算，在CFRP与混凝土之间采用切向的combine39弹簧单元模拟界面粘结滑移，单元节点分别与混凝土节点和纤维布节点耦合，单元长度为零，弹簧单元只承受拉力作用，材料本构关系采用文献[16]给出的结果，如图3所示。数值计算中CFRP布厚度取0334 mm，混凝土、钢筋以及CFRP的抗拉强度ft、抗压强度fc、弹性模量E以及泊松比v的取值见表1。