玻璃纤维格栅加固RC梁受弯破坏数值模拟

2020-04-17张耀文王伟峰郭星辰

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2020年1期

张耀文，王伟峰，郭星辰

(新疆大学，新疆乌鲁木齐 830047)

0 引言

钢筋混凝土梁是由钢筋与混凝土组合在一起的承重构件，在桥梁、房屋建筑等方面应用极为广泛。其原因是钢筋的抗拉能力与混凝土的抗压能力均可得到充分发挥，共同提高梁的受弯承载力。近年来，我国地震频发，致使许多靠近地震中心的房屋梁板存在年久失修的安全隐患，随着新型玻璃纤维复合材料（GFRP）的发展与人们对其认知程度的提高，GFRP 在工程加固方面［1-4］优势较为突出。本文基于有限元软件ABAQUS 通过GFRP 加固适筋梁抗弯模拟试验分析其破坏模式、荷载位移曲线、承载力及延性，为今后工程加固提供相关指导。

1 试验设计及模型建立

根据文献［5-6］，梁截面尺寸b×h 为300mm×200mm，梁长度为2500mm，混凝土强度为C30级，梁内置的钢筋选取HRB400 级，混凝土保护层厚度为25mm，根据RC 梁配筋相关计算得出钢筋配置方式，梁内箍筋间距150mm，钢筋直径为8mm，适筋梁受拉钢筋直径为20mm，架立筋为8mm。梁尺寸及配筋方式见图1，图2 为GFRP 粘结方式，GFRP 相关参数见表1。

图1 梁尺寸以配筋方式图

图2 GFRP粘结方式

表1 GFRP相关参数

运用ABAQUS 有限元分析软件对加固与未加固RC 梁的破坏模式及荷载位移曲线对比分析。混凝土采用内置的混凝土塑性损伤模型，混凝土本构曲线依照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010［6］中提出的曲线，受压及受拉本构曲线见图3a、图3b。混凝土采用三维八节点实体单元，能够更加直观了解裂缝发展情况及梁整体破坏规律。钢筋采用HRB440 级，单元选取桁架单元，赋予截面尺寸，钢筋本构［7］曲线见图3c。GFRP 选择理想弹塑性模型［8］，单元选择具有一定厚度的壳，本构曲线见图3d。由于进行梁的两点受弯试验，为忽略垫板的变形，给到垫板足够大弹性模量［9］。混凝土塑性相关参数见表2。

混凝土与垫板之间接触设定为绑定，钢筋笼内嵌入混凝土中，GFRP 绑定在混凝土底面。支座以简支方式支撑梁，垫板各表面设置耦合点。Rp3 约束U1=U2=0，UR1=UR2=UR3=0，RP4 约束U1=U2=0，UR1=UR=0。在上垫板外表面施加竖向荷载，网格划分见图4所示。

表2 混凝土塑性参数

图3 材料本构曲线

图4 网格划分

2 模型试验结果分析

2.1 破坏模式

分别对加固与未加固RC 梁进行两点受弯模拟试验。基于ABAQUS 输出PEEQ 与PEEQT 对构件裂缝情况进行分析评估，详见图5 与图6。图7 为加固与未加固RC 梁的Mise 应力云图。由PEEQT 与PEEQ 云图来看。加固后受拉区混凝土的开裂范围略有增加且先前已出现裂缝的位置裂缝发展更加充分，受压区混凝土被压碎的区域也略有扩大。从应力云图上看，二者都形成了“弓”型的受压应力区段，相比较而言，加固后的RC 梁混凝土压应力发展的更加充分。综上，GFRP 加固RC 梁提高了构件耗能能力，一定程度上弥补了混凝土抗拉能力弱的缺点，使得梁具有更好的抗弯性能。

图5 PEEQT云图

图6 PEEQ云图

图7 Mise应力云图

2.2 荷载位移曲线

图8 为未加固与加固RC 梁荷载位移曲线。由图发现，加固与未加固梁破坏过程基本类似。初始阶段，混凝土与钢筋共同承受荷载，主要承力材料为混凝土，由于梁受拉区混凝土未开裂，此时GFRP格栅网上的应力很小。混凝土受拉出现裂缝后，钢筋作为主要承力材料，GFRP 材料的抗拉性能随着混凝土的持续开裂作用越来越明显，加固梁的刚度退化速率相比于未加固来的说较为缓慢。未加固的到达峰值荷载后，曲线出现下降段，受压区混凝土随着荷载的持续增大被压碎最后丧失承载力，加固RC 梁与未加固RC 梁基本保持一致，但由于加固后混凝土开裂，受拉区由GFRP 材料与钢筋共同提供拉应力，梁内受拉耗能增大，延缓了受压区混凝土过早被压碎，所以加固RC 梁峰值荷载后曲线下降相对平缓。

图8 试件荷载位移曲线

图9 受拉区混凝土应力曲线

图10 受拉区混凝土应变曲线

2.3 混凝土应力、应变与时间步关系

RC 适筋梁的破坏是由于受拉区混凝土率先被拉裂，之后钢筋屈服，受压区混凝土被压碎。所以混凝土的应力与应变对于探讨加固RC 梁力学性能尤为重要。图9 与图10 为受拉区混凝土应力、应变与时间步的关系。图中曲线出现上下浮动是由于在设定混凝土损伤因子时引入一定拉伸恢复，使得混凝土具有一定抗开裂的能力，近似于实际情况。由应力曲线图可知，加固梁与未加固梁钢筋屈服时，混凝土上残余拉应力分别为0.3MPa、0.35MPa，钢筋强化后，混凝土拉应力变化速率相对较快，说明梁加固后，混凝土拉应力发挥更加充分。从应变曲线上看，钢筋屈服后，加固RC 梁混凝土应变速率要比未加固的缓慢，极限应变值分别为0.015 与0.02，这是由于加固后，RC 梁受拉区混凝土受到钢筋与GFRP 材料共同抗拉作用提高其抗开裂能力，使得裂缝发展缓，而且裂缝密而细，提高RC 梁的冗余度。