端部嵌贴CFRP加固混凝土结构有限元分析

2023-01-11吴凡吴攀彭晖邓继华

交通科学与工程 2022年4期

吴凡，吴攀，彭晖，邓继华

（长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114）

碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced plastic，简称为CFRP）具有质量轻、强度高及抗疲劳性能好等优点，在土木工程领域得到了广泛应用，其加固技术和施工工艺也日愈完善，矩形板条是其最常见的截面形状［1-2］。目前，国内外常用的CFRP板加固方法主要分为两类：表面粘贴（externally bonded，简称为EB）和表面嵌贴（near surface mounted，简称为NSM）。

近年来，许多学者对EB和NSM CFRP加固技术进行了大量研究。研究表明，剥离破坏是CFRP加固混凝土结构的主要破坏模式之一，尽管NSM加固技术可有效缓解CFRP的黏结问题，但其端部的剥离破坏和大量的开槽工作增加了许多问题［3-4］。因此，通过合理的构造形式规避这些缺陷的新型CFRP板加固混凝土结构方法亟待开发。

CFRP板、树脂胶与混凝土的界面黏结性能是影响结构发生剥离破坏的基础，而混凝土强度、槽尺寸大小、CFRP埋置深度等均为界面黏结性能的主要影响因素。郭樟根等人［5］运用修正梁的试验方法，考察了混凝土强度和黏结长度等因素对EB CFRP、NSM CFRP与混凝土界面黏结性能的影响。SENA-CRUZ［6］认为混凝土强度对黏结承载力没有影响。CARO等人［7］提出了增大混凝土强度可显著提升界面黏结性能的结论。DE LORENZIS等人［8］考察了槽的大小对界面黏结性能的影响。TENG等人［9］采用有限元软件建立CFRP板加固模型，探究各因素对界面黏结性能的影响。还有不少学者对界面黏结性能也进行了研究［10-13］，但目前所得结论均缺少普适性。

本研究提出端部嵌贴（terminal embedded，简称为TE）CFRP板加固混凝土结构的方法。该方法将混凝土槽分为两段，在自由端部的一小段开槽，将CFRP嵌入作为嵌贴段，嵌贴段通过倾斜槽与加载端连接为过渡段。因此，本研究对端部嵌贴CFRP加固混凝土棱柱体进行单剪拔出试验，研究剪切应力作用下端部嵌贴CFRP加固混凝土试件的破坏模式，分析其中的应力传递过程。运用ABAQUS有限元软件，根据试验得到的荷载-滑移曲线，对拔出试件进行有限元模拟，分析不同因素对界面黏结性能的影响。

1 试验设计

1.1 试验材料

采用标号为C40的普通混凝土，测量同时浇筑、同条件养护、尺寸大小为150 mm×150 mm×150 mm试块的强度。CFRP板条尺寸大小为3 mm（厚）×50 mm（宽）。黏结剂采用Sikadur－30CN环氧树脂胶，在实验室常温养护7 d后达到标准强度。材料的性能参数见表1。

表1 加固材料性能参数Table 1 Properties of reinforcement materials

1.2 试验参数

本研究设计了3个CFRP板加固混凝土棱柱体试件，试件横截面尺寸大小为200 mm（宽）×220 mm（高），并在浇筑前预留矩形截面槽，该槽位于试件200 mm长边的正中间，考虑到钢筋混凝土保护层的厚度，设计槽深度为25 mm，槽宽为60 mm。加载时保持轴向拉力，除嵌贴段与过渡段长度外，在过渡段前预留50 mm长度的外贴段，外贴段开5 mm浅槽。典型单剪拉拔试件剖面如图1所示，具体试验参数见表2。

图1 单剪拉拔试件剖面Fig.1 Section of single shear pull-out specimen

表2 试验参数设计Table 2 Design of test parameters

1.3 试验加载与量测

本研究采用单剪拉拔试验方法，加载装置如图2所示。试验采用千斤顶进行加载，为防止加载过程中出现偏心等情况，应注意千斤顶、传感器和CFRP板条的轴心保持在同一直线上。加载过程中，以5 kN为一级控制加载，级间间隔3 min，记录每一级荷载下CFRP应变和加载端滑移值。位移计设置在加载端端部，将应变片与应变采集仪相连。应变片布置如图3所示，以距离自由端20 mm处为起点，每50 mm布置1个应变测点，直至加载黏结另一端。

图2 拉拔试验加载装置Fig.2 Loading device for shear pull test

图3 CFRP板应变布置（单位：mm）Fig.3 Layout CFRP strips strain（unit：mm）

2 试验现象及分析

试件的黏结承载力能直观反映试件的黏结性能，各试件的黏结承载力情况见表3。试件破坏形态如图4～6所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

图4 L500+200试件破坏Fig.4 The destruction of the L500+200 specimen

图5 L400+200试件破坏Fig.5 The destruction of the L400+200 specimen

图6 L300+200试件破坏Fig.6 The destruction of the L300+200 specimen

从图4～6可以看出，本试验的破坏模式为界面剥离破坏。从试验过程中可以发现，树脂胶裂缝呈半月形，表明CFRP沿板宽方向的黏结刚度与靠近板中央部分的不一致。靠近板中央部分的滑移较大，黏结刚度较弱，而靠近板边部分，由于受到槽侧混凝土的约束，其滑移值小，黏结刚度较大。

各试件的荷载-端部滑移曲线如图7所示。从图7中可以看出，嵌贴段长度越长，其曲线斜率越大，试件的界面黏结刚度越大。在过渡段长度相同的情况下，增加嵌贴段长度，黏结承载力会增加，滑移会减小，表明嵌贴段提供了较好的锚固作用。

图7 荷载-滑移曲线Fig.7 Load-displacement curves

L300+200的CFRP应变分布如图8所示。当荷载增大到70 kN时，其应变突然增大，表明加载端部树脂界面开始软化剥离，与试验在荷载为70 kN时发出轻微嘣响声情况相符。从图8可以看出，当荷载为110 kN时，CFRP板应变分布为嵌贴段内CFRP板的应变值很小，表明绝大部分CFRP板拉伸应力是由过渡段的黏结剪应力平衡，而试件荷载加载至125 kN时出现破坏，表明过渡段提供了88%以上的黏结承载力。

3 有限元模拟

3.1 有限元模型的建立

运用ABAQUS有限元分析软件对试验进行非线性数值分析，并将计算结果与试验值进行比较，验证数值模型的准确性［14］。在该模型基础上，考虑混凝土等级、槽的大小等因素对模型黏结性能的影响。

在本模型中，混凝土和FRP均采用八节点六面体缩减积分的三维实体单元（C3D8R）。混凝土本构选用塑性损伤本构，FRP定义为理想线弹性材料。边界条件设定试块某一面完全固定。为防止应力集中，建立参考点。通过Coupling与CFRP板条表面相互作用，在约束和加载点处采用Coupling方式定义加载面。选用20 mm网格划分模型，提高裂缝模拟精确度。为使模型收敛，选用位移加载模式对模型进行加载。

为准确模拟CFRP与混凝土的黏结性能，本研究选用Spring2非线性弹簧单元模拟CFRP与混凝土之间的黏结情况，并采用Python语言实现Spring2弹簧的批量导入。建模时，需在CFRP与混凝土节点之间添加两组分别代表法向和切向的弹簧。对于法向弹簧，考虑到发生黏结破坏时法向变形远小于切向变形，本模型中将法向弹簧刚度Kv定义为100 000 kN/mm。对于切线弹簧，其黏结-滑移关系根据试验所得到的数据换算成F-D曲线来确定。最终建立的有限元模型如图9所示。

图9 有限元模型Fig.9 Finite element model

3.2 有限元结果分析

3.2.1 模拟结果的验证

通过ABAQUS软件模拟得到试件的荷载和滑移值，试验值与模拟值的对比情况见表4，L500+200试件的荷载-滑移曲线对比如图10所示。从表4和图10中可知，模拟值与试验值吻合良好。黏结荷载值随嵌贴段长度增加而增大，与试验结论一致。因此，采用ABAQUS软件能有效模拟端部嵌贴CFRP加固试件的受力过程，得到较为准确的极限状态值，且Spring2非线性弹簧能较好地模拟CFRP板、混凝土与树脂胶之间的滑移。对比发现，各试样滑移值较黏结承载力误差大，这可能是由于该模型未考虑沿板宽方向的黏结应力不一致的情况，使得弹簧刚度大于试验黏结刚度。

图10 荷载-滑移对比曲线Fig.10 Comparison curves load-displacement

表4 试验值与模拟值对比Table 4 Comparison of test and simulate values

3.2.2 因素分析

许多研究表明，混凝土强度会影响试件刚度，混凝土强度对界面黏结性能有重要影响［15-16］。因此，本研究基于L400+200模型验证结果，通过修改INP文件中的混凝土材料参数，改变混凝土本构关系，建立了一组C20～C60的有限元模型，探究混凝土强度对黏结性能的影响，黏结承载力随混凝土等级变化曲线如图11所示。有限元模拟结果见表5。

图11 黏结承载力随混凝土等级变化Fig.11 The variation of bearing capacity with concretegrades

表5 有限元模拟结果Table 5 Finite element simulation results

从图11可看出，黏结承载力随混凝土强度提高而增大。混凝土等级从C20提升至C40，黏结承载力从102 kN提高至144 kN，提高了41%，而混凝土等级超过C50后，黏结承载力仅提高了5%，提升幅度不明显。

不同混凝土强度试件荷载随着滑移变化的情况如图12所示。从图12可以看出，荷载较小时，各试件的滑移值比较接近，随着荷载的增加，界面开始发生剥离，黏结刚度随界面剥离的发展逐渐退化。混凝土强度越高，曲线斜率越大，即黏结刚度越大，其滑移值越小。这表明随着混凝土强度增大，CFRP和胶层之间的约束越大，CFRP的滑移会越小。通过有限元模拟分析，说明混凝土强度对黏结强度存在不可忽视的影响。

图12 不同混凝土强度荷载-滑移曲线Fig.12 Load-displacement curves of specimen with different strength

槽的尺寸大小会影响到FRP与混凝土之间的黏结剂的厚度、大小和几何形状，还会影响FRP材料与槽内树脂的结合情况，以及FRP、胶层和混凝土三者之间的相对位置关系［17］。本研究设计了5种不同尺寸大小的槽，分析槽宽、槽深对黏结强度的影响。有限元计算结果见表6。

表6 有限元模拟结果Table 6 Results obtained by finite element simulation

不同槽尺寸试件荷载随滑移的变化规律如图13所示。从图13可以看出，槽宽越大，黏结承载力越小，滑移越大。这是由于环氧树脂胶的弹性模量和刚度均小于混凝土的，随着槽宽增加，环氧树脂会增多，胶层更容易发生变形，且加大槽宽后削减了槽侧面混凝土对CFRP的约束作用，削弱了黏结性能。因此，随着槽宽增加，界面黏结强度降低。槽深的变化改变了CFRP嵌入的深度。对于同一黏结长度而言，相当于改变了过渡段CFRP转折区角度，槽深越大，弯折角度越大。在拉伸应力作用下，混凝土和树脂形成的径向压力越大，转折段提供的黏结强度越大。从图13还可以看出，L400+200-W80和L400+200-H15的荷载-滑移曲线较为接近，前者略高于后者，这说明过大的槽宽或过浅的槽深均降低了其黏结性能，槽深过浅时尤为明显。