纤维编织网增强砂浆加固泵站梁抗剪性能的数值研究

2024-02-29杨雨峤

水利技术监督 2024年2期

杨雨峤，朱健

(1.江苏省通榆河蔷薇河送清水工程管理处滨海抽水站管理所，江苏盐城 224500；2.江苏省通榆河蔷薇河送清水工程管理处盐河北闸管理所，江苏连云港 222200)

纤维编织网增强砂浆是一种复合材料，由多种材料制成的纤维编织而成，纤维编织品依附于水泥基砂浆等无机材料上。使用水泥基粘合剂，纤维编织网增强砂浆具有良好的特性，比如高温耐久、低成本、适用于潮湿表面或低温环境，并能与混凝土基质、砖石等材料相容[1]。

在钢筋混凝土梁的剪切加固方面，有大量实验研究表明，外部抗剪钢筋的增加可以增强其抗剪能力，外部配筋的数量对破坏模式具有很大影响[2]。使用纤维编织网增强砂浆进行加固时，通过侧面粘接的U形或全包裹的护套及网格均能有效加固钢筋混凝土梁，其中以全包裹效果最佳[3]。与纤维增强聚合物增强层一样，大多数研究中都观察到了纤维编织网增强砂浆的脱粘现象[4]。为了解决这一问题，许多研究人员对纤维编织网增强砂浆的锚固进行了实验。高鹏[5]对锚固的双向纤维布约束加固的钢筋混凝土梁进行了研究，结果表明基于纤维复合材料的锚具增强了纤维编织网增强砂浆层的效果。

纤维编织网增强砂浆加固方案中，内部钢筋数量对于抗剪加固无主要作用，但与没有加固的试样比较，剪切能力提高明显[6]。在纤维编织网增强砂浆加固钢筋混凝土梁的剪切跨深比方面，破坏模式以及纤维编织网增强砂浆外套的剪切贡献不受剪切跨深比的影响。相关研究还表明，纤维编织网格的几何形状对于加固钢筋混凝土梁的剪切强度和破坏模式有重要影响[7]，粗纱面积较小的纺织品可以提高网格和砂浆之间的粘合力，进而提高加固效果。

然而，之前的研究中并未涉及到混凝土试样的有效截面高度和加载条件等参数。本研究探讨了这些参数对于极限载荷、抗剪能力以及纤维编织网增强砂浆对梁的抗剪承载力贡献的影响，结果可为工程实践提供科学依据。

1 有限元梁模型的验证

本研究使用有限元对泵站框架结构钢筋混凝土梁模型对Tetta等[8]的现有实验进行了验证。试验组和对照组的试件设置及加固细节如图1所示。所有梁试件均以0.02mm/s的位移速率进行三点弯曲单调载荷测试。受拉钢筋为16mm直径，上部受压钢筋为10mm直径，箍筋采用8mm直径的钢筋。其中一个试件的剪切跨度没有箍筋，存在缺陷，而另一个试件在剪切跨度间隔为100mm的位置进行箍筋加固。在缺乏箍筋的剪力跨上，增强砂浆护套通过纤维编制网进行加强，以提升抗剪强度。混凝土的抗压强度分别为20.5MPa和22.6MPa，应用于对照组和增强砂浆加固梁的测试中。16mm和10mm的纵筋以及8mm的箍筋的屈服强度分别为547、552、568MPa。预测将发生剪切破坏的未加固剪力跨度处采用纤维编制网增强砂浆护套进行加固，并使用1～3个U形轻质碳纤维织物层进行加固。实验中使用的纤维编织网的抗拉强度、弹性模量和极限拉伸应变分别为1501MPa、167.6GPa和0.79%。

图1 试验组和对照组的试件设置及加固细节图

2 钢筋混凝土梁有限元分析建模

在本研究中，ANSYS APDL非线性有限元分析软件程序被用来建立钢筋混凝土梁模型。此外，还进行了参数化研究，分析不同梁深和负载类型的钢筋混凝土梁的行为。在下面的章节中，详细介绍了非线性有限元分析程序。

2.1 单元类型

本研究采用solid65模型对混凝土和砂浆进行建模，Solid65是一个8节点的实体单元，具有开裂和破碎的能力。此外，采用Link180模型对钢筋进行建模，Link180是一个三维单轴拉伸-压缩稀疏单元，能够进行非弹性变形。为了消除顶部和底部钢板位置的应力集中问题，采用Solid185模型对梁进行建模。而Shell181单元则被用来模拟纤维编制网增强砂浆层。在混凝土和砂浆之间的结合界面上，通过创建接触单元和目标单元来进行建模。在此基础上，模拟测试假设混凝土与钢筋之间不发生脱粘。

2.2 材料属性

混凝土被定义为既有线性弹性又有多线性非弹性材料。为了模拟弹性行为，弹性模量E和泊松比γ是必须提供的。对于非弹性行为，多线性属性必须通过定义应力与应变曲线数据来分配。为了描述混凝土破碎的行为，需要为混凝土定义4个属性：单轴拉伸开裂应力fr、单轴压缩破碎应力和开放、封闭裂缝的剪切传递系数βt。为了避免模型过早失效，混凝土的破碎失效通过插入单轴压缩应力的-1值来停止。βt的值在0.0～1.0之间变化，其中0.0表示光滑的裂缝，1.0表示粗糙的裂缝。ANSY2017模型假定βt值分别为0.3和0.8，用于描述开放和封闭裂缝的情况。

钢被定义为线弹性和双线非弹性材料。在有限元模型中，钢筋的应力与应变曲线是基于弹性模量E、泊松比γ和屈服强度计算得出的。值得注意的是，所有的梁都有相同的配筋率。同时，在荷载和支撑位置增加了钢板，以避免应力集中并提供更均匀的应力分布，这与实验设置类似。钢板的弹性模量和泊松比值分别为200GPa和0.3。

纤维编织网增强砂浆被假定为线性正交材料。弹性模量在x、y和z方向分别为190、20、20GPa，泊松比vxy、vxz、vyz分别为0.22、0.22、0.3，剪切模量Gxy、Gyz、Gxz由弹性关系计算得出的。在砂浆和混凝土之间的接触界面的建模上，本研究采用了ANSYS内置的粘着区模型。双线性行为及其与牵引力和临界断裂能量相关的行为被用于描述砂浆和混凝土之间的接触。在加固后的试样中，由于临界跨度的高剪应力，观察到了脱粘现象的破坏模式。因此，需要3个参数来模拟脱粘的破坏标准，即最大等效切向接触应力τmax、切向滑移的临界断裂能量Gct，以及阻尼系数。在ANSYS模型中，阻尼系数被设置为0.1，以增强模型的稳定性和收敛性。

2.3 网格生成和边界条件

图2展示了。与实验测试设置类似，采用对称边界条件。通过几何形状和载荷的对称性，将全梁的一半用于建模，因此，在梁宽度的中心施加对称边界条件。通过正确约束垂直方向上的对称平面节点，建立了对称模型。在钢板上沿着梁的宽度施加线载荷，以避免应力集中。

图2 纤维编织网增强砂浆加固梁模型的几何形状和加固细节图

在进行模型分析时，采用小位移静态分析。为了考虑非线性因素，将施加在有限元模型上的载荷拆分成一系列载荷增量，称为载荷步长。每个载荷步骤都逐步施加，通过指定最大和最小的子步数来计算。为了获得解决方案的收敛性，将自动时间步长设置为开启。本研究中，收敛标准基于力和位移，ANSYS程序自动选择默认容限[9-11]。

3 数值模拟验证结果

表1显示了实验测试和有限元模型结果的比较。如图3所示，经过验证的模型和梁试件的极限荷载和相应的位移值差异小于10%。

表1 实验和有限元模拟结果

图3 实验梁及有限元模型荷载—位移曲线

控制梁的失效模式是在未加固的剪力跨部分的斜向剪切失效。图4显示了在效荷载下，控制梁的临界剪力跨的过度裂缝。另一方面，加固后的梁由于混凝土和纤维编织网增强砂浆之间的脱粘而失效。数值模拟梁的混凝土主应变分布和最大值如图5所示。用纤维编织网增强砂浆加固梁的结果是钢筋混凝土梁的延展性更强。因此，加固后的梁的挠度和剪力能力比控制的梁要高。

图4 钢筋混凝土构件裂缝

图5 有限元模型破坏截面处混凝土最大主应变

4 参数化研究结果

为了研究纤维编织网增强砂浆在钢筋混凝土梁中的剪切贡献，进行了参数化研究。考虑的参数是梁的深度和应用的负载条件，这将在以下章节中讨论。

4.1 梁截面有效高度

本研究开发了9个有限元分析梁模型，所有这些梁的长度都与验证梁的长度(1067mm)相同。所有梁的横截面尺寸和加固细节在图6中显示。其中，图6(a)显示了控制梁的截面，图6(b)—(d)分别显示了不同深度的梁的截面。对于每个横截面，分别建立了1个对照组以及2个带有1层或3层纤维编织网增强砂浆流的加固梁。实验结果在表2中列出，其中数字1和3表示纤维编织网增强砂浆层的层数。通过计算纤维编织网增强砂浆夹层的剪力贡献Vf，本研究评估了改造后梁的剪切能力与控制梁的差异。

表2 不同截面有效高度的混凝土梁数值模拟结果

图6 不同有效高度梁截面尺寸图

本研究的梁设计以剪切破坏作为预期的破坏模式，图7为峰值荷载时所有测试梁的最大主应变分布。随着梁的有效深度增加，极限荷载和抗剪能力也相应提升。与控制梁B相比，控制梁C和D分别达到了136.5kN和184.5kN的极限荷载，剪切强度提高了约36%和66%。不同的是，控制梁A的极限荷载仅达到了63.5kN，而其抗剪强度则下降约29%。对于采用单层纤维编织网增强砂浆加固的梁，梁C-1和D-1在174.9和206.9kN的峰值载荷下失效，剪切强度相较梁B-1，分别提高约20%和34%。相反地，梁A-1仅在101.6kN的极限荷载下失效，导致其抗剪能力下降约15%。而梁C-3和D-3达到了193.6kN和222.3kN的峰值荷载，对应着约14%和21%的剪切强度增幅。然而梁A-3在121.6kN的峰值荷载下失效，其抗剪能力下降约13%。因此，随着梁的有效深度的增加，控制和加梁的抗剪能力均得到提高。

图7 不同加载方式下测试梁最大主应变分布图

通过观察发现，增大梁的截面高度会降低纤维编织网增强砂浆对钢筋混凝土梁的抗剪能力贡献。梁C-1和D-1的纤维编织网增强砂浆剪切强度占比Vf/Vcon分别约为29%和18%，相比于梁B-1，增强层剪切强度贡献率下降了17%和28%。梁A-1的纤维编织网增强砂浆剪切强度占比为74%，然而其纤维编织网增强砂浆贡献率相比梁B-1却提高了28%。而对于采用3层纤维编织网增强砂浆加固的梁，梁C-3和D-3的纤维编织网增强砂浆剪切强度占比分别为42%和25%，相比于梁B-3，纤维编织网增强砂浆贡献率下降了28%和45%。实验结果表明，有效深度对于梁的破坏模式没有显著影响。所有的控制梁都表现为剪切破坏，同时经过加固后的梁的破坏模式都是纤维编织网增强砂浆夹层的脱粘。

4.2 加载方式

为了研究加载类型的影响，数值模拟测试在控制梁B-Ref和同组加固梁上施加分布式载荷，该载荷为5N/mm并沿着从梁中心到中心的一块板施加压力。通过用分布式荷载代替集中荷载的方法，剪力图从水平分布变为线性分布。

测试梁的编号、增强类型及测试结果在表3中列出。其中，字母P代表集中荷载加载，字母D代表均布荷载加载。表3比较了在2种荷载情况下模型的编织纤维砂浆层剪切贡献以及控制梁和加固梁模型的抗剪承载力。

表3 不同加载方式混凝土梁数值模拟结果

P-1和D-1梁相较于相应的控制梁分别提高了47.4%和51.1%的抗剪能力；而P-3和D-3梁与P-Ref和D-Ref梁相比，最大剪切力分别提高了70.3%和79.7%。在与P-Ref、P-1和P-3梁比较后，D-Ref、D-1和D-3梁的抗剪能力分别增加了11.7%、15.8%和17.9%。综上所述，相比于分布式荷载下的梁，承受集中荷载的梁的抗剪能力较低。值得注意的是，当荷载沿梁跨度分布时，增加纤维编织网的层数可以增强其剪切贡献。

在控制梁测试中，梁的失效模式为剪切破坏。而在加装了纤维编织增强砂浆的梁中，所有测试梁的失效模式均为纤维编织网增强砂浆的脱粘，除了D-3梁为弯曲失效。因此，采用3层轻质碳纤维纤维编织网增强砂浆的方法，可以显著提高梁的抗剪能力，并且使失效模式从脱粘转变为具有延性的弯曲破坏。

如图8所示，通过对D-Ref梁和D-1梁的混凝土中的最大应力进行了比较，对照组和加强组的梁在破坏时显示出相似的应力分布。最大拉应力位于跨中的梁底，而最大压应力位于临界剪力跨中。然而，最大压应力的位置是不同的。对于控制的梁，最大的应力是在顶部边缘观察到的。对于加强型梁，最大应力位于临界剪力跨度附近的支撑位置。