纤维复合材料加固混凝土梁跨中的剥离破坏问题

２ＯＯ６年２月　汕头大学学报（自然科学版）　第２１卷第１期　Ｆ曲．２００６　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＳｉｍｎｔｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖｌｄ．２１　Ｎｏ．１　文章编号：１００１．４２１７（２００６）０１．（１０５３．０５　纤维复合材料加固混凝土梁跨中的　剥离破坏问题　熊光晶，杨奇飞　（汕头大学土木系，广东汕头５１５０６３）　摘要：指出纤维复合材料加固混凝土梁跨中剥离破坏的影响因素和破坏准则，讨论几种　计算剥离应力方法的特点，提出更为简单可靠的直接对剥离块体进行有限元分析的新思路，　并给出算例．　关键词：纤维复合材料；剥离应力；加固梁；有限元；破坏准则　中图分类号：ＴＵ　３７５．１　文献标识码：Ａ　０引　言　大量实验研究显示，对用碳纤维复合材料（ＣｎｔＩ））抗弯加固混凝土梁的梁端进行可　靠锚固后（如用Ｕ型ＣＦＲＰ箍）“－３］，有许多梁跨中保护层发生剥离破坏．有人提出沿全　梁贴Ｕ型ＣＦＲＰ的加固方法，虽防止了剥离破坏，但超大幅度地提高了加固成本，而且　纤维复合材料（ＦＲＰ）加固梁抗弯延性低、变形能力差的问题仍未解决　（因ＣＦＲＰ是低延　伸率脆性材料）．我们在一项试验研究中提出了以较高延伸率且成本低的双向Ｌ型玻璃　纤维（ＧＦ）布取代昂贵的Ｕ型ＣＦＲＰ的方法，结果不仅防止了跨中剥离破坏，而且其抗弯　延性比ＣＦＲＰ加固梁提高了７４％，加固成本降低了７９．５％　Ｊ．以上抗剥离设计均基于经　验，因此有必要为加固梁的跨中保护层建立剥离应力分析方法　．本文先分析剥离破坏　的影响因素和破坏准则，并指出几种剥离应力计算方法的不足，进而将半经验半理论方　法与有限元技术相结合，提出新的剥离应力计算方法，并附以算例．　１剥离破坏的影响因素　１）受力特点如图１，梁在加固前的载荷作用下就已经出现了一系列的裂缝，取　两相邻裂缝间的混凝土保护层块体ａｂｅｄ作分析，加固前仅ｄｃ界面（钢筋底面以下）受到　应力作用，其它３个面则为自由界面．梁底加贴ＦＲＰ片材并二次受力后，ａｂ界面因与　【Ｉ）粘结而产生剪应力，该剪应力也使ｄｅ面产生新的剪应力ｆ和正应力ｃｒ，　，整个ａｂ一　收稿日期：２００５－．０９－１２　作者简介：熊光晶（１９５４一），男，江西南昌人，博士，教授，博士生导师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｉｘｉｏｎｇ＠ｓｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　基金项目　广东省自然科学基金资助项目（Ｎｏ：０２１２４５）　维普资讯 http://www.cqvip.com

５４　汕头大学学报（自然科学版）　第２ｌ卷　ｃｄ块体内的应力均发生变化．目前剥离应力计算研究均按一次受力考虑　一　２）粘结质量　由于ｎ　粘于梁底进　行抗弯加固时只能仰贴，ＦＲＰ自重会对树　脂层产生向下拉力，使树脂层厚度增加，　而树脂层过厚会因收缩导致内部孔隙、裂　缝等缺陷较多，受力后ＦＲＰ与混凝土之间　的树脂层可能发生内聚破坏（图１　Ｄ处所　示）．需要指出，在保证粘结质量的情况下，　图１剥离破坏示意　加固梁的胶缝是不应发生破坏的（即使是钢粘钢情况）　．由于环氧胶粘剂比混凝土贵几　百倍，只有混凝土本体破坏才是可接受的，因此有必要通过粘结工艺研究以杜绝树脂内　聚破坏．　３）剥离块体材性浇筑混凝土时，由于受力主筋和箍筋的“墙壁效应”，将使一部　分泌水被钢筋和钢箍阻隔，在其下表面积聚并形成气泡，如图２．因此在图１中，ｄｃ界　面以下一定范围的“过渡区”是ａｂｃｄ块体的薄弱层，过渡区内局部水灰比远高于设计　水灰比，孔隙率很大，强度很低　：又由　于树脂可进入混凝土的孑Ｌ隙，故实际上ａｂ　界面附近成为了聚合物浸渍混凝土，性能　得以改善，而在ｃｄ界面和ａｂ界面之间则　是普通的混凝土块体．可见从材性上划分，　剥离块体ａｌｇｏｌ可分为薄弱层、普通混凝土　图２钢筋底面泌水示意　层和聚合物浸渍混凝土层．　２剥离破坏准则　剥离破坏主要表现是钢筋与混凝土粘结界面脱开（图１　Ａ处ｄｃ面），少量破坏发生　在保护层内部（图１　Ｃ混凝土开裂处），若粘结质量差则ＦＲＰ与混凝土的粘结界面（图１　Ｄ　处）也可能脱开．如前所述，由于剥离块体ａｌｇｏｌ实际上由３种性能不同的材料组成，既　有的混凝土破坏准则仅适用于保护层内部的普通混凝土层（图１　Ｃ处），因此有必要通过　大量实验研究建立适合于混凝土块体与钢筋粘结界面的破坏准则．目前尚未见到专门详　尽的破坏准则实验研究资料，但已有人开始做初步的探讨．注意到剥离破坏多发生在钢　筋与混凝土保护层粘结界面（图１　ｃｄ）上，且粘结界面抗拉应力性能最差　Ｊ，有人认为剥　离破坏是由界面正应力超过抗拉强度所致　；而有人认为剥离破坏（未指明破坏部位）是　由第一主应力　和第二主应力　共同作用的结果　Ｊ．　３剥离应力计算方法　３．１解析法　ｌ　。Ｊ．　△　将图１中ａｌｇｏｌ块体视为“悬臂梁”。如　图３，梁截面高度为裂缝间距Ｚ　，梁长为保护　牛———　—　层厚度　，承受载荷为两裂缝间应力差　图３　“悬臂粱”计算模型　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　△　ｎ】熊光晶等：纤维复合材料加固混凝土梁跨中的剥离破坏问题　５５　．用材料力学方法计算，并假定ｄｃ面为固定端，梁端正应力　，线性分布．该方　法直观简单，但由于　／Ｚ　＜＜１，将其近似为悬臂梁分析会产生巨大误差，因而不能采　用．用另外一种解析法——弹性力学方法计算剥离应力，由于问题过于复杂，目前该方　法只能计算ＦＲＰ与混凝土粘结界面层的剥离应力Ｉｓ－９Ｊ．　３．２加固梁整体有限元分析方法　已有人通过功能强大的有限元程序对加固梁进行整体分析，进而求解梁端剥离应　力ｕ。。．但需指出，ＦＲＰ加固梁是一种复合材料结构，包含了混凝土、钢筋、ＦＲＰ片材、　胶层等材料力学性质和界面差异很大的多种材料，且材料的非线性特征突出，特别还要　模拟梁上众多裂缝，因而很难符合实际情况．具有代表性的分析方法也只给出了梁端　Ⅱ　与混凝土粘结界面的应力计算结果ｕ。。．若考虑加固梁二次受力和剥离块体的材性，　问题更加复杂，因此通过对加固梁的整体分析来准确计算剥离应力在近期是不可能的．　３．３有限元剥离块体分析方法　针对通过有限元方法整体分析、计算跨中　保护层剥离应力的困难，同时注意到梁跨中保　护层剥离破坏实际发生在两裂缝之间块体（参见　图１　Ｂ块体），笔者提出了避开整体分析，直接　图４基于剥离块体的计算模型　对ａｂｅｄ块体运用有限元技术，按平面问题计算　内部应力　引．但该方法将ａｂｅｄ的边界定在受力主筋“底面”（ｄｃ面），并假定ｄｃ面为固　定端，如图４，而实际上ｄｃ面由钢筋与混凝土粘结界面和钢筋之间的普通混凝土组成，　并非固定端．而且这种边界条件很难准确模拟，故笔者又提出新的基于混凝土半经验半　理论和有限元方法的剥离应力分析思路．　４有限元分析模型新思路　４．１新分析模型　从图１的加固梁的跨中纯弯段取两裂　缝间的混凝土隔离块体ａｂｌｅ，如图５．用　既有且准确、通用的混凝土梁半经验半理　中性轴　论方法（平截面假定）ｕ　计算钢筋应力　和ｎ　的应力　，即为隔离块体的载荷；　计算加固前混凝土梁的裂缝间距，即为隔　日　：　－　卞，　上　离块体宽度（若今后有加固后梁裂缝间距的新经验公式，则以新公式为准）；计算中性轴　位置并设为隔离块体的高度ｈ　；根据圣维南原理可将ｅｆ边界（由平衡条件可判断只可　能有自平衡力体系）等效简化成自由边界．该模型计算简单且更接近实际．　混凝土梁的裂缝间距一般不超过２００　ｌｎｒｌｌ，而多数混凝土梁高都大于５００　ｌｎｌｎ，且开　裂前中性轴就大约位于１／２梁高，开裂后中性轴则持续上升Ｌ１¨，故可知图５所示隔离块　体ａｂｆｅ的高度明显大于宽度，因此可应用圣维南原理对ｅｆ边界作用进行等效简化，几　乎不影响ａｂｅｄ内应力的计算精度．　维普资讯 http://www.cqvip.com

５６　汕头大学学报（自然科学版）　第２ｌ卷　４．２典型算例和计算结果讨论　作为新模型研究的第一步，笔者针对实验加固梁做了一个算例，探讨因剥离引起的　早期破坏问题．参见图１，该梁端加ｕ型ＣＦ箍锚固，混凝土梁的尺寸为１２５　ｍｍ　ｘ　２００　ＩＴＩｎｌ×２　３００　ＩＴＩｎｌ。混凝土立方体抗压强度为４０　ＭＰａ；受力主筋为２　１Ｏ螺纹钢，钢筋　应力达屈服程度　＝４１１　ＭＰａ，钢筋弹性模量Ｅ。＝２１０　ＧＰａ；梁底粘贴Ｏ．１１　ｍｌｎ厚ＣＦ布　一层，Ｏ．５３　ｕｔｒｎ厚ＧＦ布两层，形成的混杂纤维（ＨｒＶｔＰ）的实测弹性模量为Ｅ　＝３４．５　ＧＰａ。求在钢筋刚屈服情况下ｄｃ界面的拉应力．　根据混凝土梁半经验半理论，在钢筋刚达到屈服强度时，可计算得ＦＲＰ的应力　＝７９　ＭＰａ，平均裂缝宽度即剥离块体宽度Ｚ止＝１０４　ｍｒｎ，隔离块体的高度ｈ　＝１７８　ｍｍ．　把以上参数录入商业有限元程序ＡＮＳＹＳ，按线弹性空间分析，计算得　ｉ面（图６（ａ））的　正应力云图如图６（ｂ）所示，可见梁侧面ｃｄ线和ｉｉ线附近正应力值最大，为４．０３　ＭＰａ．　由于混凝土的抗拉强度只有抗压强度的１／１８～１／９　Ｊ，故该实验梁的混凝土抗拉强度为　２．２２～４．４４　ＭＰａ，可见计算结果和破坏情况吻合．而本例题若按“悬臂梁”分析，　的　最大值为Ｏ，与实际显然不符．　ｄ　（ａ】剖面图　（ｂ）正应力云图　图６蛔ｉ面示意图和计算结果　５结论　１）二次加载和混凝土保护层性能均对剥离破坏有影响；　２）通过有限元方法整体分析ＦＲＰ加固ＲＣ梁来求解剥离应力有众多无法解决的困　难；　３）结合混凝土半经验半理论方法和圣维南原理，针对剥离块体进行有限元分析可　使问题化简，且结果更容易接近实际．剥离块体分析方法的意义不仅局限于剥离应力计　算，而且为其他类型局部破坏分析提供了一条新的思路．　参考文献：　［１］Ｓｐａｄｅａ　Ｇ，Ｂｅｎｅａｒｄｉｎｏ　Ｆ，Ｓｗａｍｙ　Ｒ　Ｎ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ＲＣ　ｂｅａｍｓ　ｗｉｔｈ　ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ　ｂｏｎｄｅｄ　ｃｒｖａ，［ｊ］．ＡＳＣＥ，１９９８，２（３）：１３２—１３７．　【２］Ｍｏｓｈｓｅｎ　Ｓｈａｈａｗｙ，Ｏｍａｒ　Ｃｂｎａｌｌａｌ，Ｔｈｏｍａｓ　Ｅ，ｃｔ　ａ１．Ｆｌｅｘｕｒａｌ曲ｒｅ　；ｔＩ　ｒＩｉｌｌｇ　ｗｉｈｔ　ｅａｌｔｒｍ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｃｍｐｏｓｉｔｅ　ｏｆ　ｐｒｅｌｏａｄｅｄ　ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ　ｇｉｌｄｅｒｓ［Ｊ］．ＡＣＩ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００１。９８（５）：７３５—７４２．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　熊光晶等：纤维复合材料加固混凝土梁跨中的剥离破坏问题　５７　［３］蒋小青，熊光晶、混杂纤维复合材料加固混凝土梁的合理方法［Ｊ］．建筑技术开发，２００３，３０　（２）：５７—５９．　［４］杨奇飞，熊光晶．纤维复合材料加固混凝土梁纯弯段保护层剥离应力近似计算［Ｊ］．建筑技术开　发，２００５，３２（３）：２２—２３．　［５］王孟钟，葛应昌．胶粘剂应用手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社，１９９６：４２—４９．　［６］Ｋｕｍａｒ　Ｐ．Ｍｅｈｔａ，ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｉｎｅ　ｅｎｖｉｏｒｎｍｅｎｔ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９１．　［７］王荣国，戴成雷．ＣＦＲＰ加固混凝土梁式结构早期破坏理论的研究［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，　２００２，３５（３）：７１—７３．　［８］Ｍａｈｍｏｕｄ　Ｔ，Ｍｉｈｉｌｍｙ　Ｅ　Ｉ，Ｊｏｓｅｐｈ　Ｗ，ｅｔ　ａ１．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎｃｈｏｒａｇｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｆｏｒ　ｍｉｎｆｏｒｅｅｄ　ｏｎｃｃｅｔｒｅ　ｂｅａｍｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｗｉｈｔ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．ＡＣＩ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｊｏｕｍａｌ，２００１，９８（３）：３０１—３１４．　［９］李松辉，赵国藩，王松根．ＣＦＲＰ加固混凝土梁各受力阶段的剥离机理［Ｊ］．工程力学，２Ｏ０５，２２　（１）：１５３—１５８．　［１０］Ｙａｎｇ　Ｚ　Ｊ，Ｃｈｅｎ　Ｊ　Ｆ，Ｐｒｏｖｅｒｂｓ　Ｄ．Ｆｉｎｉｔｅ　ｄｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆ　ｏｏｎｃｃｒｅｔｅ　ｃｏｖｅｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｎ　ＦＲＰ　ｐｌａｔｄ　ｅＲＣ　ｂｅａｎｌｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｉｒａｌｓ，２Ｏ０３，１７（１）：３—１３．　［１１］过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２Ｏ０３．　Ｓｅｖｅｒａｌ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　Ｐｅｅｌｉｎｇ—ｏｆｆ　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｎ　Ｍｉｄｓｐａｎ　ｏｆ　ＲＣ　Ｂｅａｍｓ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＦＲＰ　Ｓｈｅｅｔｓ　ＸＩＯＮＧ　，ｌｇ，ＹＡＮＧ　Ｑｉ－ｆｅｉ　，Ｏａｉｎａ）　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｔｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｔｏｕ　５１５０６３，ＧＩｌａｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｐｅｅｌｉｎｇ一　ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｕｎｌｍａｒｉｚｅｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｅｌｉｎｇ－ｏｆｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｔｒａｉｎ　ｏｆ　ｈｏｕｇｈｔ，ｗｈｉｔｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｒｅｄｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｅｒ　ｆｏｒ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｅｈｎｇ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｂｌｏｃｋ　ｗｉｔｈ　ｆ＇ｍｉｔｅ　ｅｌｅ—　ｍｅｒｉｔ　ｍｅｔｈｏｄ．ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ａｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ；ｐｅｅｌｉｎｇ—ｏ　ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｅａｍｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　简讯：在广州市未来的标志性建筑——珠江新城西塔项目的风洞试验抗　风研究项目竞标中，汕头大学风洞实验室凭借自身硬件和软件的优势一举　中标．目前相关的试验和研究正在紧张的实施中．　珠江新城西塔项目已于２００５年ｌ２月２６日正式动工兴建．西塔总投资　６０亿元人民币，占地面积为３ｌ　０８４．９６平方米（含城市绿化广场８　５３１．４９平　方米），总建筑面积为４４．８万平方米，由塔楼、裙楼和服务式公寓组成．　预计２００９年建成后，将成为由中国公司投资建设的中国内地第一高楼．