混合裂纹对钢板加固混凝土梁安全性的影响

张淑峰 张明峰 蔺海晓

(1．沈阳奥思特安全技术服务有限公司，辽宁沈阳 110031; 2．上海梅山矿业有限公司，江苏南京 210041;3．河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000)

近些年来，外贴钢板加固混凝土构件成为对建筑物进行加固和修改的重要办法，这是因为该方法能够简单、快捷施工以节省劳动力和施工成本。但是该方法要求混凝土梁和钢板之间有良好的粘结关系以确保两者能够共同工作，所以钢板与混凝土之间的粘结性能非常重要。混凝土梁通常也是通过粘结层把承受的拉力传递给钢板，因此粘结层对构件的安全性以及耐久性都有着非常重要的意义。更好的了解钢板和混凝土之间的粘结作用利于组合梁的整体力学性能评估以及更好优化钢板加固方案。然而，由于混凝土本身是一种非均质材料，材料性能的离散性比较大，其破坏模式和断裂模式都比较复杂，使得钢板加固混凝土组合梁的分析更加复杂。因此，有必要采用数值方法对钢板和混凝土之间的粘结机理进行分析，为优化钢板加固混凝土结构设计提供参考。

1 数值模型及验证

本文采用RFPA2D混合裂缝引起钢板加固混凝土梁脱粘的数值模拟。其基本的单元类型为平面四边形单元。模型假设单元的材料性能参数满足Weibull概率分布函数[1］:

其中，u表示服从Weibull分布材料性能(例如强度、弹性模量等)的数值;而u0是与所有单元参数的平均值。参数m定义了Weibull分布函数的形态，该参数m反映了参数的离散程度，其数值越大表示材料越均匀。当其由小到大变化时，单元的力学参数分布变得较为集中，更接近于给定的参数u0，当m＞100时，生成的数字模型可以被认为是均质模型。单元的破坏准则为最大拉应力准则或摩尔库仑准则，同时通过定义残余强度准则来模拟单元破坏后的力学性能。在模型加载的过程中，可分步施加外荷载，详情参考文献[1］。

本文模型尺寸为375 mm×150 mm，单元的尺寸为1 mm×1 mm，粘结长度取直径的整数倍。混合裂缝和模型尺寸的比例如图1所示。整个模型简化为平面应力进行计算。模型中材料的取值参考了文献[2］的试验数据。混凝土和钢板的弹性模量分别取38 GPa和210 GPa，混凝土强度取30 MPa左右，钢板的屈服强度取250 MPa;粘结强度取13．5 MPa;钢材和混凝土的泊松比分别取0．3 和 0．2。

在本文的模型中，混凝土被视为非均质的材料以反映混凝土本身各组分性能的差异以及存在的原始缺陷;粘结层亦视为非均质材料，考虑了实际试验中胶层与混凝土之间由人为因素造成的粘结缺陷。混凝土与粘结层的性能参数都服从Weibull分布。

图1 钢板加固混凝土模型示意图

为了验证数值模型的正确性，与相关文献的试验结果进行分析对比如图2所示。载荷位移关系如图3所示，破坏模式如图4所示，可见数值模拟结果和试验结果吻合较好。

图2 含预制裂纹的素混凝土梁

图3 试验和模拟载荷位移曲线对比

图4 试验裂纹路径和计算裂纹路径对比

2 计算结果及讨论

在试验研究中，限于试验条件，往往很难得到钢板和混凝土的脱粘发展规律，数值方法则比较容易实现。不同荷载等级下钢板和混凝土之间的脱粘规律如图5所示:由图5中可以看出，脱粘最先产生于混合裂缝的端部，这是因为该点存在着应力集中，导致该范围内的钢板和混凝土首先发生脱粘;随着载荷的不断增加，脱粘开始从混合裂缝向梁的端部延伸。与此同时，混合裂纹上端的混凝土也出现了开裂，随着载荷的增加，混凝土裂缝逐渐向加载点扩展。进一步观察可发现钢板和混凝土的脱粘仅发生在裂缝和梁的端部，而在裂纹和加载点之间的部分，并没有发生脱粘现象。这是因为在梁的端部和混凝土裂缝之间部分，粘结层上面的正应力是拉应力，这种拉应力的存在，加速了界面脱粘现象;而在裂纹和加载点之间的部分，界面上的正应力为压应力，该压应力并不能对脱粘起到推动作用，因此，脱粘仅发生在裂缝和梁端之间的部分(见图6)。

图5 脱粘发展过程

图6 界面正应力分布

3 结语

采用数值计算的方法，对混合裂纹引起的钢板加固混凝土梁的脱粘过程进行了分析研究。计算结果表明，脱粘产生于混合裂纹的端部，随着荷载不断增加而向梁的端部扩展，同时在混凝土中，裂纹也从原来的位置向加载点扩展;由于界面存在压缩正应力，因此在加载点和预制裂纹之间，没有脱粘发生;数值计算结果和试验结果基本吻合。

[1] 朱万成，张娟霞，唐春安．FRP加固混凝土构件中裂纹扩展规律的数值模拟[J］．建筑材料学报，2007，10(1):83-88．

[2] Galvez JC，Elices M．Guinea GV and Planas[J］．Internal Journal of Fracture，1998(98):267-276．