GFRP布在桥梁梁体加固抗剪性能的研究

时间：2024-12-27

王加练，史玉保

（云南省城乡规划设计研究院，云南 650228）

0 引言

传统结构设计中总是遵循着“强剪弱弯”的原则，桥梁剪切承载力的设计冗余度较大，这主要是因为结构的剪切破坏呈脆性，极易造成极大的经济损失。因此在过往的检测加固领域中往往忽视了对桥梁剪切承载力加固的研究［1］。但近年来，对一大批桥梁的结构检测结果发现，桥梁在使用过程中极易产生较多的斜向剪切裂缝。裂缝的产生导致空气中的腐蚀性物质进入结构内部，内部钢筋极大的被腐蚀，结构耐久性大打折扣。造成上述结果的主要原因是由较大的施工误差、桥梁长期承担满超载货车［2］。

纤维增强复合材料是一种由基体和内部纤维复合而成的新型材料。其内部纤维可分为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，其中碳纤维增强复合材料（CFRP）被广泛的应用于航空制造领域。但由于CFRP 材料造价过于昂贵，因此将其应用于桥梁领域显得不切实际。虽GFRP材料的强度不及CFRP，但其优势在于造价较低［3］，可大量应用于桥梁加固领域。近年来，国内外大量学者针对FRP材料加固桥梁进行了深入的研究［4，5］。Javed M［6］分析了不同FRP 外贴形式对于混凝土梁剪切加固效果的影响。赵彤等［7］对混凝土梁进行了CFRP 加固试验，研究结果表明外贴FRP可显著提升低配筋梁的抗剪力学性能。Chaallal［8］研究发现斜向粘贴FRP的加固形式，其抗剪加固效果较为良好。

综上所述，现有的研究大多集中于CFRP，但针对GFRP的加固效果研究较少。考虑到造价因素，CFRP大规模应用于桥梁加固领域不太现实，因此研究GFRP 对于混凝土梁的加固效果仍将是一个热点，且具有重要意义［9］。文中基于某试验梁，建立ABAQUS有限元模型，通过对其进行破坏加载分析了加固后的混凝土梁剪切破坏机理，比较加固前后的剪切承载力差异。

1 试验概况

1.1 试验梁简介

文中设置两组试验（S-1、S-2），两组试验的尺寸、配筋、加载剪跨比均相同，试验梁尺寸及配筋依据文献。不同点在于S-1 未进行FRP 加固，S-2 进行了FRP抗剪加固。

如图1（a）、图1（b）所示，试验梁跨径L=1900mm，有效跨径L0为1600mm，梁高h=250mm，梁宽b=150mm，加载剪跨比均为2.3。试验梁内部梁底布置3 根直径为20mm的钢筋，顶部布置2根直径为20mm的钢筋。梁箍筋直径为6mm，箍筋间距为200mm。S-2 梁FRP 布置方案如图1（c）所示，FRP截面尺寸为50mm×6mm。

图1 试验构造图（单位：mm）

2 数值模型的建立

2.1 材料参数

混凝土本构采用GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》［10］中对于混凝土本构的定义如式（1）、式（2）所示，混凝土参数取值如表1所示。

表1 混凝土材料参数

式中，σ为应力；dt为拉伸损伤参数；dc为压缩损伤参数；Et为拉伸弹性模量；Ec为压缩弹性模量；ξ 为应变。

钢筋均采用无屈服点钢筋应力-应变曲线，钢筋本构表达如式3 所示，钢筋材料的屈服强度fy为400MPa。

式中，Es为钢筋的弹性模量；σs为钢筋应力；ξs为钢筋应变；fy，r为钢筋的屈服强度代表值；ξy为与fy，r相对应的钢筋屈服应变；ξu为钢筋硬化段斜率。

加固试验中所用GFRP 材料力学参数：极限强度为370MPa，弹性模量为25000MPa。有限元建模计算中可将材料简化为弹性。

2.2 网格划分及边界条件

建立有限元模型如图2、图3 所示。为保证加载点梁体不出现应力集中，因此在加载点、支座处施加垫块。梁体、垫块、GFRP 加固板均采用C3D8R 单元，内部钢筋均采用T3D2单位。梁体支座采用简支边界条件。

图2 未加固梁体有限元模型（ABAQUS软件提取）

图3 加固后梁体有限元模型（ABAQUS软件提取）3 模拟结果分析

3 模拟结果分析

梁体有限元计算结果如表2 所示。由表2 可知，当对混凝土梁体进行加固后，其极限承载力Pu由394.5kN提升至440.9kN，FRP加固可使得承载力可提升11.8%。当对混凝土梁体进行加固后，其极限承载力Pu，0.5 由238.5kN 提升至240.2kN，FRP 加固对于0.5 倍极限承载力影响不大。加固后，极限承载力所对应的刚度Pu/Su可由58.01kN/mm提升至65.8kN/mm，FRP 加固可使得极限承载力所对应的刚度提升13.4%。0.5倍极限承载力所对应的刚度Pu，0.5/Su，0.5可由103.7kN/mm 提升至109.2kN/mm，FRP 加固可使得极限承载力所对应的刚度提升5.3%。

表2 计算结果

3.1 混凝土梁荷载-位移曲线

梁体荷载-位移曲线如图4所示。由图可知，FRP的加固对于梁体的前期刚度影响不大，加固前后荷载-位移曲线重合度较高。

图4 荷载-位移曲线（ABAQUS软件提取）

当荷载达到0.75Pu以后，加固后梁体刚度明显大于加固前，这说明加固后的FRP开始在此阶段发挥作用，提升了混凝土梁的强度及刚度。

由图4也可知，当利用FRP对梁体进行加固后，其是在梁体刚度下降后可急需承载，这说明所加固的FRP 板需在梁体抗剪刚度下降后才能发挥作用。因此FRP板加固不能够抑制裂缝的开展，其能提高梁体在开裂后的极限承载力。

3.2 混凝土拉伸损伤分析

对比分析加固前后梁体在0.25、0.50、0.75、1.00Pu4个阶段计算结果可知以下结论。

对于未加固的混凝土梁，当加载至0.25Pu时，混凝土梁体跨中出现较多的竖向裂缝，且在剪弯区已近出现较多的拉伸损伤。当加载至0.50Pu时，竖向裂缝继续数量继续增加，剪跨区拉伸损伤开始由梁底延伸至梁顶。当加载至0.75Pu时，梁顶拉伸损伤开始由边跨延伸至跨中。当加载至1.00Pu时，梁顶布满拉伸损伤。

对于加固后的混凝土梁，各个阶段的拉伸损伤均小于所对应的加固前混凝土梁。这是因为GFRP板可承担部分应力，混凝土承担应力较小，因此其裂缝开展较为延缓。