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使用CFRP板加固RC桥板
摘要
许多旧结构在结构上不足以承载新的装载条件要求。此外，它们遭受结构退化，加固钢筋腐蚀，恶劣天气条件。许多国家的许多官方当局已经认识到许多旧的桥梁和建筑物在今天的标准下都不具有结构性的缺陷。由于这些原因，结构强化成为必不可少的要求，市场上出现了不同的强化技术。纤维增强聚合物（FRP）加强技术在所有其他技术中建立了良好的位置，与其他技术相比，具有优异的结构结果，所需的时间少，成本更高。本研究的主要目的是通过使用外部粘结的FRP板材技术分析研究钢筋混凝土桥面板由于过载而增强的强度。商业有限元程序ANSYS用于对使用几种FRP板材的强化板坯模型进行结构线性和非线性分析。进行了参数研究，以分析评估在增强RC板中改变FRP刚度和FRP方案的效果。将结果与对照板（钢筋混凝土板不加强）进行比较，显然将FRP板材附着在RC板材上增加了其容量并提高了延展性/韧性。
关键字 平板；强化；CFRP；有限元；ANSYS；造型
- 介绍
使用纤维增强聚合物（FRP）加强结构构件是提高和提高各个构件以及整个结构抵抗其不同水平的应用载荷的能力的最有力的方法之一，其更大 比结构的阻力能力没有加强。 加强改善单个构件与整个结构的机械性能，直至失效如延展性，韧性，开裂行为和后屈曲行为[1,6]。
当美国和其他国家的大量钢筋混凝土桥梁在今天的标准上在结构上不足时，FRP加固的好处变得很明显[7]。 主要的因素导致加固的需要是结构使用的变化，负载要求的增加，由于暴露在侵蚀性环境中的腐蚀劣化，或者希望在某种负载类型如循环负载下增强结构行为。 为了保护这些桥梁，康复被认为是维持其能力和增加公共安全的重要因素Kachla- kev等人 [5]。
许多研究人员发现，FRP复合材料强化是一种有效，可靠和经济有效的康复手段[5]。 美国混凝土协会委员会440（ACI 440）为FRP应用建立了钢筋混凝土的设计建议和指导，无论是加固还是设计。
FRP通常以层压结构组织，使得每个层（或层）包含嵌入在轻质聚合物基质材料的薄层内的单一织物或织物纤维织物的布置。 纤维通常由碳，芳族聚酰胺或玻璃组成，提供强度和刚度。 该基质通常由聚酯，环氧树脂或尼龙制成，以保护纤维免受损伤，并在纤维之间传递应力。 另外还有两种类型的FRP复合材料，通常用于加强和设计双向板坯的FRP复合材料，以及成为钢筋混凝土钢筋替代品的FRP抢断[8]。
- 文献综述
瓦斯克斯和卡尔巴里[9]实验研究了六个实际标本;作者研究了失效机制和后解耦响应。第一和第四个试样为长6.0米，厚度3.20米，厚度0.18微米的长方形板，上部和下部均为钢筋网，其余试件断口为矩形开口，测量长度为1.0米，宽度为1.60米每个板坯样品的中心。根据载荷的配置将样品分成两组。组“A”由第一个3个样本组成，两个点之间加载，间距为2.36 m，在板块长度的中间线。组“B”包括接下来的三个样本，两个点之间的间距为两点，间距为2.30米，在板宽的中间线。作者指出，对于在未加强板坯中切除区域之后的“A”组，第一次产量在负荷4.5吨时发现，板坯的长度和长度上的裂纹增加超过第一次裂纹直到破裂发生在负荷6.7吨。在强化板坯的情况下，失效是由于FRP带剥离引起的，首先产量的载荷只有非常短而细的发丝断裂，首先通过在5.8吨的载荷下开裂粘合剂来注意到损坏。最接近切口边缘的条带显示出当地断裂的第一个迹象，在16.3吨的载荷下，混凝土开裂，此后，随着混凝土覆盖层内条带的剥离逐渐增加，载荷也增加到负载为16.7吨。
Arduini等人[2]实验研究了26个实际尺度的平板;强化系统由通过手动堆叠施加的CFRP层压板，S型无突出部分，C型具有悬臂悬垂。基于不同量的内部钢筋在拉伸和压缩中，将每组进一步分为四组（T1-T4）。在每个板坯中，研究了两种不同水平的CFRP强度（L1-L2）。典型的板坯是5.0米长，1.5米宽，0.24米厚，网格加固顶部和底部。在实验室中通过液压千斤顶进行的弯曲试验提供了在位移控制下操作的载荷。作者指出，通过混凝土剪切失效的样品（S-T2L2）的FRP极限应变非常低，而由于纤维破裂失败的（S-T2L1）中的应变大约为0.0082。样品（S-T2L2）和（S-T4L2）在失效前显示广泛的裂纹裂纹，样品（S-T1L2），（S-T3L2）和（S-T4L1）在FRP安装之前，钢筋混凝土裂缝进展到支撑和预裂开，并没有大大影响构件的整体性能。
Ebead和Marzouk [3]通过实验研究了9个双向方形平板，尺寸为1.90米，厚度为0.15微米，厚度不同，试样被简单地沿着四个边缘支撑，角落自由提升，并通过柱桩中心加载。作者根据故障模式确定了钢筋比例，而钢筋比小于等于0.5％的钢板的破坏模式通常是钢筋混凝土模式，钢筋比为1.0％以上可能由于冲压而失效剪切模式。作者指出，钢筋比为0.35％的试样表明，7.3,7.0和6.8吨最低的裂纹载荷为9.4，8.0和8.3吨，其中第一次裂纹荷载为强化试样。比例为0.5％，钢筋比为1.0％时，第一次裂纹载荷为8.9,10.3和9.6吨。使用CFRP（碳纤维增强聚合物）和GFRP（玻璃纤维增强聚合物）与参考规格相比略有增加等效钢筋比。随着钢筋比例的增加，载荷值随着钢筋比从0.35％提高到1.0％，极限载荷下的移动量从42减少到24 mm。对于强磁试样，载荷 - 弯曲曲线的斜率高于相应的参考试样，在强度试样的极限载荷下的平均偏差大约为相应参考试样的0.6。由于FRP材料对板坯整体行为的影响，对于冲压剪切强化，与相应的参考试样相比，强化试样的变形较小。
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- Solid65 (b) Solid46 (c) Link8, 3-Dlink
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图1 使用的建模元素。
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- (b)
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图2 （a）应力 - 应变曲线，（b）模糊裂纹。
（5）第五验证级别
（1）第一验证级别
（2）第二验证级别
（3）第三验证级别
（4）第四验证级别
图3 不同验证水平的比较曲线。
图4 平板模型的计划和横截面细节，尺寸以米为单位。
图5 ANSYS模型的3D和高程。
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Table 1 CFRP flexure schemes attached to slab soffit. |
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Model ID |
FN |
Attachment configuration |
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S-0 |
– |
Control slab – without strengthening |
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S-1 |
1 |
FW = 100 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 1.0 m |
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S-2 |
1 |
FW = 100 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.6 m |
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S-3 |
1 |
FW = 100 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.3 m |
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S-4 |
2 |
FW = 100 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.3 m |
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S-5 |
3 |
FW = 100 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.3 m |
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S-6 |
3 |
FW = 100 mm, FL = 2/3S = 1.40 m, and FS = 0.3 m |
|
S-7 |
3 |
FW = 100 mm, FL = 1/3S = 0.80 m, and FS = 0.3 m |
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S-8 |
1 |
FW = 200 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 1.5 m |
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S-9 |
1 |
FW = 200 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 1.0 m |
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S-10 |
1 |
FW = 200 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.5 m |
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S-1l |
2 |
FW = 200 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.5 m |
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S-12 |
3 |
FW = 200 mm, FL = 1S = 2.1 m, and FS = 0.5 m |
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S-13 |
3 |
FW = 200 mm, FL = 2/3S = 1.40 m, and FS = 0.5 m |
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S-14 |
3 |
FW = 200 mm, FL = 1/3S = 0.80 m, and FS = 0.5 m |
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S-15 |
2 |
FW = full slab length, and FL = 2/3S = 1.4 m |
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S-16 |
3 |
FW = full slab length, and FL = 2/3S = 1.4 m |
- 有限元建模
ANSYS计算机程序用于分析基于有限元建模技术的不同机械和结构应用。 SOLID65元素用于对普通混凝土材料进行建模，因为它具有拉伸破裂和压缩破碎的能力，SOLID65元件由8个节点定义，每个节点具有三个自由度;在节点x，y和z方向的翻译。假设元素材料最初是各向同性的。该元件的最重要的方面是处理非线性材料性能，其中混凝土除了结合塑性和蠕变行为之外还能够定向开裂和破碎。使用LINK8元件对加强钢筋进行建模;它是单轴拉伸压缩构件，其可以包括非线性材料性质。该元件包括两个节点，每个节点具有三个自由度，对于钢筋，假设弹性完美的塑性表示。使用SOLID46分层结构固体元素对CFRP材料进行建模，该元件包括8个节点，每个节点具有三个自由度。元素材料被假设为正交各向异性，并且在元件层之间不会发生滑动（完美的中间键）。然而，CFRP片材是脆性材料，应力 - 应变关系大致是线性的，直到失败。因此，在本研究中，假设CFRP层压板的应力 - 应变关系是线性弹性的;元件如图1所示。
建议的混凝土应力 - 应变关系表示上升和下降部分。 该关系提供两个参数，一个用于调整上升部分，另一个用于控制下降部分。由于其简单性和实验验证，本研究利用了Ghoniem [4]提出的应力 - 应变关系，如图1所示。 这个关系如下：
混凝土应力与最终结果的比值克里特力量，
混凝土应变与应变的比例Y = 1，
m = Eo / Esc在Y = 1时初始正切模量与正割模量的比率，
n是控制下降部分的斜率和曲率的因素，
参数（m，n）如下，基于测试数据，
,
在这种情况下，割线模量以Esc = Eo / m给出。
破碎和破碎是影响混凝土非线性行为的最重要因素。 ANSYS程序采用的裂纹建模是模糊裂纹表示。 其中剪切传递系数（bt）表示后续载荷的剪切强度的减小因子，其导致在裂纹面上的滑动（剪切）。 如果裂纹闭合，则所有压缩应力均垂直于裂纹平面传播，只有剪切减小因子（bc）才能引入闭合裂纹。 典型的剪切传递系数从零开始，其表示平滑的裂纹到一个，表示粗糙的裂纹。 在本分析中，和
混凝土模型材料预测脆性材料的失效。 考虑破碎和破碎破坏模式。 多轴应力状态下混凝土的破坏准则用下式表示：
其中
主要应力状态（fxp，fyp，fzp）的f函数，
S表面主要应力表面的破坏面，
fcu单轴破
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