1、含指数软化粘结-滑移本构模型的 FRP摘 要 由于具有轻质高强、施工方便和耐腐蚀性强等特点，纤维增强复合材料 FRP 在土木建筑中得到了广泛的使用。文中基于 FRP-混凝土界面粘结-滑移的指数模型，运用有限元软件 ANSYS 对界面破坏进行了数值模拟，分析了与面内剪切剥离承载力相关的主要因素如粘结长度、粘结宽度以及 FRP 刚度等对荷载-位移的影响。结果帮助更好地理解 FRP-混凝土界面剥离的过程同时为分析应用过程影响因素提供理论依据。 关键词 FRP；有限元；剥离破坏 中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号： 1 绪论 混凝土是现在被广泛使用的建筑材料，因为它经济，制造简单，寿命相
2、对较长。但混凝土结构常因设计失误、施工缺陷或使用过程中的损伤、老化和灾害等因素，造成构件开裂，承载力不足等影响安全和使用功能的问题，需要进行加固。近来，纤维增强复合材料（Fiber-Reinforced Polymer，简称 FRP）粘贴加固技术由于 FRP 具有很好的比强度、比刚度、耐腐蚀、非磁性、重量轻、施工方便和工期短等优点而成为一种越来越多使用的加固技术。已有的大量实验结果表明，FRP 加固混凝土的破坏主要是界面破坏1，因此，文中基于 FRP-混凝土界面粘结-滑移本构模型的试验研究成果2，即含指数软化的模型，对 FRP-混凝土界面进行有限元分析，以期可以更好的理解 FRP-混凝土界面剥
3、离的过程和关键因素，理解粘结长度、粘结宽度等对界面的影响。 2 基本界面模型 图 1 粘性粘结接头3 如图 1 所示的粘结接头是一个简单而典型的钢/FRP 板加固混凝土结构模型。上层钢/FRP 板和下层混凝土厚度分别为 tp 和 tc，宽度分别为bp 和 bc，杨氏弹性模量分别为 Ep 和 Ec，粘结长度为 L。 对此粘结接头，一般认为粘结层主要受到剪切变形，并作如下假设来简化问题： (1) 粘结体（钢/FRP 板和混凝土）是均匀和线弹性的； (2) 粘结层只受到剪力作用； (3) 忽略弯曲影响； (4) 横截面上正应力均匀分布； (5) 粘结体的厚度和宽度在整个粘结范围是不变的。 图 2 界
4、面粘结-滑移本构关系2（下文称为指数模型） 实验研究表明局部粘结-滑移本构关系如图 2 所示。随着界面的滑移粘结剪应力线性递增直至达到应力 f （1） ，界面滑移线性增加到1（1） ，此为线弹性 ；紧接着界面的滑移粘结剪应力仍线性递增直至达到应力峰值 f，同时界面的滑移量由 1 线性增至 1，此为线性硬化；当界面滑移量达到 1 时，界面软化开始，其剪应力随着界面的滑移而呈指数变化的减小，此为指数软化。其数学描述如下：3 有限元模型 混凝土单元 SOLID45，FRP 单元为 SHELL63，界面单元是非线性弹簧单元 COMBIN39 4。 1. 几何和材料特性参数：FRP 板厚度 tp=1.4
5、mm，弹性模量Ep=152.2GPa。 混凝土厚度 tc=100mm，混凝土宽度 bC =100mm，Ec=32.5GPa，网格划分大小 d=5mm。 2. 界面特性参数：=0.5，=0.7，k=800N/m， MPa，mm，f = 0.355714mm。 4 数值计算结果 图 3 不同粘结长度的荷载-位移曲线 图 3 中最大荷载 P 随着粘结长度的增大而增大。但超过 200mm 时，增幅不大，就像 P- 曲线在 L=250mm、300mm 时基本是重合的，造成这个现象的原因，可能是存在一个有效粘结长度的问题。 图 4 不同粘结宽度荷载-位移曲线 图 4 中考虑到有效粘结长度，取 L=100m
6、m。可以看出粘结宽度对最大荷载的影响很大，对界面位移也有影响。粘结宽度从 10mm 上升到 50mm，最大荷载基本是比例增长的。 图 5 不同 EP 的荷载-位移曲线 图 5 中取 L=100mm，bp=30mm，最大荷载随着 FRP 刚度的增大而增大，但界面相对位移也减小了，表现为 FRP 的脆性弱点，延性不足。 5 结论 FRP-混凝土界面性能是 FRP 混凝土加固技术的重点难点问题，文中运用了有限元方法，对指数模型进行了数值分析。可知影响面内剪切剥离承载力的主要因素对承载力的影响：增大粘结长度可以改进失效过程的延性；当粘结长度小于有效粘结长度时，承载力随着粘结长度的增加而增加，当粘结长度
7、大于有效粘结长度时，承载力维持在有效粘结长度的承载力；粘结宽度对极限承载力有很大影响，随着粘结宽度的增大，承载力基本成比例增大；FRP 刚度增大，承载力提升，但延性减小。粘结宽度对最大破坏荷载的影响很大，对界面位移也有一定影响。通过文中的有限元分析，可为更好的理解 FRP-混凝土界面剥离的过程和工程运用中掌握各个影响因素和应用提供帮助。 参考文献 1 Teng JG, Chen JF, Smith ST, Lam L. Behaviour and strength of FRP-strengthened RC structrues: astate-of-the-art reviewJ. Pro
8、c. The Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings, 2003,156(1): 51-62. 2 Sang-Kyun Woo and Yun Lee. Experimental Study on Interfacial Behavior of CFRP-Bonded Concrete，KSCE Journal of Civil EngineeringJ,2010, 14(3):385-393 3 Yuan H, Teng JG, Seracino R, Wu ZS, Yao J. Full-range behavior of FRP-to-concrete bonded jointsJ. Engineering Structures, 2004,26(5): 553-565. 4 王新敏ANSYS 工程结构数值分析北京：人民交通出版社，2007.10
