CFRP加固混凝土结构的界面力学性能

CFRP是一种典型的弹性材料，与传统的加固材料钢材相比，CFRP在加固修复混凝土结构中具有明显的优点，具体表现在高强高效、施工便捷、适用面广、基本不增加结构自重和结构尺寸等方面[1]。

实际工程中，采用不同的粘贴方式使CFRP发挥不同功能的作用。

目前，CFRP在加固混凝土结构中的应用形式之一为包裹混凝土柱表面，使主纤维方向沿柱环向，进行柱的受压及抗震加固[1]。

ABAQUS/CAE是ABAQUS的一种广泛而全面的有限元建模交互式图形环境。

本文利用ABAQUS/CAE进行前处理和后处理，研究CFRP约束高温后混凝土静态力学性能，与试验数值进行对比，以期为工程设计及进一步试验研究提供参考[2]。

1混凝土温度场有限元分析1.1混凝土热工参数的选取进行混凝土温度场有限元分析，最重要的是要确定混凝土的热工参数。

混凝土有三个基本热工参数用于温度场分析：导热系数l c、质量密度ρc与比热容c c。

其余的热工参数均可由这三个基本参数推导得出[3]。

导热系数l c表征材料导热能力的大小。

其物理含义为单位时间（h）内，在单位稳定梯度（K/m）下，通过材料单位等温面积（m2）的热量（J），单位为W/（m·℃）。

模型中采用Lie[4-8]提出的混凝土导热系数随温度的表达式，见式（1）。

其中，温度T单位为℃。

可知，随温度升高，混凝土的导热系数逐渐降低。

λc={1.3550≤T≤293-0.001241T+1.7162T>293（1）质量密度ρc的物理含义为单位体积下材料的质量，单位为kg/m3。

由于高温使得混凝土内部水分丧失，故混凝土的质量密度随温度升高逐渐降低。

但与其他热工参数相比，混凝土质量密度在高温过程中变化幅值相对较小。

因此，为了简化模拟，模型中混凝土的质量密度ρc取为常值2400kg/m3。

比热容c c表征材料吸热能力。

其物理含义为单位质量（kg）的材料，当温度升高1K（或1℃）所吸入的热量（J），单位为J/（kg·℃）。

FRP材料的力学性能分析及研究现状摘要：纤维增强复合材料(简称FRP)是一种高性能材料，其在建筑结构加固技术中的应用优势显著。

重点介绍了FRP材料的力学性能，并对FRP材料的研究现状作了综述性的概括。

关键词：FRP 力学性能研究进展如何提高钢筋混凝十结构的耐久性、增强使用寿命是土木工程中迫在眉睫的问题。

鉴于上述方面的需要，由于纤维增强聚合物(FRP)具有轻质、高强、耐久性好等优点，日本、美国、欧洲等发达国家很早就开始对其研究，探索其替代预应力高强钢筋(钢绞线)的可行性。

现在FRP材料在混凝土结构中的应用受到越来越多的国家学者的关注，已成为国际混凝土领域的一大热点。

1、FRP的组成根据FRP纤维种类的不同，FRP可分为碳纤维CFRP、玻璃纤维GFRP、芳纶纤维AFRP以及近来国外新开发的PBO-FRP复合材料和DFRP等复合材料，还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维CBF等。

FRP筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基本结合材料，并掺入适量的辅助剂，采用挤拉成型技术形成的一种新型复合材料。

FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关，不同成分的FRP筋性能差别很大。

2、FRP筋的特点及力学性能FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。

如CFRP的抗拉强度可达到3000MPa以上，比强度高(比钢材高lO～15倍)；CFRP和AFRP的抗疲劳性能较好，大大优于钢材，其疲劳极限可达静荷载强度的70％～80％，但GFRP的疲劳性能低于钢材。

与钢筋不同，FRP筋是各向异性材料，FRP筋的应力-应变关系呈线性关系，与钢材应力-应变关系比较如图1所示。

FRP在达到极限抗拉强度之前无塑性交形，且FRP筋的极限应变比钢筋小。

FRP材料与普通钢材的性能比较见表1。

新型FRP产品PBO-FRP除具有与高强CFRP有相近的力学性能外，还表现出更好的物理性能，如良好的柔韧性等；DFRP冲也具有优异的物理力学性能，抗拉极限应变可达3.5％，延性良好[1]。

碳纤维加固在钢筋混凝土结构中的应用作者：张智霖陈状来源：《城市建设理论研究》2014年第06期摘要：碳纤维增强塑料（简称CFRP），是一种新型的工程建筑材料，目前在土建加固工程中运用十分广泛。

本文对CFRP约束钢筋混凝土结构在承载状态下的力学性能进行了分析，以及CFRP加固钢筋混凝土结构的适用范围、施工技术、施工要点。

关键字：碳纤维加固,钢筋混凝土,抗拉强度;中图分类号：TU511.3+2文献标识码：A;0 前言在实际加固工程中，因设计失误、施工不当或使用功能改变等，造成的结构或构件不能满足现行规范规定的正常设计使用要求，要使其结构或构件能够继续安全、正常的使用，则必须采取一定的措施进行补强修复。

由于碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构具有较好的物理力学性能、抗化学腐蚀、承载力高、施工简单，在结构补强加固上得到了广泛应用，下面就该加固技术进行介绍。

1 钢筋混凝土结构CFRP加固机理分析1.1 钢筋混凝土结构CFRP加固原理钢筋混凝土结构在承受轴向压力时，构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的，如能在构件四周创造横向约束，以阻止受压构件的这种横向扩张，从而提高构件抗压承载力和变形能力。

碳纤维CFRP加固钢筋混凝土结构就是在结构混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用，（它们之间的相互作用力称为界面约束应力）受横向界面约束应力的作用，塑性区的核心混凝土处于三向应力状态，与单向受力状态相比，混凝土的极限压应变和承载力会提高，在结构弯曲承载力没有明显下降的情况下，并不考虑失稳的影响，加固后钢筋混凝土结构具有较大的延性变形与耗能能力。

1.2 钢筋混凝土结构在CFRP包裹作用下的应力分布情况1) 由于CFRP对钢筋混凝土结构的横向约束后使CFRP形成轴向拉伸应力，而CFRP的抗弯能力极弱（一般不考虑），矩形结构在CFRP包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆结构而言大大降低，主要由于侧向约束应力不均匀。

矩形结构边中央侧向约束弱，拐角处侧向应力集中约束较大，结构边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土结构的横向约束应力才能极速增长。

CFRP加固钢筋混凝土结构的研究与应用现状作者：郑益斌潘天久来源：《城市建设理论研究》2013年第12期摘要：碳纤维增强材料（CFRP）作为高性能结构加固材料在国内外土木工程中已得到广泛应用。

本文作者综述了CFRP在梁、柱、整体框架的研究现状以及CFRP加固钢筋混凝土结构的典型工程应用与现存问题。

中图分类号：TU375文献标识码： A 文章编号：0 引言近几年，碳纤维增强材料（CFRP）作为高性能结构加固材料在国内外土木工程中已得到广泛应用。

与传统加固方式相比，CFRP具有轻质高强、耐腐蚀性好，施工方便等优点。

国内外众多科研院所对CFRP在梁、板、柱、框架加固后的受力与抗震性能进行了深入研究，均取得了良好的技术成绩与社会效应。

1 CFRP及粘贴材料的性能1.1 CFRP的性能碳纤维增强材料（CFRP）是含碳量高于90%的无机高分子纤维，每根碳纤维丝由3000~12000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成,其粗细仅相当于人的1根头发丝。

碳纤维布的抗拉强度可达3500MPa以上,为普通建筑用钢板材强度的十几倍,而比重为180kg/m3,仅为钢材比重的1/4 [1]，其轻质高强的特性便得以体现。

1.2 粘贴材料的性能在钢筋混凝土结构加固中，粘贴材料运用最为广泛的是环氧树脂。

作为CFRP与混凝土直接以及CFRP本体直接的粘贴材料，其材料性能显得尤为重要。

环氧树脂的黏度一般可达0.03~0.15Pa.s,触变系数为3.0~8.0[2]，在室温条件下固化时收缩率低，表现出良好的力学性能与稳定性。

2 CFRP加固钢筋混凝土结构的研究现状2.1 CFRP加固钢筋混凝土梁CFRP加固钢筋混凝土梁主要研究梁加固后的力学性能（抗弯抗剪能力）；变形性能（跨中挠度、裂缝宽度）；界面剥离破坏等。

陈凤山、卢海林、MinaDawood等人对钢筋混凝土梁加固后的性能进行试验研究表明粘贴纵横向CFRP加固对试验梁的极限承载力提高效果显著，抗弯承载力涨幅大约在30%-50%，抗剪承载力涨幅约在25%-40%，加固梁延性所降低但其裂缝发展呈现密而细的状态。

浅谈钢筋混凝土CFRP加固摘要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic），由于具有质量轻、高强度、高模量、高耐温、耐腐蚀以及抗疲劳性能好等特点而被广泛运用于工程中，如建筑、桥梁等结构加固、维修、改造中。

采用碳纤维对结构加固、维修的方法是现代工程技术常用的方法。

关键词：CFRP；混凝土结构；加固CFRP混凝土结构加固技术的研究始于美、日等国家，近十多年来得到大量的推广和应用。

日本在该领域的研究与应用处于比较领先的地位并且编制较为成熟的设计规范。

美国也推出包括材料，计算与施工技术等相关的设计规范。

CFRP加固钢筋混凝土结构加固技术在欧美与亚洲许多国家和地区得到了充分的发展。

我国对CFRP加固混凝土结构的研究应用起步较晚。

首先是由国内的一些高校与科研院所带头研究，并取得了一定的科研学术成果。

一、碳纤维加固的优点与采用传统材料的加固方法比较，CFRP加固技术具有明显的技术优势，主要体现在：1）高强高效。

由于CFRP优异的物理力学性能，使用CFRP加固混凝土结构构件可以充分利用CFRP材料抗拉强度高、弹性模量高的特点，可显著提高被加固结构构件的承载能力和延性，改善混凝土结构构件的受力性能，加固效果好；2）耐腐蚀性能及耐久性。

CFRP的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用CFRP加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题；3）不增加构件的自重及体积。

CFRP质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间，有比较好的经济效益；4）适用面广。

由于CFRP是一种柔性材料，且可以任意地裁剪，所以这种加固技术可以广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各个部位，且不改变结构形状及不影响结构外观。

同时，对于其它加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁和桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，CFRP加固技术都能很好地解决；5）便于施工。

一、 FRP-混凝土界面粘结性能本构模型(一) 、概述面内剪切试验不仅被用来测定FRP-混凝土界面的剥离承载力，同时也被用来测定界面的局部粘结-滑移本构关系由面内剪切试验，界面粘结-滑移本构关系一般通过以下两种方法获得：(1) 在FRP 上布置应变片，量测FRP 内的轴向应变分布εf ，而后通过以下差分方程可以得到相应的局部粘结应力τ：f f fE t d dx ετ=同样局部滑移s 可以通过对FRP 应变从自由段开始按下式积分得到：f s dx ε=⎰(2) 通过加载端的荷载-滑移曲线推算出界面的粘结-滑移关根据Taljsten 基于非线性断裂力学的研究，在FRP 锚固长度足够大的情况下，界面剥离承载力由下式给出：u f P b =式中，f G 为界面破坏能，它等于粘结-滑移曲线所包围的面积，由于该公式和粘结-滑移曲线形状无关，因此它对理解界面剥离行为的一些影响参数很有帮助。

(二) 现有的本构模型(1) Neubauer & Rostasy 模型该模型为线性模型，粘结应力随滑移增加而线性上升，至剥离强度τmax 后突然降低到零。

这个模型在FRP-混凝土界面研究早期被广泛采用，Neubauer & Rostasy 通过70个面内剪切试验结果回归给出了该模型中的参数，其表达式如下：Nakaba等人进行了30个面内剪切试验研究，并测量了FRP的应变分布情况，进而由FRP应变分布给出界面的粘结-滑移本构关系。

该模型的公式为：由于该模型基于实测FRP应变，因此从曲线形状上来说，该本构模型是最接近实际情况的。

但如前所述，由于根据FRP应变分布确定界面粘结-滑移关系的方法会导致很大误差，因此在Nakaba等的试验中不同试件之间离散也很大，从G偏大，过高估计了界面的剥离承载力。

后面的比较也可以看出，该模型给出的界面破坏能f(3)Savioa et al.模型Savioa等人在Nakaba的工作基础上，用他们的试验结果对Nakaba模型中的参数进行了修正，最后得到的粘结-滑移模型为：(4)Monti et al.模型Monti等首先假设界面粘结-滑移关系为双线性模型，这一简化模型在分析FRP-混凝土界面行为中也被广为采用，特别是由该模型可直接得到界面剥离承载力的解析解[35]，因而对于工程设计非常有用。