复杂环境下CFRP-高强混凝土界面性能有限元分析.pdf
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1、第 卷第 期 年 月 铁道科学与工程学报 复杂环境下 高强混凝土界面 性能有限元分析 王苏岩, 刘鹏飞 ( 大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 ) 摘要: 利用 有限元分析软件, 对持续荷载与冻融循环耦合作用下以及持续荷载与干湿循环耦合作用下 加 固高强混凝土双面剪切试件的界面黏结性能试验进行有限元模拟, 将模拟结果与已有试验结果进行对比。结果表明: 有限 元模拟的计算值与试验结果吻合较好, 种复杂环境均会造成黏结界面的损伤, 随着冻融循环与干湿循环作用次数的增加, 试件界面的极限荷载、 极限端部黏结滑移均随之降低, 持续荷载的施加使降低程度加剧。在验证模拟结果正确的基础上, 进一步分析
2、试件的破坏形态的变化规律, 在冻融循环作用下, 试件发生混凝土内部剪切破坏; 随着干湿循环作用次数的增 加, 试件的破坏方式由混凝土内部剪切破坏逐渐转变为界面的黏结破坏。 关键词: ; 高强混凝土; 复杂环境; 持续荷载; 有限元分析 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: ( ) , ( , , , ) : , , , , , : ; ; ; ; 收稿日期: 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( ) 通讯作者: 王苏岩( ) , 女, 江苏灌云人, 教授, 从事结构工程研究; : 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 近年来, 高强混凝土以其优良的力学性能、 巨大的经济效益广泛应用于
3、高耸、 大跨度结构。 随着时间的推移, 高强混凝土结构加固问题也 日益凸显。碳纤维增强复合材料( ) 以其 轻质高强、 施工便捷等优点, 在结构补强加固领 域中迅速推广。 加固高强混凝士是通过 两者之间的界面层传递内力, 以达到加固补强 的目的。 与混凝土界面良好的黏结是保 证加固工程整体性能的前提。由于 加固 混凝土结构不少都应用于室外, 尤其在北方海 洋环境下服役的 加固高强混凝土结构长 期受到冻融循环、 潮汐作用以及上部结构自重 等影响。因此, 对于复杂环境下 高强混 凝土界面耐久性能的研究显得尤为必要。国内 外学者对 与混凝土的界面耐久性能进行 了大量研究, 但现有研究大都局限于普通混
4、凝 土, 对于 加固高强混凝土的界面耐久性能 的研究还不够充分, 而且主要集中在试验研究 方面 , 对于环境影响大多考虑单一因素作 用 。对于有限元分析则主要集中于研究正 常环境下影响界面黏结性能的因素方面 , 对于复杂环境下界面耐久性能的有限元分析则 研究较少。为了深入研究复杂环境下 与 高强混凝土界面层的黏结性能变化规律和破坏 机理, 利用 有限元分析软件, 根据文献 的试验参数建立有限元模型, 同时考 虑环境因素对于环氧树脂胶层的影响, 对于复 杂环境下 高强混凝土双剪试件的剪切 试验进行非线性数值模拟。 试验概况 文献 采用双面剪切试件对 高强混凝土界面性能进行试验研究, 混凝土 试块
5、尺寸为 , 强度 等级为 。在黏结测试面 黏结长度为 , 宽 , 布厚度为 , 为了避免端部边界效应的发生, 距加载端边界 的范围内为非黏结区域, 如图 所示。 试验采用环氧树脂作为界面胶黏剂。位移加载 速率约为 。 每一次冻融循环所用时间约为 , 冻融循 环作用次数依据试验现象分别取为 次, 次, 次以及 次。为了保证试件充分干 燥, 采用的干湿循环机制为 的饱水状态和 的干燥状态, 即每次干湿循环作用的时间 为 。干湿循环作用次数依据试验现象分别 取 次, 次, 以及 次。持续荷载作用 分为 与 个等级。 ( ) 试件实物; ( ) 试件尺寸 图 双面剪切试件 建立有限元模型 单元选取、
6、加载设置以及网格划分 依据试验中试件尺寸建立有限元模型, 考虑到 试件形状规则且对称, 取试件 模型进行分析, 以节约计算时间。混凝土采用实体单元 来 进行模拟, 采用壳单元 进行模拟 。 由于复杂环境对于环氧树脂胶层会造成一定程度 的损伤, 因此本文采用 两点线性弹簧单元, 将 与高强混凝土连接在一起, 通过输入弹簧 的刚度值来模拟胶层的剪切刚度, 这种设置模拟得 出的结果较用共用节点方式模拟胶层以及实体单 元模拟胶层等方法与试验情况更为符合, 建立模型 如图 所示。 由于模拟试验为双面剪切试验, 因此本文在模 拟其中一面受力时持续荷载取试验施加荷载的一 半。对于局部容易产生应力集中区域进行
7、网格加 密, 划分后的网格如图 所示。 第 期王苏岩, 等: 复杂环境下 高强混凝土界面性能有限元分析 图 有限元模型 图 网格划分 材料属性及参数设置 本文混凝土的本构模型采用塑性损伤模型。 其受拉和受压的应力应变关系方程采用混凝土结 构设计规范中提出的方程 。混凝土单轴受拉应 力 应变关系方程为: , , ( , ) , () , , ( , ) , , () 式中: 与 分别为混凝土受拉时产生的应力与 应变; , 为混凝土单轴抗拉强度代表值, 其值根据 混凝土结构设计规范取 , 即混凝土抗拉强度的 平均值。 ( ) , 式中: 为混凝土 抗拉强度标准值; 为混凝土强度变异系数, 由规 范
8、可知 混凝土对应 取值为 ; 为 。 则 为 ; 为混凝土受拉 应力 应变曲线下降段的参数值, 由式 , 可得; , 为与 , 对应的混凝土峰值拉应变, 由 式 , , 可得。 混凝土单轴受压应力 应变关系方程为: , , ( ) ( , ) ( ) ( , ) , () , , ( , ) , , () 式中: 与 分别为混凝土受压时产生的应力与应 变; , 为混凝土单轴抗压强度代表值, 其值根据混 凝土结构设计规范取 , 即混凝土抗压强度的平 均值, ( ) , 式中: 为混凝土抗 压强度标准值; 如上所述取值为 , 为 。 则 为 ; 为混凝土受 压应力 应变曲线上升段的参数值, 由式
9、, 可得; 为混凝土受压应力 应变曲 线下降段的参数值, 由式 , 可得; , 为与 , 对应的混凝土峰值压应变, 由式 , ( , 槡 ) 可得。 混凝土弹性模量 , 泊松比 , 膨 胀角为 , 其他参数取默认值。 由于本文所模拟的试验中 主要承受沿 着纤维方向的拉力, 横向受力可以忽略不计, 因此 假定碳纤维布为各向同性的线弹性材料。弹性模 量为 , 泊松比为 。 复杂环境作用的模拟 在冻融循环作用下, 由于相对弹性模量损失率 对混凝土内部结构损伤敏感, 因此将其作为此次研 究中体现冻融循环影响的参数 。通过文献 中对试验中各组试件在不同冻融循环作用次数后 的相对弹性模量损失率进行回归分析
10、, 拟合出相对 弹性模量损失率随着冻融循环作用次数变化的关 系方程, 由于本文模拟的试验与文献 相似, 因 此借用该方程对冻融循环作用对于混凝土的影响 做进一步研究。 () 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 式中: , 为 次冻融循 环作用后混凝土的弹性模量损失率; 与 分别 为未受冻融循环作用和经过 此冻融循环作用的 混凝土的弹性模量。 冻融循环作用下混凝土受压应力应变关系方 程为: , , ( ) ( , ) ( ) ( , ) , () , , ( , ) , , () 冻融循环作用下混凝土的力学性能降低, 而力 学性能的降低体现在对于 和 个系数的修正 上, , 。 混凝土的
11、抗拉能力远远低于其抗压能力, 且其 抗拉能力更易受外界影响, 根据文献 得 , 式中 为 次冻融循 环作用后混凝土的抗拉强度与未受冻融作用的混 凝土抗拉强度的比值。 本文所模拟的混凝土材料的弹性模量为 , 按上述理论可得经历冻融循环作用 次, 次, 次以及 次的混凝土的弹性模量 分别为 , , 以及 。 在干湿循环作用下, 由于本文模拟文献 对 应的试验, 因此本文采用其混凝土抗压、 抗拉强度 以及弹性模量随着干湿循环次数增加的衰减变化 规律。随着干湿循环次数为 次, 次, 次和 次, 混凝土的抗压强度分别下降为原强度的 , , 与 , 抗拉强度分别 下降为原强度的 , , 与 , 混 凝土试
12、件的单轴受拉应力 应变关系方程仍采用 式( ) ( ) , 单轴受压应力 应变方程采用式( ) ( ) 。 冻融循环与干湿循环对胶层均会造成损伤, 胶 层的本构关系复杂不明确, 由文献 可知, 树脂 胶黏剂的本构关系趋向线弹性, 因此模型中以线弹 性弹簧单元对树脂胶层进行模拟。由试验的荷载 黏结滑移曲线可以看出在剥离破坏之前即胶层与 碳纤维布与混凝土完好贴合协同受力时荷载与黏 结滑移同样趋于线性关系, 这段曲线不仅再次印证 胶层本构关系趋向线弹性这一假定, 同时这段曲线 的斜率值本质上即为胶层的破坏方向的刚度, 即弹 簧单元的刚度, 不同曲线的斜率值为模拟不同环境 下的胶层弹性模量的变化提供了
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