复杂环境下CFRP-高强混凝土界面性能有限元分析.pdf

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、 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 ， 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， 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假定基础。因此 可以将不同条件下得到的试验曲线的上升段拟合 出斜率， 作为对应条件下模拟胶层的线弹性弹簧单 元的刚度值。 由试验可知复杂环境几乎不会对 的弹 性模量产生影响。在本次试验中， 假定不存在 片材拉断情况， 因此不用考虑 的抗拉 强度和极限应变， 同时在下面的分析中也忽略了环 境作用对 弹性模量的影响。 结果分析 荷载 端部黏结滑移曲线分析 图 为部分试件（ 环境作用次数最少与最 多） 试验与有限元模拟的荷载 黏结滑移曲线对 比， 由图可知随着环境作用次数的增加， 试件的极 限荷载逐渐减小， 极限黏结滑移逐渐降低， 持续荷 载的施加会使上述 项指标继续降低。有限元模 拟的曲线与试验曲线基本一致， 因此有限元分析的 结果可以反映不同环境下荷载与黏结滑移的关系。 通过观察发现整个剥离过程可以分为弹性阶 段、 软化阶段和剥离阶段来进行描述。在弹性阶 段， 由于模拟胶层的弹簧单元的刚度值取为此阶段 曲线的近似斜率， 因此有限元分析与试验曲线基本 吻合， 说明在这个阶段荷载与滑移成线性比例， 此 段滑移主要由碳纤维布自身的弹性拉伸、 胶层的内 部滑移以及胶层与混凝土黏结界面的弹性滑移组 成。整个弹性阶段里没有发生剥离破坏， 因此黏结 滑移量比较小。进入软化阶段后裂缝开始产生并 逐渐发展， 荷载与端部黏结滑移转变为非线性关 系。进入剥离阶段后， 随着荷载的增加， 上述软化 区域已经完全剥离， 剥离现象逐渐向自由端发展， 此阶段对应的荷载称为极限破坏荷载， 试件完全剥 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 离时对应的黏结滑移称为为极限端部黏结滑移。 剥离过程中黏结滑移快速增加， 而荷载增长缓慢。 通过曲线可以看出， 试件在荷载达到破坏荷载的 左右才开始发生剥离， 这与普通混凝土的剥离 过程有很大不同， 说明与普通混凝土相比， 高强混 凝土的剥离荷载相对更高， 但与此同时延性降低。 随着冻融和干湿循环次数的增加， 荷载 滑移 曲线在弹性阶段的近似斜率降低， 说明冻融循环以 及干湿循环作用对于树脂胶层以及胶层与混凝土 之间界面的黏结性能有不利影响， 载作用将进一步 影响碳纤维布与混凝土界面的粘结性能， 施加持续 荷载作用后弹性阶段曲线近似斜率进一步降低， 持 续荷载作用对于树脂胶层产生疲劳损伤。 极限荷载与极限端部黏结滑移 表 为冻融循环作用下极限荷载以及极限 黏结滑移数据的对比， 表 为干湿循环作用下 极限荷载以及极限黏结滑移数据的对比。对于有 限元模拟的结果分析可发现在相同持续荷载等级 下随着循环次数的增加试件的极限荷载以及界面 极限端部黏结滑移逐渐降低； 相同循环次数下施加 持续荷载作用使试件的极限荷载以及界面极限端 部黏结滑移进一步降低， 由此可见， 冻融循环与持 续荷载耦合作用和干湿循环与持续荷载耦合作用 均会对 高强混凝土的界面黏结性能造成 损伤。 破坏方式 图 为冻融循环作用下模型的破坏形态， 图中 模型表面白色区域即为产生裂缝的区域， 说明试件 发生混凝土内部剪切破坏， 破坏面在胶层下方浅层 混凝土内， 这与试验结果吻合。 试验发现， 随着干湿循环次数增加， 试件由混 凝土内部剪切破坏逐渐转变为混凝土与 界 面黏结破坏。而模拟中采用线性弹簧模拟树脂胶 层， 因此破坏只能发生在混凝土内部， 这也解释了 有限元模拟与试验所测极限荷载值的误差随着干 湿循环作用次数的增加而逐渐变大的原因， 反向证 明了随着干湿循环次数的增加， 试件的破坏方式的 确发生了转变。 （ ） 次冻融 持载； （ ） 次冻融 持载； （ ） 次冻融 持载；（ ） 次冻融 持载 图 持载冻融循环作用下荷载 滑移曲线有限元与试验结果对比 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 （ ） 次干湿 持载； （ ） 次干湿 持载； （ ） 次干湿 持载； （ ） 次干湿 持载 图 持载干湿循环作用下荷载 滑移曲线有限元与试验结果对比 表 冻融循环作用下极限荷载数据对比 冻融持载 持载 数据来源数值 误差 持载 数据来源数值 误差 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 表 冻融循环作用下极限端部粘结滑移数据对比 冻融持载 持载 数据来源数值 误差 持载 数据来源数值 误差 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 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 表 干湿循环作用下极限荷载数据对比 冻融持载 持载 数据来源数值 误差 持载 数据来源数值 误差 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 表 干湿循环作用下极限端部粘结滑移数据对比 冻融持载 持载 数据来源数值 误差 持载 数据来源数值 误差 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 次 试验 有限元 试验 有限元 误差分析 ） 由于对胶层的模拟采用的是线弹性弹簧单 元， 实际上胶层的本构关系是非线性的， 在相同荷 载作用下， 胶层由于自身的非线性本构会产生更大 的位移， 在完全剥离之前产生的滑移更大， 因此试 验测得的极限端部黏结滑移总要比对应的有限元 模拟的结果大一些； ） 相同条件下， 有限元模拟的曲线总要先 “ 拐” ， 即极限荷载小于试验结果， 这是由于上述冻 融循环作用下混凝土本构关系方程对应的系数修 正存在偏差所致； ） 持续荷载作用后， 弹性阶段荷载与滑移的比 值减小， 即曲线斜率降低， 说明持续荷载对于胶层 也会产生一定程度的损伤， 由于模拟中只考虑冻融 作用对于胶层的影响， 因此此处有限元曲线与实验 曲线分离； 相同循环次数下， 施加持续荷载后极限 端部黏结滑移进一步降低， 有限元结果降低程度小 于试验结果， 这是由于模拟时采用线性弹簧单元单 元模拟树脂胶层， 因此忽略持续荷载对于树脂胶层 造成的疲劳损伤， 这也间接减小了持续荷载对于极 限端部黏结滑移的影响； ） 极限端部黏结滑移相对于极限荷载所产生 的误差更小， 这是由于试验中与有限元模拟中剥离 后的碳纤维布的不同， 试验中剥离后的碳纤维布表 面仍然附着树脂以及少量混凝土， 这些都会对碳纤 维布自身的弹性拉伸造成影响， 而模拟中采用线弹 性弹簧模拟胶层， 在弹簧发生破坏后， 剥离的碳纤 维布表面没有附着树脂和混凝土， 可以自由拉伸变 形， 且模拟中假设碳纤维布为各向同性均质的线弹 性材料， 因此这会减小与实际结果的差距， 因此这 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 种较小的误差是不真实的。 （ ） 次冻融 持载； （ ） 次冻融 持载 图 冻融循环作用下有限元模拟破坏形态 结论 ） 采用有限元分析方法可以较为准确模拟冻 融循环与持续荷载耦合作用下和干湿循环与持续 荷载耦合作用下 高强混凝土界面的黏结性 能， 模拟结果与试验较为吻合； ） 冻融循环对 与混凝土界面的黏结性 能造成损伤， 试件发生混凝土内部剪切破坏。随着 冻融循环次数的增加试件的极限荷载、 极限端部黏 结滑移均降低， 施加持续荷载会使损伤程度加剧； ） 干湿循环作用对 与混凝土界面的黏 结性能造成不利影响， 试件的破坏方式随着干湿循 环次数的增加由混凝土内部剪切破坏转变为界面 的黏结破坏； 随着干湿循环次数的增加试件的极限 荷载、 极限端部黏结滑移均降低， 施加持续荷载会 使损伤程度加剧。 参考文献： 王苏岩， 张所东， 李璐希， 等持载与干湿作用下 高强混凝土黏结性能研究 铁道科学与工程学 报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 李璐希荷载与环境共同作用下 与高强混凝土 的粘结耐久性研究 大连： 大连理工大学， ： ， ， ， ， ， （ ） ： ， ， ? ： ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： ， ， ， ，（ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， 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 ， ， （ ） ： 刘展 有限元分析从入门到精通 北京： 人民邮电出版社， ： ， 石亦平， 周玉蓉 有限元分析实例详解 北京： 机械工业出版社 ， ： ， 庄茁基于 的有限元分析和应用 北 京： 清华大学出版社， ： ， ， 混凝土结构设计规范 ， 邹超英， 赵娟， 梁锋， 等冻融作用后混凝土力学性能 的衰减规律 建筑结构学报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 万先虎高温干湿交替环境下 混凝土界面粘结 性能的耐久性研究 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， ： ，