FRP加固鋼板界面應(yīng)力的有限元分析

李東偉 王加運(yùn)

(1.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430023;2.河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南商丘 476000)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，外貼FRP已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天和混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，近年來，應(yīng)用FRP加固鋼結(jié)構(gòu)正在引起研究者的廣泛興趣。研究顯示，在FRP加固鋼結(jié)構(gòu)靜載彎曲性能方面，F(xiàn)RP加固可以顯著提高鋼結(jié)構(gòu)的極限承載能力［1，2］;在疲勞加固方面，F(xiàn)RP的應(yīng)用可以有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提高鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命［3，4］;在受壓性能方面，F(xiàn)RP加固后可以提高鋼結(jié)構(gòu)受壓構(gòu)件的屈曲承載力［5］。因此，F(xiàn)RP加固鋼結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用前景。

在FRP加固鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，通過膠層將鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力傳遞到FRP上，使FRP與鋼結(jié)構(gòu)共同受力，因此FRP與鋼結(jié)構(gòu)的有效粘結(jié)是保證加固有效性的關(guān)鍵因素。研究FRP與鋼結(jié)構(gòu)的界面性能，了解界面的受力狀態(tài)，對防止FRP的剝離具有指導(dǎo)作用。因此，本文通過ANSYS有限元分析軟件，對FRP加固鋼板的界面受力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了FRP加固鋼板界面的應(yīng)力分布，并對影響界面受力狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 有限元模型

典型的FRP雙面加固鋼板如圖1a)所示，圖中鋼板長度為600 mm，厚度為20 mm;FRP厚度1.2 mm，長度為500 mm;膠層厚度為1.0 mm，長度為500 mm。鋼板的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3;膠層的彈性模量為2 000 MPa，泊松比為0.25;FRP的彈性模量為165 GPa，泊松比為0.3。本文通過ANSYS有限元軟件建立二維(2-D)線彈性分析模型，由于幾何和材料的對稱性，只建立1/4模型進(jìn)行分析，因此在模型上施加對稱邊界條件，研究中在鋼板端部施加100 MPa的均布荷載。鋼板、膠層和FRP板采用平面應(yīng)力單元Plane42進(jìn)行模擬，典型的2-D有限元模型如圖1b)所示。

圖1 FRP加固鋼板示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 界面應(yīng)力分布

膠層中面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，剪應(yīng)力分布于距離FRP端部的有限長度內(nèi)，超過一定的長度，界面的剪應(yīng)力降低為零，說明FRP與鋼板之間開始完全共同受力，這個應(yīng)力傳遞長度就是FRP的有效粘結(jié)長度。界面Y方向的正應(yīng)力，又稱為剝離應(yīng)力，在端部為拉應(yīng)力，然后變成壓應(yīng)力，最后正應(yīng)力逐漸消失。

從圖2發(fā)現(xiàn)，在FRP的端部區(qū)域，剪應(yīng)力和正應(yīng)力存在明顯的應(yīng)力集中，這也是引起FRP端部剝離的直接原因。為了分析FRP和膠層材料的性能對界面應(yīng)力的影響，下面對其進(jìn)行了參數(shù)分析。

圖2 典型的界面應(yīng)力分布圖

2.2 膠層彈性模量的影響

為了研究膠層性能對界面應(yīng)力分布的影響，對膠層彈性模量為 1 000 MPa，2 000 MPa，4 000 MPa，6 000 MPa 的試件分別進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著膠層彈性模量的增加，膠層的最大剪應(yīng)力和最大正應(yīng)力不斷提高，說明膠層彈性模量越大，越易引起FRP的剝離。當(dāng)膠層彈性模量由1 000 MPa增加到6 000 MPa時，界面最大剪應(yīng)力由 3.88 MPa增加到 8.44 MPa，最大正應(yīng)力由2.34 MPa 增加到 7.36 MPa。

由圖3也可以看出，隨著膠層彈性模量的增加，F(xiàn)RP的有效粘結(jié)長度將降低。

2.3 FRP厚度的影響

圖4顯示FRP厚度對界面應(yīng)力的影響，研究中FRP厚度分別為0.5 mm，1.2 mm，2.0 mm，3.0 mm，其他參數(shù)保持不變。由圖4可知，隨著FRP厚度的增加，界面的最大剪應(yīng)力和正應(yīng)力都將提高，說明增加FRP厚度會導(dǎo)致FRP容易剝離。當(dāng)FRP厚度由0.5 mm增加到3.0 mm時，界面最大剪應(yīng)力由3.35 MPa提高到7.99 MPa，界面最大正應(yīng)力由 2.72 MPa 提高到 5.40 MPa。此外，F(xiàn)RP越厚，有效粘結(jié)長度越長。

2.4 組合膠層的影響

圖3 膠層模量對界面應(yīng)力的影響

圖4 FRP厚度對界面應(yīng)力的影響

前文研究可知，膠層模量增大會增加界面應(yīng)力。為了降低界面的端部應(yīng)力，在FRP端部采用較低彈性模量的膠是否有效值得研究。

本文在FRP端部10 mm長度范圍內(nèi)采用彈性模量為1 000 MPa的膠，其他部位采用彈模為2 000 MPa或者4 000 MPa的膠進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 界面剪應(yīng)力分布圖

研究發(fā)現(xiàn)，采用組合膠層，可以有效降低FRP端部的應(yīng)力集中。通過在端部使用彈性模量較小的膠層，可以明顯釋放膠層端部的應(yīng)力集中，這對于實(shí)際工程中避免FRP的剝離有重要的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

本文對FRP加固鋼板的界面應(yīng)力進(jìn)行了線彈性有限元分析，研究了膠層的彈性模量、FRP厚度以及組合膠層等因素對界面應(yīng)力的影響，得出以下主要結(jié)論:

1)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)時，在FRP端部存在明顯的剪應(yīng)力和正應(yīng)力集中，這是導(dǎo)致FRP端部剝離的直接原因。

2)隨著膠層彈性模量的增加、FRP厚度的增加，F(xiàn)RP端部的界面最大剪應(yīng)力和最大正應(yīng)力逐漸增大。

3)通過組合膠層的應(yīng)用，即在FRP端部區(qū)域采用彈性模量較低的膠層，可以有效降低FRP端部的應(yīng)力集中效應(yīng)，這對實(shí)際應(yīng)用中防止FRP的剝離具有重要的指導(dǎo)意義。

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