钢筋混凝土中FRP界面的断裂能

钢筋混凝土中 FRP界面的断裂能

肖亚群

国家管网东部原油储运有限公司南京输油处 江苏省南京市 210046

摘要：

要使用基于全局能量平衡的断裂力学概念确定FRP从混凝土梁上弹落的载荷，最重要的一个参数是混凝土FRP界面的断裂能，这很容易定义，但很难确定。脱胶在FRP和梁中的（拉伸）钢筋之间的狭窄区域传播，并且附近钢筋的存在阻止了通常在混凝土中较宽的断裂过程区域的充分发展。本文详细讨论了FRP脱粘的机理，并表明，尽管主要在剪切载荷下，但脱粘的开始仍可被视为混凝土中的I型（拉伸）断裂。

1.介绍

本文探讨了混凝土FRP界面的断裂能，这对于分析FRP板与混凝土梁的脱粘性非常重要，但不是进行实验时通常测量的参数。当前的论文解释了为什么在验证FRP脱胶模型的早期工作中，使用混凝土断裂能的特定值来对抗实验结果。

过早的FRP脱胶会妨碍在混凝土梁的抗弯加固中有效地使用外部粘结的FRP板，并且控制机制的不确定性意味着没有可靠的理论可供设计人员使用。脱胶起因于混凝土FRP界面附近主要裂纹的扩展，但是，与玻璃等材料相比，通常认为混凝土中的断裂过程区（FPZ）大，超过300毫米长。结果，无法使用线性弹性断裂力学（LEFM）的概念对混凝土-FRP界面进行建模。

非线性有限元模型需要更多界面特性的详细信息，这将是设计人员无法获得的。应当指出，尽管有限元分析能够为诸如金属断裂等复杂的结构力学问题提供准确的解决方案，但该技术并未被证明是用于分析混凝土结构的可靠工具。材料说明的不可靠和不了解会妨碍混凝土结构的有限元建模。详细的有限元模型的结果在很大程度上取决于分析人员对粘合剂和混凝土之间的界面中空隙分布的假设以及对骨料分布的了解。还应考虑以下事实：混凝土可能会开裂，并且也可能会蠕变。对这些效果进行建模非常困难。此外，由于混凝土在非常低的拉伸应变（0.0002）时会开裂，因此即使分析中出现很小的误差，有时也会严重扭曲溶液。特别是，尽管次要应力分量的大小小于主应力，但它们的作用可能会导致混凝土开裂。因此，混凝土的材料特性应参考广义3-D应力状态下的响应。但是，即使在严密监控的实验程序中，也很难获得材料性能的三轴数据，并且经常显示出很大的分散性。

在传统的有限元分析中，必须事先知道裂纹路径。裂纹沿着骨料周围或穿过骨料的阻力最小，但是无法可靠地估计骨料的相对抗裂性以及骨料/水泥浆体之间的界面。或者，基于涂抹裂纹的有限元模型的使用避免了对离散裂纹进行建模的需要，但是分析无法对脱粘进行建模，这是由主要单个裂纹的传播触发的。最近出现了许多混合连续不连续有限元方法和扩展有限元方法（XFEM），它们允许从弥散损伤模式转移到离散（主要）裂纹扩展，以及各种不连续性的传播。同样，专门定义的内聚力元素也可以用来模拟混凝土的FPZ，这些内聚力元素不代表任何物理材料，而是描述了将材料元素拉开时可能发生的内聚力。[8]。尽管这些有限元建模方法已用于各种应用中的断裂问题建模，例如薄层材料中的界面剥离，但迄今为止，尚未使用这些方法来建模混凝土断裂。通常，在有限元模拟中需要明显小于集料尺寸（集料尺寸>10mm）的元素才能获得一致的结果，但是在此长度范围内，混凝土的行为不像均质材料。作为FRP脱胶分析的进一步复杂之处，FPZ中存在的钢筋效果难以建模。通过施加已知应变约束形式的边界条件，可以合并这种效应。

高应力可能会导致在界面附近形成裂纹，但只有释放的能量大于形成新断裂面所需的能量，裂纹才会传播。因此，这是一个断裂力学问题，无法根据基于详细应力分析的方法确定准确的解决方案。在最近开发的非线性断裂力学模型中，利用剪切试验的结果得出控制FRP脱胶的断裂参数。但是，如下所示，这些测试没有提供可用于分析的准确断裂参数，因为在增强梁中发生的断裂模式与在剪切搭接试验中发生的断裂模式之间存在差异。此外，FRP承载着非常高的张力，相对于形成临界界面裂纹的剪切/弯曲裂纹的尖端偏心。这会在裂纹尖端处引入明显的张力，从而导致拉伸断裂。尽管已经报道了许多模型，但是这些都没有提供分析FRP脱胶的综合工具。

基于较早开发的一种基于全局能量平衡的断裂力学模型，用于分析FRP脱胶。该模型消除了对有限元分析的需要。该模型假设界面中不可避免地存在裂纹，并预测当驱动现有界面裂纹的小幅扩展所需的能量超过形成新断裂面所需的能量时，就会发生脱胶。在模型中比较了两个关键的控制参数以确定脱粘：能量释放速率（即，由于单位宽度为G的裂纹的单位延伸而释放的能量）和界面断裂能（形成新断裂面所需的能量）需要容纳单位宽度裂缝的单位延伸。制造商现已开发出足够坚韧的胶粘剂，如果使用得当，通常会在界面上方的混凝土中发生破坏。因此，对于给定的梁，模型可以确定在设计载荷下触发失效的裂纹长度，或者在存在已知长度的裂纹的情况下确定梁的失效载荷。基于分析中所采用的这一概念的模型预测与文献中报道的测试数据非常吻合。

发生断裂时，梁会失去一些刚度，因此工作是由外部载荷完成的。梁中的曲率增加，将这些额外功中的一些作为应变能存储，但剩余一些导致裂纹扩展。如果已知裂纹扩展前后梁的能量状态，则可以确定断裂扩展期间的G。利用梁在整个跨度中的应力-应变变化来准确分析梁的能量状态非常复杂，因此，矩-曲率的积分更简单。

如果要使梁的抗弯加固技术发挥作用，则必须知道制成梁的混凝土的GC。但是，GC不能通过理论或实验可靠地确定。为了从理论上确定GC，需要了解FPZ中的应力-位移关系，并且依靠实验研究更为准确。但是，由于FPZ可能无法在实验中通常使用的小样本中充分发挥，因此实验可能会产生不一致的断裂数据。而且，很难建立实验来准确模拟触发FRP从混凝土梁脱胶的界面混合模式应力。

常规的断裂分析将无法确定界面附近的GC，因为FPZ由于钢筋的存在而无法完全发展。

从混凝土梁上剥离的FRP可以看作是混凝土中的I型断裂，这解释了为什么文献中经常使用的剪切搭接实验无法提供有用的结果。相反，必须使用来自设计用于确定拉伸断裂能的实验数据。即使FPZ不能完全发展，断裂能也可以认为与脱模裂纹的长度无关，因为随着裂纹的发展，裂纹尖端附近的应变条件保持不变。

2.玻璃钢脱胶机理

板端以及弯曲裂纹扩展导致界面缺陷的区域最容易引发脱胶；这两种模式分别称为“板端”（PE）和“中间裂纹诱发”（IC）脱胶。PE剥离开始于FRP末端附近并向梁的中部传播，而IC剥离开始于高力矩区域并向低矩区域传播。剥离作用在混凝土基材中传播，通常在PE剥离过程中整个混凝土覆盖层分离，而在IC剥离过程中混凝土薄层分离。

2.1界面应力集中

材料中的裂纹可以通过打开（模式I），在两个裂纹面之间剪切（模式II）或通过两者的组合（混合模式）传播。在不同的断裂模式下，裂纹附近会形成不同的应力-位移场，因此断裂能量取决于发生哪种断裂模式。尽管脆性，各向同性，均质固体中的裂纹通过在裂纹尖端处保持纯I型条件而扩展，但触发界面处剥离的应力场可能非常复杂。由于两种连接材料的断裂韧性不同，并且由于附近存在的几何约束的数量，会产生各种形式的应力集中。

2.1.1.板端（PE）脱胶

如果将FRP板缩减到离梁支撑相当大的距离，则可能在靠近板端的混凝土梁中形成明显的剪切裂缝。有两种机制可能会导致裂纹沿着与界面大约45°的方向朝向梁传播。 FRP力相对于该剪切裂纹的尖端偏心，在此处引起明显的拉力。裂纹将通过在垂直于最大主拉伸应力（MPTS）的方向上打开裂纹尖端而扩展。原始剪切裂纹的两个裂纹面之间的相对垂直位移也可能有助于裂纹向梁的传播。

各种其他机制也可能引入额外的界面应力集中。与FRP相比，混凝土梁非常坚硬，因此梁实际上保持笔直，而FRP中的张力与混凝土表面之间的偏心率往往会使FRP从梁上剥离。此外，FRP的轴向应变在其端部为零，但由于FRP在非零弯矩位置受到限制，因此混凝土的相邻表面的轴向应变为非零。 FRP末端的应力增加非常迅速，并且与明显的界面剪切应力有关。这些界面应力集中会引起原始剪切裂纹的扩展，但是由于钢筋的存在，PE脱胶通常在钢的水平上发生。

2.1.2.中间裂纹诱导（IC）脱胶

梁的高弯矩区域中挠曲裂纹的两个面之间的相对滑动会形成界面缺陷，并且裂纹面的这些运动还将引入触发脱粘所需的剥离力。另外，在裂纹位置处从混凝土向FRP传递拉应力会引入高界面剪切应力。如果在界面裂纹处产生的应力集中超过临界状态，则将向梁的低弯矩区域进行脱粘。注意，由于主应力相对于界面约为45°，因此预计裂纹会移入梁中。但是，事实上，这并不会发生，因为高Fp偏心地作用于裂纹尖端，使裂缝朝着界面向下。因此，与PE脱胶过程相比，混凝土薄层在此处分离。

在临界界面裂纹附近形成的复杂应力场触发脱胶。因此，需要确定混凝土在混合模式载荷作用下的断裂能，以确定发生脱胶的载荷，尽管下面将争辩说，I型效应主导了脱胶的传播。请注意，实际上不可能准确地确定这些裂纹尖端应力场，几乎所有预测的详细应力与界面强度进行比较的方法都无法提供可靠的解决方案。

参考文献：

[1]Achintha M，Burgoyne CJ。外部FRP加固梁的弯矩和应变能。

[2]Achintha M，Burgoyne CJ。钢板剥离的断裂力学。

[3]Achintha M，Burgoyne CJ。板剥离的断裂力学：针对实验的验证。

[4]王建，张成。FRP加固混凝土梁受弯剪裂缝引起的非线性断裂力学。