钢纤维在CFRP-UHPFRC接头粘结性能中的作用：一项介观尺度有限元研究

《Composite Structures》：The role of steel fibers in the bond behavior of CFRP-UHPFRC joints: A mesoscale finite element study

钢纤维对碳纤维聚合物增强超高性能纤维混凝土界面粘结性能的影响研究。通过建立二维多尺度有限元模型，模拟随机分布钢纤维、纤维-基体界面及基体损伤行为，揭示纤维体积分数（0-4%）、取向角（0-90°）及形态对粘结强度（提升4-28%）和破坏模式的影响规律，提出考虑纤维含量的粘结强度预测模型，并验证其与现有试验数据的吻合度。

　　

李亚奇|杨振军|张欣|王松波|苏宇

湖北工业大学土木工程、建筑与环境学院，武汉430068，中国

摘要

本研究通过介观尺度有限元（FE）建模，探讨了钢纤维对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）与粘合连接的碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板之间粘结性能的影响。模型中包含了随机分布的弹塑性梁单元来模拟纤维，非线性黏结单元来模拟纤维-砂浆界面，以及混凝土损伤塑性模型来模拟砂浆，从而能够模拟所有主要的破坏机制，包括纤维弯曲、滑移、拔出、断裂、砂浆开裂以及纤维-砂浆界面脱粘。首先，通过10个CFRP-UHPFRC粘结接头的单剪拔出试验对模拟结果进行了验证。结果表明，添加钢纤维改变了破坏模式，从基材分裂转变为CFRP脱粘，并使粘结强度提高了4–28%，尽管添加超过2%的纤维后提升效果不明显。随后进行了大量的介观尺度参数化模拟，发现砂浆的抗拉强度和纤维的取向是提高粘结强度和延展性的最有效因素。基于模拟结果，提出了一种半解析模型来预测CFRP-UHPFRC接头的粘结强度，该模型在陈和滕的模型基础上加入了纤维影响系数。

引言

超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）是一种具有致密微观结构、优异的抗压强度和增强耐久性的先进水泥基材料[1]。这些特性使其在恶劣环境中的结构应用极具吸引力。然而，与传统混凝土类似，UHPFRC的抗拉强度与抗压强度之比较低[2]，这限制了其在承受显著拉应力或弯应力结构构件中的直接应用。

为了解决这一限制，可以将以其高抗拉强度、低自重和优异耐腐蚀性而闻名的纤维增强聚合物（FRP）复合材料与UHPFRC结合，形成高性能复合材料系统。通常有两种主要的结合方式：首先，可以将FRP板材或层压板外部粘结到UHPFRC构件上，以提高其结构性能并延长使用寿命[4]，[5]。例如，Kang等人[5]研究表明，玄武岩FRP（BFRP）增强作用使预损伤的UHPFRC-高性能混凝土（HPC）复合梁在二次氯离子侵蚀下的抗裂和抗破坏能力分别提高了27.9%和35.8%。同时，碳纤维FRP（CFRP）板材已被证明能有效提供约束作用，提高UHPFRC柱的抗压强度和延展性[6]，[7]，[8]。其次，可以将FRP型材与UHPFRC结合形成新型复合构件，其中FRP部分主要承受拉力，而UHPFRC部分承受压力[9]，从而充分利用每种材料的机械优势。例如包括带有FRP现场模板支撑的UHPFRC梁或板[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，FRP型材-UHPFRC混合梁[15]，[16]，[17]，[18]，FRP桁架-UHPFRC混合桥[19]，以及FRP-UHPFRC管状截面[20]，[21]，[22]。

在这两种结合方式中，FRP-UHPFRC界面的粘结行为对于确保结构完整性和有效的应力传递至关重要[17]，[23]。脱粘是这类系统中常见的破坏模式，通常发生在靠近粘结线的狭窄区域（1–2毫米）[5]，[13]，[24]。这种高度局部化的破坏现象突显了UHPFRC在此界面区域的“介观”结构特性的重要性。FRP-混凝土界面的粘结行为通常通过单搭接剪切试验[25]，[26]，[27]，双搭接剪切试验[28]，[29]和梁试验[30]，[31]来研究，以评估应力传递效率和抗脱粘能力。

UHPFRC在微观尺度上本质上是一种多相异质材料[32]。在介观尺度上，它由致密的砂浆、离散的钢纤维和纤维-砂浆界面组成[33]，[34]。在FRP-UHPFRC粘结接头中，位于界面附近的钢纤维由于其对机械互锁、裂缝桥接和锚固作用的贡献，可以显著影响粘结行为[35]，[36]，[37]。此外，钢纤维在界面附近的分布、取向和密度会影响局部应力集中、裂缝的起始和扩展路径[26]，[29]，从而影响粘结性能和破坏机制。这些效应无法通过传统的实验室实验来完全考虑。相比之下，“介观”尺度数值模型能够明确表示纤维的分布、取向、几何形状和界面行为。这类模型还可以生成大量随机样本用于统计分析，从而更深入地了解纤维诱导机制的随机性质。然而，据我们所知，目前尚无适用于FRP-UHPFRC粘结接头的此类模型。

本研究旨在通过介观尺度有限元（FE）建模，定量分析纤维含量、分布和取向对CFRP-UHPFRC接头粘结行为和破坏机制的综合影响，这补充了我们最近对10个不同纤维体积分数（0–4%）接头的多尺度实验测试[25]。首先开发了二维模型，使用弹塑性梁单元模拟随机分布的纤维，使用非线性黏结单元模拟纤维-砂浆界面，使用混凝土损伤塑性（CDP）模型模拟砂浆，从而能够捕捉所有破坏模式，包括纤维弯曲、断裂、锚固作用、纤维-砂浆脱粘和砂浆断裂。还采用了幻影桁架单元方法[39]在砂浆和纤维之间生成非匹配网格，以便使用常规FE网格来模拟砂浆。在力-滑移曲线和破坏模式方面与实验结果进行验证后，进行了大量的蒙特卡洛模拟和参数化研究，以评估钢纤维的分布、取向和长宽比、砂浆强度、FRP刚度和纤维-砂浆界面强度对粘结性能的影响。最后，基于“介观”尺度模拟结果，提出了一种新的CFRP-UHPFRC接头粘结强度公式，并根据现有测试数据进行了评估，以用于未来的结构设计。

部分摘录

单剪拔出试验综述

共测试了十个CFRP-UHPFRC接头（标记为S(0,0.5,1,2,4)-L200-B50），每个接头由一个宽50毫米、长200毫米、厚1.2毫米的CFRP层压板通过粘合方式连接到尺寸为100毫米×100毫米×300毫米的UHPFRC棱柱上，如图1a所示。主要变量是钢纤维体积分数（Vsf），其变化范围为0%、0.5%、1%、2%和4%。

不含纤维的UHPFRC砂浆（Vsf=0%）的平均抗压强度为fc=133.1 MPa。CFRP层压板表现出...

介观尺度建模方法

为了在高分辨率界面建模和计算效率之间取得平衡，采用了二维（2D）介观框架。为了确保2D表示在力学上等同于实际的三维（3D）纤维网络，采用了统计等效的3D到2D纤维投影策略[40]，将2D模型中的有效纤维面积分数设为0.631Vsf，其中Vsf是3D中的实际纤维体积分数。

网格敏感性研究

首先对图3中的模型进行了网格敏感性研究，使用了五种不同的砂浆网格尺寸（hc=2毫米、1.5毫米、1毫米、0.75毫米和0.5毫米）。使用如此小的单元尺寸是为了捕捉试验中观察到的脱粘线（约1–2毫米厚的脱粘砂浆层）。预测的力-滑移曲线（图5）表明，hc=1毫米及更小的网格得到了一致的结果。因此，后续的所有模拟都采用了1毫米的网格，以平衡精度和计算效率。

钢纤维含量对力-滑移曲线的影响

参数化研究

然后使用上述经过验证的“介观”尺度建模方法进行了广泛的参数化研究。当一个参数发生变化时，所有其他材料属性保持不变，如表1所示。除非特别说明，纤维体积分数保持为Vsf=2%，并为每个参数值生成了10个具有随机纤维分布的介观模型，并进行了随机分析。

新的CFRP-UHPFRC粘结接头粘结强度模型

力-滑移曲线中的峰值力（Pu）被广泛定义为CFRP-UHPFRC接头的粘结强度，它是结构设计中的一个重要参数。在许多粘结强度模型中，陈和滕的模型最为广泛接受[46]，其表达式为：