淺談碳纖維材料加固框架柱的作用

張　瑋　裴利劍　金　晶　把石倉

[摘要]近年來，纖維增強復合材料代替鋼材已成為建筑材料發展的趨勢之一。通過ANSYS有限元分析的方法，對碳纖維材料加固框架柱的作用進行簡單的分析。通過分析，得知當結構受到瞬時地震作用時，采用碳纖維材料對結構構件進行加固，可以提高構件吸收地震力，增強結構的延性性能。

[關鍵詞]纖維增強復合材料 碳纖維 材料 加固 框架柱

中圖分類號：TQ16 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720092－01

近年來，世界各國學者對采用纖維增強復合材料（簡稱FRP）代替鋼材的外貼FRP片材（包括布和板）加固技術進行了大量研究。

FRP材料由連續纖維和樹脂基體復合而成，廣泛應用于柱的外包加固技術。常用纖維種類包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維三種，常用樹脂有環氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯酯樹脂。

一、碳纖維加固材料的性能

（一）碳纖維材料的特點。1．高強高效：由于碳纖維材料優異的物理力學性能，在對混凝土結構進行加固補強過程中可以充分利用其高強度、高模量的特點來提高結構構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到高效加固的目的。2．耐腐蝕性能及耐久性：碳纖維材料的化學性質穩定，不與酸堿鹽等化學物質發生反應，因而加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題。3．適用面廣：碳纖維布是一種柔性材料，且可以任意地裁剪，所以這種加固技術可廣泛地應用于各種結構類型、各種結構形狀和結構中的各種部位，且不改變結構形狀及不影響結構外觀。

（二）加固用碳纖維材料的基本要求。碳纖維加固材料由碳纖維與基體組成，加固用碳纖維應具有如下特性：1．高強度高模量，以提供有效的增強作用；2．單根纖維間強度變化小；3．在制造與處理過程中強度穩定并保持不變；

基體應保持如下功能：1．在使用壽命期內，將纖維緊密粘結在一起，保證纖維表面不受損傷；2．纖維能夠均勻分散于基體中，能夠阻止與延緩裂縫的產生；3．依靠膠結力與摩擦力將應力傳遞給纖維；4．纖維在化學性工藝與受熱性能上相容。

二、ANSYS有限元分析

（一）混凝土單元－Solid65。Solid65單元是專門為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發的單元，它可以模擬混凝土中的加強鋼筋（或玻璃纖維、型鋼等），以及材料的拉裂和壓潰現象。它是在三維8節點等參元Solid45的基礎上，增加了針對混凝土的材性參數（強度準則）和由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型。

（二）鋼筋單元－Link8。Link8單元是有著廣泛的工程應用的桿單元，可以用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節點具有三個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動。就像在鉸接結構中的表現一樣，本單元不承受彎矩，故鋼筋通常利用Link8單元進行模擬。鋼筋為彈塑性材料，彈性階段E=2х105MPa，V=0.3，其塑性性能采用Von Mises模型，以初始單軸屈服應力fy=355.4MPa

來確定。

（三）碳纖維布單元－Shell41。高強度、高模量是碳纖維最重要的特性之一。根據試驗測定碳纖維布是脆性材料，沒有屈服強度，只有極限強度，在達到極限抗拉強度之前，應力應變關系為線彈性。

根據上面分析的特點，ANSYS中我們可采用Shell41單元。

在ANSYS中對Shell41模單元是這樣描述的：只能承受拉力，沒有彎曲、抗壓能力。材料各向異性，在垂直方向材料沒有強度，允許施加平面標準荷載。該單元每個節點都有六個自由度，在X，Y，Z方向上的位移和繞三軸的轉動。

（四）基本假定。在有限元分析中，對計算模型采用一些簡化有利于模型的計算，這些假設也是非常必要的。針對本算例，采用以下假設。

1．鋼筋與混凝土之間，碳纖維布與混凝土之間有足夠好的粘結，無相對滑移，變形協調，并由此而忽略粘結劑的影響。在對碳纖維布進行有限元建模時，在不考慮粘結層情況下，對碳纖維布材料直接劃分單元，碳纖維單元節點與鋼筋混凝土柱單元節點在受力方向上耦合；2．CFRP材料加固混凝土柱受壓時，不考慮纖維布應變滯后，采用截面應變分布平截面假定；3．柱在達到受壓承載力極限狀態前，碳纖維布與混凝土之間不發生粘結、剝離破壞。

三、結論

根據已有的分析試驗分析可知，采用碳纖維加固的框架柱剛度、強度都有一定提高，構件剛度提高可以改善結構的自振周期，從而提高結構在地震作用下的變形能力。根據以上有限元分析過程可以看出，當結構受到瞬時地震作用時，采用碳纖維材料對結構構件進行加固，可以提高構件吸收地震力，增強結構的延性性能。對于一般的框架結構當使用功能改變時，采用碳纖維布加固后，可以使正常框架具備一定的強度、延性儲備，從某種程度上來說是對原框架所作的一種安全儲備。

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