高強碳纖維布加固混凝土板的有限元分析

應蔚中 古增密

對于混凝土樓板，目前主要側重于其支座和跨中的抗彎強度不足而采用碳纖維布進行加固，或因為樓板的局部開洞而采用補強加固[1]。使用碳纖維布來加固混凝土板，可以明顯提高板的受彎承載力;提高板的屈服彎矩和極限彎矩;在同樣荷載下減小板的撓度和裂縫寬度;同時，不影響構件的截面高度及自重，對空間的凈高及建筑物的其他結構沒有影響[2]。此外，高強碳纖維加固技術的特點是加固效率高、效果好、施工機具少、操作簡單、施工周期短，有著十分廣闊的應用前景[3]。

1 有限元ANSYS分析

1.1 模型的建立

模型采用整塊板進行分析，鋼筋和混凝土組合方式采用分離模型，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移，通過鋼筋和混凝土之間共用節點來實現位移協調。

1.2 單元類型的選取

混凝土選用三維實體單元Solid65，由8節點組成，每個節點具有3個方向的自由度。鋼筋選取三維Link8單元，該單元由2個節點組成，具有3個方向的自由度。碳纖維選用了多層殼單元Shell181。

1.3 本構關系模型的選取

本次分析中混凝土選擇多線性隨動強化(KINH)，鋼筋選擇經典雙線性隨動強化模型(BKIN)。混凝土應力—應變關系采用GB 50010-2002混凝土結構設計規范建議的Rusch應力—應變關系[4]。鋼筋應力—應變關系采用Y.Hgashibata提出的鋼筋應力—應變關系[5]曲線，不考慮屈服段。

2 建模與計算

本文的試驗數據部分來源于文獻[6]，并進行一定的改進(計算中記入板自重)。

2.1 試件設計與制作

試驗板為矩形簡支板(見圖1)，截面尺寸為b×h=560 mm×100 mm，跨度 l=3 270 mm，凈跨 l0=3 070mm，混凝土的設計強度等級為C30，縱筋采用熱軋Ⅰ級鋼筋φ 8@120，設計配筋率為0.45%。鋼筋和混凝土的實測力學性能指標見表1。

表1 鋼筋和混凝土的實測力學性能指標表 MPa

碳纖維布為高強度碳纖維布，其性能指標見表2。

表2 碳纖維布的性能指標表

2.2 加荷與加固方案

試驗板的加荷方案為均布加載，試驗板加固方案見表3。

表3 試驗板編號和加固情況表

3 結果比較

3.1 試驗板結果與ANSYS結果比較

試驗板結果與ANSYS結果比較見表4。

3.2 試驗板的撓度對比結果

從表4中可以看出計算值與試驗吻合良好，產生的誤差與直接在試驗數據基礎上加上混凝土板的自重有關。由于沒有完整的試驗數據，只是畫出了用ANSYS計算的荷載位移曲線(見圖2)。

4 結語

1)試驗數據和有限元的分析結果共同驗證了高強碳纖維加固混凝土板的優點，尤其是能在很大程度上提高板的極限承載力;

2)通過對試驗數據和分析結果的互相比較，說明采用本文中提到的方法建立有限元模型能較好地模擬實際情況;

表4 試驗板結果與ANSYS結果比較表

3)本文未對加固后的混凝土板的有限元模型特殊性進行分析，未找到能更好反映加固后混凝土和鋼筋的應力—應變關系，有待在今后的研究工作中進一步深入。

[1] 婁 宇，王紅慶，李如白.碳纖維加固技術及其工程應用[J].工業建筑，2000(10):40.

[2] 趙 彤，羅振彪，謝 劍，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土板受彎性能研究[J].建筑技術，2001，32(6):20-22.

[3] 鄧友生.碳纖維加固板的應用研究[J].嘉應大學學報(自然科學)，2002，20(6):35-38.

[4] GB 50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[5] 過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社，2003.

[6] 趙 彤，謝 劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津:天津大學出版社，2001:31-52.