二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的分析

祝夏 劉錚 馬立偉

現有的鋼筋混凝土結構由于設計缺陷、施工質量低劣、材料老化、火災地震等意外災害的侵襲、建筑物使用功能的改變和使用荷載的增加、建筑物的改建和擴建以及設計標準的提高等諸多原因致使結構構件承載力不足,變形過大,存在極其嚴重的安全隱患,嚴重地影響建筑物的安全和使用。若無法對建筑拆除重建,則只能對其進行加固。傳統的加固補強技術[1]整體水平比較落后,而新興的纖維增強加固技術,尤其是碳纖維布加固鋼筋混凝土結構技術以其高強高效、施工方便、自重輕、耐腐蝕、不增加結構尺寸等優點[2],為廣大人們所接受。

本文運用有限元軟件ANSYS對碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進行了非線性有限元分析,通過對5根梁的模擬,得到了碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的受彎承載力,并與試驗值進行對比,結果表明:ANSYS模擬結果與實驗值吻合較好,用ANSYS模擬碳纖維布加固鋼筋混凝土梁是一種可行的方法。

1 試驗設計

試驗梁是5根鋼筋混凝土矩形截面簡支梁[3],其中1根為對比梁,4根為加固梁。試驗加載方式為兩點加載,加載位置為試驗梁的三分點處,由分配梁來實現。支座及加載位置處鋼墊板寬度為100 m,厚度為10 mm,加載方式如圖1所示。梁截面尺寸為b×h=150 mm×250 mm,跨度2.6 m,凈跨 2.4 m。混凝土強度等級統一采用 C25,縱向受拉筋為 2φ 12,架力筋為 2φ 8,箍筋為φ 8@150(僅在剪跨區內配置箍筋),如圖2所示。4根加固梁底部均粘貼兩層100 mm寬的碳纖維布,且底部碳纖維布用U形纖維箍錨固,如圖3所示。

試驗梁的加固及試驗方法見表1。

2 二次受力下鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析

2.1 單元的選擇及模型的建立

本次分析選取分離式有限元模型,混凝土單元選用Solid65,鋼筋單元選用Link8,碳纖維布單元選用Shell41,鋼墊板單元選用Shell43。碳纖維布與混凝土之間共用節點,防止產生相對滑移。

表1 梁加固及試驗方法

2.2 材料的本構關系

鋼筋的應力—應變關系曲線采用理想彈塑性模型,在ANSYS中采用雙線性等向強化模型BISO來模擬;混凝土應力—應變關系上升段采用GB 50010-2002[5]規定的公式,下降段采用Hognestad的處理方法,在ANSYS中用多線性等向強化模型M ISO來模擬;碳纖維布應力—應變關系采用完全線彈性模型。

2.3 二次受力的模擬

ANSYS中通過生死單元來模擬二次受力。有初始荷載存在的加固梁,碳纖維布是在一次加載后才加上去的單元,所以要將其模擬成生死單元。在施加二次荷載以前,將碳纖維布單元殺死,不考慮其作用,在加二次荷載的同時將碳纖維布單元激活,使其參與受力。

2.4 鋼筋混凝土梁的有限元分析模型

鋼筋混凝土梁的有限元分析模型見圖4。

2.5 梁正截面受彎承載力ANSYS計算結果

梁正截面受彎承載力ANSYS計算結果見表2。可以看出,加固梁的屈服荷載和極限荷載與未加固梁相比有很大的提高。屈服荷載的提高幅度為13.3%～26.7%,極限荷載的提高幅度為30.6%～42.9%。對于有初始荷載的加固梁,提高幅度隨著初始荷載的增加而降低。有初始荷載的加固梁屈服荷載的提高幅度從26.7%降到 13.3%,極限荷載的提高幅度從36.7%降到30.6%。這表明,初始荷載越大,對加固梁受彎承載力的提高越小。因此建議在加固工程中應盡量把能卸掉的荷載卸掉。

表2 梁正截面受彎承載力ANSYS分析結果

2.6 梁受彎承載力ANSYS計算值和試驗值的對比

梁受彎承載力ANSYS計算值和試驗值的對比見表3。

表3 梁受彎承載力對比

從表3中可以看出,試驗值和ANSYS計算值相差不大,差值都在20%以內,結果吻合的較好。屈服荷載的ANSYS計算值都大于試驗值是因為在ANSYS計算中沒有考慮混凝土的開裂,這樣混凝土能承受更多的壓力。加固梁極限荷載的ANSYS計算值都小于試驗值是因為在ANSYS計算中,鋼筋屈服后鋼筋的應力—應變曲線是一條直線,沒有考慮鋼筋的強化階段。

3 結語

本文應用有限元軟件ANSYS對二次受力狀態下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的受彎承載力進行了非線性分析,得出應用碳纖維布加固能明顯改善鋼筋混凝土梁的受彎性能,提高梁的受彎承載力,但是初始荷載的存在會降低加固效果,建議在實際工程中,盡量卸掉荷載,然后進行加固,以保證加固效果。

[1]郭 健.鋼筋混凝土結構加固改造方法的研究及工程應用[D].長沙:湖南大學,2004.

[2]廖 文.CFRP復合材料在加固混凝土結構中的應用現狀[J].科技資訊,2006(25):223-224.

[3]李志敬.二次受力下CFRP加固鋼筋混凝土梁受彎性能的試驗研究及數值分析[D].鄭州:鄭州大學碩士學位論文,2006.

[4]黃敏卿.碳纖維片材(CFRP)加固混凝土結構技術分析[J].山西建筑,2009,35(9):77-78.

[5]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[6]陳莉娜.考慮二次受力的碳纖維布加固梁的有限元分析[D].宜昌:華中科技大學碩士學位論文,2006.