基于智能GFRP加筋混凝土梁試驗(yàn)的有限元分析

摘要:在智能GFRP加筋混凝土梁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了適用于GFRP加筋混凝土梁力學(xué)性能分析的有限元模型，對GFRP加筋混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行了非線性分析，得到了GFRP筋的荷載應(yīng)變圖，混凝土的裂縫開裂、分布等信息，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比較好。

關(guān)鍵詞:GFRP筋有限元 非線性分析

1、引言

近些年來，F(xiàn)RP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用及其相關(guān)的研究得到了迅速的發(fā)展，成為了繼鋼材和混凝土后的第三大現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料。使用FRP筋代替鋼筋，為遭受鋼筋銹蝕嚴(yán)重的基礎(chǔ)設(shè)施提供了解決問題的根本途徑。由于FRP筋和鋼筋力學(xué)性能之間存在較大差異，為了用FRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，必須深入研究FRP加筋混凝土構(gòu)件的性能[1]。

2、試驗(yàn)

試驗(yàn)使用的GFRP筋的抗拉強(qiáng)度為690MPa，彈性模量為40.8GPa。混凝土強(qiáng)度等級采用C30，梁跨度為2.5m，采用三分點(diǎn)加載方式，試驗(yàn)梁承受由分配梁傳遞的兩個(gè)集中荷載，分配梁上設(shè)置的千斤頂進(jìn)行分級加載，每級加載2kN，加載到14kN，然后卸載，加載方式和光纖光柵布置分別如圖1、圖2所示。

3、有限元計(jì)算

3.1GFRP加筋混凝土有限元模型

有限元模型采用分離式模型，把混凝土和GFRP筋作為不同的單元來處理，即混凝土和GFRP筋各自被劃分為足夠小的單元，兩者的剛度矩陣式分開來求解的。裂縫模型采用分布裂縫模型。

3.2單元類型的選取

混凝土采用SOLID65單元模擬，該單元最主要的特點(diǎn)是對材料的非線性處理，當(dāng)同時(shí)讓SOLID65單元考慮開裂和壓碎時(shí)，應(yīng)注意緩慢施加荷載，否則很難收斂，在一般情況下，可以不用SOLID65單元的壓碎功能[2]。

GFRP筋用PIPE16單元模擬，PIPE16是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲性能。該單元在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)X，Y，Z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)。

剛性墊塊采用SOLID45單元，它是一種8節(jié)點(diǎn)6面體單元，SOLID45單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有三個(gè)平動自由度UX、UY和UZ，可用于大變形、大應(yīng)變和塑性分析。

3.3材料性質(zhì)

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系。混凝土破壞準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型，在低靜水壓力下，裂縫張開傳遞系數(shù)取為0.5，裂縫閉合傳遞系數(shù)取為0.9，抗拉強(qiáng)度取為2.01MPa，單軸抗壓強(qiáng)度取為20.1MPa[3、4]。

GFRP筋在受拉試驗(yàn)的過程中，材料在破壞之前的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線彈性關(guān)系，對模型中GFRP筋的本構(gòu)關(guān)系只需定義它的彈性模量。GFRP筋的彈性模量取40.8GPa，泊松比取0.28。箍筋的彈性模量取為210GPa，泊松比取0.25。

3.4模型建立、求解

GFRP加筋混凝土梁試驗(yàn)由于對稱性，只需建立1/2模型即可。劃分實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)與加強(qiáng)筋、箍筋節(jié)點(diǎn)重合，兩者共用節(jié)點(diǎn)，GFRP筋與混凝土粘結(jié)較好，不考慮GFRP筋與混凝土之間的滑移。GFRP加筋混凝土梁對稱，考慮對稱性，選取1/2單元模型進(jìn)行有限元計(jì)算，在對稱面上設(shè)置成對稱面約束，在端面上設(shè)置成X、Y方向的自由度面約束。在剛性墊塊上施加均布荷載。在有限元計(jì)算中，對非線性的計(jì)算，求解步的設(shè)置對計(jì)算是否收斂、計(jì)算結(jié)果影響較大，對混凝土非線性分析來說，在計(jì)算時(shí)間容許情況下，較多的求解子步或較小的荷載步和一個(gè)非常大的子步數(shù)更容易導(dǎo)致收斂。

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為GFRP加筋混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫時(shí)的應(yīng)變圖，圖4為GFRP筋在GFRP加筋混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫時(shí)的軸向應(yīng)變圖。

因GFRP加筋混凝土梁為對稱加載，只需根據(jù)ANSYS計(jì)算的結(jié)果繪制監(jiān)測位置3、4、5處的GFRP筋的荷載應(yīng)變圖即可，如圖5、圖6、圖7所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值繪制GFRP筋的荷載應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，第一次加載時(shí)，當(dāng)荷載加載到10kN之前，監(jiān)測位置3、4、5處的荷載應(yīng)變曲線都呈線性分布，且應(yīng)變大小基本都相同，但繼續(xù)加載時(shí)，監(jiān)測位置3、4、5處的荷載應(yīng)變曲線斜率增大，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值對比較好，但在監(jiān)測位置5處，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值相差較大。

分析，加載在10kN以前，GFRP筋和混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，GFRP筋各處位置的應(yīng)變相等。加載到10kN以后，混凝土的最大應(yīng)變達(dá)到開裂應(yīng)變0.00015，首先在離加載點(diǎn)較近的監(jiān)測位置5處開始出現(xiàn)裂縫，GFRP筋和混凝土協(xié)同工作遭到破壞。在監(jiān)測位置5處，試驗(yàn)值比有限元計(jì)算值大，并且也比其他位置的應(yīng)變要大，因此位置5處最早出現(xiàn)垂直裂縫，然后隨著荷載的加大，裂縫寬度加大，并向上延伸，其它監(jiān)測位置也相繼出現(xiàn)裂縫，裂縫根數(shù)逐漸增多。從整體上來看，有限元計(jì)算都比試驗(yàn)結(jié)果都略大，這對于預(yù)測GFRP筋和混凝土的應(yīng)變都是偏于安全的。

4 結(jié)論

建立了適用于GFRP加筋混凝土梁的有限元模型，對GFRP加筋混凝土梁進(jìn)行了非線性計(jì)算，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值比較吻合。混凝土開裂前，各監(jiān)測位置應(yīng)變大小基本相等，混凝土出現(xiàn)裂縫后，監(jiān)測位置的應(yīng)變增長較快，尤其是離加載點(diǎn)近的監(jiān)測位置，有限元計(jì)算和試驗(yàn)值有些差距。

參考文獻(xiàn)

[1]張新越，歐進(jìn)萍，王勃.GFRP加筋混凝土梁受彎實(shí)驗(yàn)研究與有限元分析[J].建筑科學(xué)，2008，11(24)3-5

[2] ANSYS高級技術(shù)分析指南，ANSYS中國，2000.1

[3]江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1994

[4]江見鯨， 陸新征， 葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京: 清華大學(xué)出版社， 2005.