BFRP層數對加固木梁抗彎性能研究

摘要：通過對不同玄武巖纖維布層數的加固木梁的有限元模擬分析，比較了在不同粘貼層數下加固木梁的極限荷載情況，結果表明，隨著BFRP粘貼層數的增加，木梁的極限荷載逐漸增加，為加固設計和工程應用提供參考。

關鍵詞：玄武巖纖維布 木梁 極限荷載 粘貼層數

木材是一種取材容易，加工簡便的結構材料，在中國傳統建筑中被廣泛應用。鑒于在保留傳統木建筑歷史風貌方面的優勢，纖維布越來越廣泛的應用于傳統木結構的維修加固工程，而玄武巖纖維布又以其具有較高抗拉強度和彈性模量，同時還有良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點在工程加固方面逐漸顯示出優越性。玄武巖纖維布在一定程度上可以代替各種纖維增強材料制品，但成本卻更低，更適宜采用。本文利用通用有限元軟件ANSYS12.0對不同粘結層數的加固木梁進行有限元分析，建立了相應的有限元模型，比較了不同粘結層數下木梁的極限荷載情況，為木梁設計提供參考依據。

1 BFRP加固木梁有限元模型的建立

1.1 模型及材料參數 選取木材為樟子松，建立了對比木梁及三根不同粘貼層的簡支木梁的有限元模型，其基本物理力學性能如表1所示。玄武巖纖維布厚度為0.111mm，其他基本物理力學性能見表1。

對比梁及加固梁均為矩形截面b×h=100mm×200

mm，跨度1500mm。模型方案及編號見表2。

1.2 單元選擇 木材和墊塊均選用Solid45單元，Solid45單元用于構造三維固體結構，單元通過8個節點來定義，每個節點有三個沿著xyz方向平移的自由度。該元素有塑性、徐變、膨脹、應力強化、大變形、大應變和模擬各向異性等能力，并提供帶有沙漏控制的縮減選項。BFRP采用Solid46空間實體單元進行模擬。Solid46單元為8節點3D實體單元Solid45的一種分層形式單元，該單元用于模擬分層殼或著實體。它的每個結點有3個自由度，可以用來建立疊層殼體或實體的有限元模型，每個單元允許125層的厚度在單元面內成雙線性變化的不等厚材料層，同樣允許有250層的等厚度材料層。Solid46單元的另一個優點是對多于250層的復合材料可以用幾個單元疊加的方式來建立模型，并允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續，而且用戶也可以輸入自定義的本構矩陣。該單元有一個等效的橫向剛度，允許橫向上存在非零應力、應變和位移。它可以指定失效準則。與8節點殼單元相比，其單元的階次要低。

1.3 建立有限元模型 為了保證木梁和墊塊兩者的節點可以變形協調，采用先劃分單元，然后將節點合并的方法，并采用相同的加載方式對其進行模擬分析。長度方向用邊界長度為50mm的單元來劃分網格，其他方向采用25mm的單元進行劃分。建成后的模型如圖1所示。

2 模擬結果及分析

經過ANSYS程序的有限元計算，得到對比梁及BFRP約束木梁的最終應力云圖，如圖2～圖5所示。最終得到極限荷載模擬值如表3所示。

從模擬的應力圖及數值對比可知，利用玄武巖纖維布進行加固并非粘結層數越多越好。加固后木梁的承載力相對未加固的木梁有所提高，粘結兩層BFRP布的提高幅度比粘結一層的高，雖然加固木梁的承載力隨著粘結層數的增加而逐步增大，但是增加幅度并非與玄武巖纖維布的增加層數成正比，而是趨于平緩。對與實際結構受力構件，其受彎時，木材木節處往往有應力集中，使其破壞時多沒達到木材的極限承載力，對木材的性能不易得到較準確的認識。本模型模擬時為均勻模型，排除了木節等缺陷對試驗結果的影響，其在達到受彎承載力極限狀態前，BFRP與木材試件之間粘結可靠，不發生相對滑移，保持應變協調。

3 結論

本文分別對粘貼不用層數玄武巖纖維布的木梁進行抗彎加固模擬，根據其破壞形態及極限承載力結果的分析得到以下結論：玄武巖纖維布粘貼層數越多，構件承載力提高幅度越大，但并不是與粘貼層數成正比。隨著玄武巖纖維布層數的增加，纖維布與加固構件之間的有效粘結長度沒有增加，且構件上部受壓強度一定，極限承載力提高幅度增長率降低。因此，在實際應用中，應根據具體加固需要，并考慮經濟性，合理選擇纖維布的層數。

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