CFRP 加固鋼筋混凝土梁正截面承載力有限元分析

段麗萍

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021)

0 引言

縱觀土木工程的發(fā)展，隨著新建建筑物日趨減少，老、舊建筑物的補強、加固、改造被越來越重視，這與我國提倡的“環(huán)境保護，綠色發(fā)展”的原則相匹配。而CFRP布加固法憑借其自重輕、延性好、耐腐蝕，幾何可塑性大，易裁剪成型，便于施工等優(yōu)點成為加固修補鋼筋混凝土結構技術研究和應用的熱點［1，2］。目前，國內外對碳纖維布加固混凝土梁的抗彎性能的研究多側重于“一次受力”。而實際工程中，梁在加固時，仍需繼續(xù)承擔荷載，故梁在這種情況下屬于“二次受力”。

本文通過對3根碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進行有限元模擬，研究考慮二次受力對加固梁的影響。其模擬值與試驗值吻合較好，初始荷載的存在會影響碳纖布加固的效果。說明了用ANSYS模擬二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的可行性和重要性，為實際工程奠定了良好的理論基礎。

1 加固梁試驗

以文獻［3］中的試驗梁作為原型進行建模，試驗梁為3根，1根為對比梁，2根為加固梁。試驗采用三點受力法，加載點為試驗梁的2分點處。加載方式如圖1所示。試件的截面尺寸為b×h=100 mm×180 mm，梁長l=2 200 mm。混凝土強度等級為C20，縱向受拉鋼筋為2Φ8，架力筋為2Φ6，受剪區(qū)配置箍筋為5Φ6@150，如圖2所示。混凝土保護層厚度為25 mm。加固梁底部分別粘貼1層～2層100 mm寬的碳纖維布(厚度取0.2 mm)。3根加固梁的加固方法見表1。

圖1 梁加載示意圖

圖2 梁配筋示意圖

表1 梁加固方法

2 鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析

2.1 有限元模型建立

目前研究人員進行了大量試驗，但試驗數(shù)據(jù)的離散性限制了研究工作的進展。鑒于此，本文作者利用有限元軟件進行碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的仿真模擬。為了能夠真實的反映各種材料的力學特點，結合ANSYS軟件中的結構模塊的各單元特點，混凝土材料采用ANSYS中的8節(jié)點三維實體單元Solid65，該單元能真實的模擬混凝土材料的壓碎和開裂等特點，鋼筋在實際應用中，主要承受拉力作用，采用ANSYS中空間一維鏈桿單元Link8來模擬，碳纖維布在工作狀態(tài)中，僅承受拉力，選用ANSYS中的殼單元Shell41模擬，完全符合碳纖維布實際受力狀況。剛性墊塊采用實體單元Solid45。本文采用分離式建模，把鋼筋和混凝土采用不同的單元來處理，可以更準確的考慮鋼筋的位置。建立有限元模型如圖3，圖4所示。不同單元之間的連接方法有共用節(jié)點法和接觸面間彈簧連接法，本次建模采用共用節(jié)點來模擬不同單元間的連接。

圖3 鋼筋混凝土梁有限元模型圖

圖4 有限元模型配筋圖

2.2 材料的破壞準則和本構關系

混凝土破壞準則采用Willam-Warnke五參數(shù)強度模型［4］，在ANSYS中Solid65單元的破壞面通過定義幾個參數(shù)來實現(xiàn):裂縫張開剪力傳遞系數(shù)ShrCf-Op，裂縫閉合剪力傳力系數(shù)ShrCf-Cl，單軸抗拉強度UnTeanSt，單軸抗壓強度UnCompSt，雙軸抗拉強度等，本例中前四項參數(shù)分別取為:0.5，0.9，1.1，-1(關閉壓碎開關)。在ANSYS中，混凝土應力—應變關系采用多線性等向強化模型MISO模擬，鋼筋應力—應變關系采用雙線性等向強化模型BISO模擬，碳纖維布應力—應變關系采用完全線彈性模型。

2.3 利用生死單元模擬二次受力

加固結構一般屬于二次受力，加固構件的受力特征和新建結構的受力特征有所不同，未加固時，被加固構件已經受力，存在初始應力和初始應變。故在二次施加荷載時，碳纖維布才參與受力。在ANSYS中，通過生死單元(Birth-Ekill)來模擬二次受力。即:在第一載荷步先把Shell41單元“殺死”后施加載荷，相當于未加固梁，待施加到預定荷載后再“激活”該單元。

2.4 結果分析

ANSYS計算結果見表2，可以看出，碳纖維布加固混凝土梁的屈服荷載和極限荷載與未加固梁相比有明顯的提高，其中極限承載力提高較顯著。有初始荷載的加固梁，其屈服荷載的提高幅度從28.6%下降到14.3%，極限荷載的提高幅度從39.1%下降到34.8%。說明初始荷載增加越多，加固梁的受彎承載力提高越小。因此，實際工程中應盡量完全卸載，保證良好的加固效果。

表2 梁受彎承載力ANSYS分析結果表

梁受彎承載力ANSYS模擬值與試驗值的比較見表3。

表3 梁承載力對比

從表2中可以看出，實驗值與ANSYS計算值的差值均在20%以內，模擬結果與試驗值吻合較好。引起誤差是由于在ANSYS計算中沒有考慮到混凝土的開裂，使得屈服荷載的計算值大于試驗值，另一方面，在ANSYS中認為鋼筋是理想的彈塑性，忽略了其強化階段，使得極限荷載計算值小于試驗值，其次，碳纖維布與混凝土之間的粘結對計算結果也存在誤差。

3 結語

1)運用ANSYS軟件對二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受彎承載力進行了非線性分析。得出有限元仿真分析與試驗結果吻合較好，表明有限元模型建立是正確的，故采用有限元法模擬該狀態(tài)是可行的。

2)通過有限元的非線性分析，解決了一些靠試驗無法解決的問題，在模擬中可以發(fā)現(xiàn)一些問題，起到提前預測的作用，提高了工作效率。

3)碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，可有效提高鋼筋混凝土梁的受彎承載力［5，6］，而初始荷載的存在會降低碳纖維布加固效果。建議在實際工程中加固時，盡量卸掉荷載，以達到更好的加固效果。

［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(xiàn)狀［J］.科技資訊，2006(25):223-224.

［3］史鍵勇，盧亦焱，何 勇，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁正截面承載力試驗研究［J］.建筑技術，2001，32(6):129-130.

［4］江見鯨，陸新征.混凝土有限元分析［M］.第2版.北京:清華大學出版社，2009.

［5］祝 夏，劉 錚，馬立偉.二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的分析［J］.山西建筑，2010，36(23):58-60.

［6］董江峰，王清遠.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的試驗研究［J］.應用力學學報，2001(28):351-358.