CFRP加固簡(jiǎn)支鋼梁有限元分析

胡宗軍(1974-)，男，山東日照人，副教授，研究生導(dǎo)師，從事工程力學(xué)研究。

CFRP加固簡(jiǎn)支鋼梁有限元分析

蘇世，胡宗軍，張旭

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥230009)

摘要:主要研究了碳纖維復(fù)合材料粘貼到鋼結(jié)構(gòu)表面用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)與加固的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)不同加固方式下的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固H型受彎鋼梁進(jìn)行有限元計(jì)算，得到了它們的荷載-撓度曲線，分析不同使用狀態(tài)下的構(gòu)件碳纖維加固對(duì)其承載力、剛度等方面的影響。結(jié)果表明，與未加固鋼梁相比，采用CFRP加固后的鋼梁的承載力、撓度得到顯著改善。

關(guān)鍵詞:CFRP；H型鋼梁；加固；有限元分析

收稿日期：2015-03-06；修回日期：2015-03-12

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)基金(編號(hào)：2013HGXJ0407)

作者簡(jiǎn)介：蘇世(1988-)，男，安徽安慶人，碩士生，從事鋼結(jié)構(gòu)加固研究；

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.001

中圖分類號(hào)：TU391

The finite element analysis of the simple supported

steel beams strengthened with CFRP

SU Shi,HU Zong-jun,ZHANG Xu

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230069)

Abstract:The features of the technology using carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) to strengthen and reinforce the steel structures are mainly introduced in this paper. Furthermore, a H-shape steel simple supported beam reinforced with CFRP in different ways is analyzed by FEM . The relation curves of load-deflection are given and the effects of different reinforcement schemes on bearing capacity and the stiffness of the steel beam are discussed. As shown in the results, comparing with the beam without reinforcement, the bearing capacity and the stiffness of the steel beam reinforced with CFRP are improved obviously.

Key words: CFRP；H-shaped steel beam；strengthen and reinforce；finite element analysis

0　引　　言

由于生產(chǎn)、制造、施工和服役環(huán)境等因素的影響,在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免地存在各種的缺陷和損傷,影響結(jié)構(gòu)的安全。目前使用的加固方法主要有:粘鋼加固法、加大截面加固法、外包鋼材加固法、裂縫處理加固法、粘貼碳纖維加固法等。傳統(tǒng)加固方法整體水平比較落后,施工方法和工藝比較復(fù)雜,受場(chǎng)地因素限制較多。而新興的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)由于具有強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)加固。在CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)方面國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的研究和實(shí)驗(yàn),近年來(lái)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)也成為研究熱點(diǎn),并已經(jīng)應(yīng)用到一些工程實(shí)踐。CFRP加固技術(shù)與一般加固技術(shù)相比,具有較大的優(yōu)勢(shì),如不會(huì)大幅度增加構(gòu)件的重量和尺寸,現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng),施工方便,不需要大型機(jī)械和重型設(shè)備,不用對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件鉆孔,不會(huì)減少其受力面積,不會(huì)形成新的應(yīng)力集中等。

鋼結(jié)構(gòu)中存在大量的受彎構(gòu)件,如鋼結(jié)構(gòu)橋梁、鋼框架梁等,由于長(zhǎng)時(shí)間服役遭受腐蝕、疲勞等原因,其受拉翼緣容易出現(xiàn)損傷,截面削弱,造成安全隱患。國(guó)內(nèi)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少,由于沒(méi)有一套較成熟的加固設(shè)計(jì)理論,特別是數(shù)值計(jì)算方面,多數(shù)工作都集中于試驗(yàn),研究成本較高。本文對(duì)受彎鋼梁在受拉翼緣外側(cè)粘貼CFRP加固進(jìn)行研究,通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)CFRP加固前后的鋼梁進(jìn)行對(duì)比分析,定量分析不同屬性、長(zhǎng)度及不同層數(shù)的CFRP布加固H型受彎鋼梁的力學(xué)性能的增強(qiáng)效果。

1　簡(jiǎn)支H型鋼梁CFRP加固方案

工程中結(jié)構(gòu)修復(fù)加固常用的CFRP材料主要有CFRP布材和CFRP板材兩種。CFRP布是直接由碳纖維編織而成,而CFRP板是將碳纖維浸漬樹(shù)脂后在模具內(nèi)固化并連續(xù)拉擠成型,厚度一般為1mm～1.6mm。CFRP布易于成型,適合于各種形狀的表面加固。

本文有限元建模的簡(jiǎn)支H型鋼梁采用Q235鋼材,長(zhǎng)度為2000mm,截面為120mm×72mm×8mm×10mm。對(duì)簡(jiǎn)支梁彎曲受拉側(cè)翼緣板進(jìn)行加固,加固模型如圖1所示,CFRP與梁同寬,在受拉翼緣下部對(duì)稱布置。所用碳纖維布、碳纖維板和粘結(jié)劑的材料參數(shù)如表1所列。

圖1　試件加固及加載方式

材料厚度/mm拉伸強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa伸長(zhǎng)率/(%)碳纖維布0.16634002351.7碳纖維板1.428003001.7粘結(jié)劑/402.911.5

本文設(shè)計(jì)了5種加固方案進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比,反映CFRP布和CFRP板層數(shù)以及加固區(qū)域大小對(duì)加固效果的影響。具體設(shè)計(jì)方案和試件編號(hào)、加固方式如表2所列。

2　有限元分析

2.1有限元模型

本文采用簡(jiǎn)化的接觸關(guān)系建立模型,真實(shí)模擬基體、膠層和CFRP材料之間的相互作用,并應(yīng)用ANSYS軟件中的目標(biāo)單元Target170和接觸單元Conta174來(lái)模擬鋼結(jié)構(gòu)下翼緣下面與CFRP材料之間的綁定約束,以達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)和CFRP材料之間位移協(xié)調(diào)。如圖2所示,1點(diǎn)為H型鋼下翼緣下表面某點(diǎn),2點(diǎn)為與1點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的CFRP上點(diǎn)。當(dāng)鋼梁受載變形時(shí),H型鋼上的1點(diǎn)產(chǎn)生正應(yīng)力σ1、切應(yīng)力τ1和位移u1,而CFRP材料相應(yīng)產(chǎn)生了正應(yīng)力σ2、切應(yīng)力τ2和位移u2,則鋼梁和CFRP材料單元節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力和位移有如下關(guān)系有限元建模時(shí)H型鋼梁采用實(shí)體單元solid45,CFRP布采用殼單元shell181模擬。鋼材為各向同性材料,彈性模量Eb=206GPa,泊松比Vb=0.3。CFRP布采用正交各向異性材料,彈性模量Ep1=Ep2=10GPa,Epa=310GPa,泊松比Vp12=0.3,Vp13=Vp13=Vp23=0.0058,剪切模量G12=3.7GPa,G13=G23=26.5GPa。網(wǎng)格劃分應(yīng)用映射法,H型鋼梁劃分為六面體單元,CFRP布劃分為四邊形單元, H型鋼梁和CFRP材料網(wǎng)格對(duì)應(yīng),節(jié)點(diǎn)的重合,并對(duì)重合節(jié)點(diǎn)建立耦合關(guān)系,以保證鋼梁和CFRP材料兩者之間粘結(jié),無(wú)相對(duì)滑移。模型中在梁端支座處和加載處加設(shè)剛性墊塊以防止應(yīng)力集中。整體有限元模型如圖3所示。

圖2　目標(biāo)單元點(diǎn)和接觸單元點(diǎn)應(yīng)力示意圖

圖3鋼梁模型圖

2.2計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算加載采用逐級(jí)加載方式,每個(gè)加載點(diǎn)加載10kN,分為10個(gè)子步遞增,每個(gè)子步增加1kN。對(duì)兩端支座施加約束,限制其UX,UY,UZ 3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。有限元計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3　有限元計(jì)算結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)過(guò)CFRP布加固的鋼梁,其屈服荷載和極限荷載都有明顯的提高,其中屈服荷載的提高幅度達(dá)到10.3%～14.7%,極限荷載的提高幅度達(dá)到10.6%～21.7%。用CFRP板加固的鋼梁,其屈服荷載和極限荷載有更為顯著的提高,其中屈服荷載的提高幅度達(dá)到20.4%,極限荷載的提高幅度達(dá)到21.7%。

圖4為簡(jiǎn)支鋼梁的荷載——跨中撓度曲線。從圖中可以看出,相對(duì)于未加固組,另外5組的跨中撓度均有明顯的提高,但FB1,FB2,FB3,FB4四組荷載——跨中撓度曲線差別不大,說(shuō)明單純?cè)黾覥FRP布層數(shù)對(duì)跨中撓度改善效果不明顯,而FB5組荷載——跨中撓度曲線明顯區(qū)別于其他組,說(shuō)明CFRP板對(duì)跨中撓度改善效果比CFRP布要明顯。主要原因是:CFRP布抗拉性能較好而抗剪性能相對(duì)不足,當(dāng)組合構(gòu)件達(dá)到一定撓度時(shí),CFRP布分擔(dān)構(gòu)件剪應(yīng)力和限制構(gòu)件位移的能力有限;而CFRP板抗剪性能相對(duì)較好,厚度和彈性模量較大,能較好的限制構(gòu)件撓度,提高極限荷載。

圖5為簡(jiǎn)支鋼梁極限荷載提高率與不同加固長(zhǎng)度CFRP的層數(shù)關(guān)系曲線,圖中可以看出,鋼梁的極限荷載隨著CFRP布層數(shù)的增加而提高,但是當(dāng)應(yīng)用單層CFRP布加固時(shí),800mm長(zhǎng)度的CFRP布與1400mm長(zhǎng)度的CFRP布對(duì)鋼梁極限荷載提高幅度影響差別不大;但當(dāng)應(yīng)用兩層及以上CFRP布加固時(shí),CFRP布長(zhǎng)度對(duì)鋼梁極限荷載提高幅度的影響較大,長(zhǎng)的CFRP布加固效果明顯。

圖4　荷載-跨中撓度曲線 圖5 極限荷載提高率-不同長(zhǎng)度CFRP布層數(shù)曲線

3　結(jié)　　論

本文通過(guò)對(duì)不同加固方式的CFRP加固簡(jiǎn)支H型鋼梁進(jìn)行有限元計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比分析,就加固效果得到如下結(jié)論:

(1)H型鋼梁通過(guò)。CFRP布和CFRP板加固,其承載力和剛度有所提高,但單純?cè)黾覥FRP布層數(shù)對(duì)跨中撓度改善效果不明顯,而CFRP板對(duì)跨中撓度改善效果比CFRP布好。

(2)鋼梁的極限荷載。隨著CFRP布層數(shù)的增加而提高。當(dāng)應(yīng)用單層CFRP布加固時(shí),鋼梁極限荷載提高幅度不受CFRP布長(zhǎng)度影響,當(dāng)應(yīng)用多層CFRP布加固時(shí),CFRP布長(zhǎng)度對(duì)鋼梁極限荷載提高幅度的影響較大,長(zhǎng)的CFRP布加固效果明顯。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄭云,葉列平,岳清瑞. FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)建筑, 2005，(8):20-25.

[2]彭福明,岳清瑞,郝際平,張寧. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu)[J]. 工業(yè)建筑, 2003,(9):7-10.

[3]Deng J, Marcus M. K.Lee, Stuart S.J.Moy. Stress analysis of steel beams reinforced with a bonded CFRP plate[J]. Composite Structures, 2004,(2):205-215．

[4]陸勝,牛忠榮,胡宗軍.CFRP加固焊接鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu),2007,(3):12-16.

[5]彭福明,郝繼平,岳清瑞,等.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu)[J]. 工業(yè)建筑，2003,3(9):7-10.

[6]岳清瑞,陳小兵,牟宏遠(yuǎn).碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[J]. 工業(yè)建筑,2003,(9): 7-10.

[7]Armstrong K B.Effect of absorbed water in CFRP composites on adhesive bonding. International Journal of Adhesion and Adhesives, 1997,(7):89-105.

[8]Sen R, Liby L, Mullins G. Strengthening steel bridge sections using CFRP laminates. Composites Part B:engineering, 2001, 309-322.

[9]Tavakolizadeh M, Saadatmanesh H. Repair of cracked steel girders using CFRP sheets. Proc. ISEC-01, Hawaii, 2001 January 24-27.

[10]Abushaggur M, EI Damatty A A. Testing of steel sections retrofitted using FRP sheets. Annual Conference of the Canadian Society for Civil Engineering. Moncton, Nouveau-Brunswick, Canada. 2003 June 4-7.

(責(zé)任編輯陳化鋼)