鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP的抗彎加固性能分析

劉堯遙

鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP的抗彎加固性能分析

劉堯遙

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院 長(zhǎng)春 130114）

本文通過有限元仿真對(duì)鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP進(jìn)行抗彎承載力研究，主要分析CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)后承載力的變化情況。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，CFRP在加固鋼筋混凝土梁之后，不僅能提高鋼筋混凝土梁承載能力，還能夠有效延緩鋼筋混凝土梁表層裂縫開展，并且梁表面加固的層數(shù)越多，承載能力越高，但是加固一層的承載能力及經(jīng)濟(jì)效益最為顯著。

CFRP加固；鋼筋混凝土梁；仿真分析

前言：

CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在工程加固中有著廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段，在對(duì)鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP加固的抗彎承載能力試驗(yàn)做了諸多研究，從數(shù)值層面對(duì)抗彎性能分析文獻(xiàn)數(shù)量十分有限。

1.計(jì)算采用的本構(gòu)關(guān)系

1.1混凝土的本構(gòu)關(guān)系

在對(duì)混凝土受壓應(yīng)力分析研究中，主要通過鎮(zhèn)海建議公式進(jìn)行計(jì)算，其本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式為：。在該本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式內(nèi)，α為混凝土應(yīng)力變化數(shù)值，在混凝土應(yīng)力變化數(shù)值變化范圍為2到0.8。在對(duì)混凝土強(qiáng)度精確性判斷上，主要采取warnke5模型，在該模型內(nèi)所應(yīng)用的參數(shù)主要有兩個(gè)，分別為開裂與裂縫閉合截面剪切傳遞系數(shù)，根據(jù)我國(guó)建筑工程混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，開裂截面剪切傳遞系數(shù)為0.7，裂縫閉合截面剪切傳遞系數(shù)為0.9。

1.2鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

鋼筋本構(gòu)關(guān)系由于受到混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)該小于應(yīng)變。為保證有限元順利進(jìn)行，減少不收斂情況的發(fā)生，將鋼筋簡(jiǎn)化為雙折線的本構(gòu)形式，鋼筋在進(jìn)入塑性后，應(yīng)力不變應(yīng)變?cè)黾印?/p>

1.3碳纖維材料的本構(gòu)關(guān)系

CFRP拉伸性能十分良好，能夠提高足夠的拉應(yīng)力。碳纖維材料的本構(gòu)關(guān)系

應(yīng)該為：碳纖維材料應(yīng)力在不斷提高之后，碳纖維應(yīng)變也在不斷提高，主要為線性增長(zhǎng)，當(dāng)碳纖維材料受到的拉力超過極限拉應(yīng)力，碳纖維就會(huì)出現(xiàn)拉斷情況[1]。

2.ANSYS計(jì)算分析

2.1分析模型和單元?jiǎng)澐?/p>

ANSYS在對(duì)鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP抗彎加固性能計(jì)算中，以簡(jiǎn)支梁作為研究案例，通過構(gòu)建三維實(shí)體單元有限元模型，按照鋼筋一般處理方法，將三維實(shí)體有限元模型分為整體式與分離式兩種。混凝土一共由8個(gè)階段與6個(gè)單元構(gòu)成，通過Link8空間進(jìn)行連接，在簡(jiǎn)支梁地主底部通過shell41單元。模型內(nèi)每一個(gè)單元都應(yīng)用相同的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的位置能夠相互協(xié)調(diào)，這樣分離式模型一共劃分為984個(gè)單元。

2.2加載與邊界條件

實(shí)體模型在加載過程中，主要通過等效節(jié)點(diǎn)及分布落實(shí)的方式，實(shí)體模型在加載中需要混凝土節(jié)點(diǎn)的限制，同時(shí)還需要在簡(jiǎn)支梁的支撐處添加一個(gè)鋼墊板，主要作用就是對(duì)約束力所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行限制，防止支座周圍的混凝土突然之間出現(xiàn)破損情況。鋼板主要通過彈性模型進(jìn)行連接，彈性模量為20gpa。

2.3有限元方程的求解

在對(duì)抗彎加固性能計(jì)算中，主要通過迭代法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果存在一定容差數(shù)值，整個(gè)加載計(jì)算可以分為四個(gè)階段：首先，加載到開裂過程進(jìn)行計(jì)算；其次，大量出現(xiàn)裂縫；再次，鋼筋出現(xiàn)變形；最后，梁出現(xiàn)較大變形。在對(duì)梁極限狀態(tài)判斷上，主要從兩種情況進(jìn)行控制：首先，極限抗拉強(qiáng)度在超過碳纖維復(fù)合材料最強(qiáng)抗拉強(qiáng)度之后，會(huì)出現(xiàn)拉斷情況；其次，由于受到塑形變形因素的影響，梁產(chǎn)生變形，也就是在計(jì)算過程中出現(xiàn)迭代情況[2]。

3.實(shí)驗(yàn)分析

3.1加固實(shí)驗(yàn)

在加固實(shí)驗(yàn)內(nèi)，參考了《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)鋼筋混凝土梁的尺寸、配筋及加載形式進(jìn)行確定，整個(gè)加固實(shí)驗(yàn)一共分為三組，分別為不加固、一層加固及兩層加固，梁長(zhǎng)統(tǒng)一為2m，，鋼筋混凝土跨度為1.9m。混凝土彈性模量E=3.0x105 MPa，鋼筋彈性模量為2.1x105MPa，CFRP彈性模量1.62x105MPa。

3.2理論計(jì)算分析

基本假定：在對(duì)CFRP加固鋼筋混凝土承載能力計(jì)算分析過程中，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行假定。與此同時(shí)，還需要滿足一定條件：首先，鋼筋混凝土在達(dá)到抗彎承載極限狀態(tài)下，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)拉應(yīng)變通過應(yīng)變?nèi)切芜M(jìn)行判斷，但是需要控制在碳纖維復(fù)合材料拉應(yīng)變范圍之下；其次，在對(duì)二次應(yīng)力考慮過程中，需要按照混凝土在加固狀態(tài)下的荷載，根據(jù)截面進(jìn)行計(jì)算，對(duì)混凝土受拉區(qū)邊緣最為原始應(yīng)變進(jìn)行確定。

3.3ANSYS模擬分析結(jié)果

按照有關(guān)理論分析，對(duì)不加固、一層加固與兩層加固混凝土梁進(jìn)行有限元分析之后可以發(fā)現(xiàn)，加固之后的鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力或CFRP達(dá)到最大拉應(yīng)力情況之后，整個(gè)計(jì)算才最終停止。

在對(duì)鋼筋應(yīng)力及外力關(guān)系分析中，主要通過分離式模型進(jìn)行研究，根據(jù)鋼筋應(yīng)力及外力關(guān)系關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋應(yīng)力在不斷變化過程中，能夠充分體現(xiàn)出混凝土梁在不同受力狀態(tài)下所呈現(xiàn)出來的受力，進(jìn)而在鋼筋屈服之后，能夠得到加固梁最大彎矩[3]。

4.ANSYS模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值、理論值的對(duì)比分析

4.1破壞形式

在應(yīng)用ANSYS模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值、理論值分析研究之后能夠發(fā)現(xiàn)，一層加固梁與二層加固梁之所以出現(xiàn)破壞情況，主要受到CFRP拉斷影響，進(jìn)而出現(xiàn)破壞情況。

4.2抗彎極限承載力

鋼筋混凝土抗彎極限承載力在計(jì)算過程中，計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值之間存在一定差距。造成鋼筋混凝土抗彎極承載了計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在偏差，主要是由于鋼筋混凝土材料自身存在離散性[4],同時(shí)并沒有考慮到嵌貼CFRP與混凝土間滑移的影響。

4.3彎矩-撓度關(guān)系曲線

在對(duì)鋼筋混凝土梁表層抗彎加固性能對(duì)比分析之后，ANSYS模擬分析結(jié)果與彎矩?fù)隙惹€基本相同，進(jìn)而能夠確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分精確。ANSYS模擬在對(duì)加固梁與未加固梁開裂彎矩計(jì)算過程中，加固梁與未加固梁開裂彎矩計(jì)算基本相同，開裂彎矩?cái)?shù)值大約為5.50KN.m。所以，CFRP對(duì)提高鋼筋混凝土梁抗裂性能上面效果并不顯著，主要原因是由于CFRP較薄，在鋼筋混凝土受力較小變形不太顯著情況下，CFRP起不到有效抵抗開裂的加固作用。對(duì)ANSYS實(shí)驗(yàn)數(shù)值分析能夠發(fā)現(xiàn)，CFRP在加固一層之后，鋼筋混凝土梁承載力顯著提高，但是CFRP在加固一層以上之后，雖然鋼筋混凝土梁承載力依舊提高，但是提高效果并不顯著，所以，CFRP加固一層，不僅能夠使混凝土梁承載力顯著提高，而且節(jié)約了材料的使用，降低了成本。

結(jié)論：

在對(duì)CFRP結(jié)構(gòu)加固受力分析研究中，通過ANSYS模擬效果良好，能夠有效對(duì)鋼筋混凝土加固梁荷載特點(diǎn)、開裂及屈服進(jìn)行近似計(jì)算，從而保證鋼筋混凝土實(shí)際數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果相一致，達(dá)到理論分析的目的。通過有限元程序?qū)μ祭w維復(fù)合材料分析過程中，可以有效替代傳統(tǒng)試驗(yàn)分析方法，能夠有效降低傳統(tǒng)試驗(yàn)分析對(duì)人力物力投入，具有良好的應(yīng)用效果。

[1]張智梅,張振波,黃海濤,張振凱,熊浩.表層嵌貼CFRP板加固RC梁的抗彎性能研究[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,:1-12.

[2]彭暉,張建仁,何賢鋒,蔣鑫.表層嵌貼預(yù)應(yīng)力CFRP-strip加固鋼筋混凝土梁的受力性能研究[J].工程力學(xué),2012,S1:79-85+91.

[3]洪一紅,李剛,閆有喜.表層嵌貼CFRP板條抗彎加固梁的有限元分析[J].浙江建筑,2015,05:13-16.

[4]何夕平,許前程,楊波,劉睿,羅宗禮.CFRP布加固鋼筋混凝土雙向板抗彎性能分析[J].天津城建大學(xué)學(xué)報(bào),2014,01:1-7+23.

劉堯遙（1987.07---）助教，吉林長(zhǎng)春，吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長(zhǎng)春市學(xué)建大路1111號(hào)，130114

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1007-6344（2017）03-0309-01