基于ABAQUS分析BFRP網(wǎng)格加固鋼筋混凝土梁

孫興武 王晨 趙旭鵬

摘要：本文應(yīng)用ABABQUS有限元軟件，對(duì)4根RC梁進(jìn)行了數(shù)值模擬。著重分析了BFRP網(wǎng)格加固RC梁在不同配筋率下的抗彎承載力提高情況，并將FEM所得值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維網(wǎng)格能很好的提高RC梁的抗彎承載力，且配筋率較低的梁加固效率更高。

關(guān)鍵詞：BFRP;加固;RC梁;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.074

0引言

由于鋼筋混凝土材料自有屬性，建（構(gòu)）筑物隨時(shí)間發(fā)生混凝土碳化、鋼筋銹蝕和結(jié)構(gòu)部分損傷等現(xiàn)象，出現(xiàn)正常使用功能受限、原結(jié)構(gòu)承載力不足和構(gòu)件壽命周期短等問(wèn)題。建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)無(wú)疑是解決這一系列問(wèn)題的可行性辦法。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)FRP加固RC梁也做出了大量工作。

本文通過(guò)ABAQUS軟件，模擬雙層玄武巖纖維網(wǎng)格加固鋼筋混凝土梁受彎的破壞過(guò)程，由此得出梁的損傷、位移和抗彎承載力值等結(jié)果。結(jié)果表明，應(yīng)用BFRP網(wǎng)格加固形式，可有效提高RC梁的抗彎承載力。

1玄武巖纖維的特性

玄武巖纖維（Basalt Fiber Reinforced Polymer）的原材料是玄武巖礦石，后經(jīng)工藝加工而成，顏色多為黑褐色。因力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)性能穩(wěn)定，成為結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的新興材料。它具備以下幾點(diǎn)特性：

（1）輕質(zhì)高強(qiáng)。

（2）耐高溫、抗腐蝕。

（3）絕緣性好。

（4）生產(chǎn)成本低。

（5）產(chǎn)品綠色。

2本構(gòu)選取與驗(yàn)證

2.1本構(gòu)選取

（1）因混凝土抗拉性能較差，大約是其抗壓性能的7%，為節(jié)約計(jì)算成本，故忽略混凝土的抗拉能力。

（2）混凝土單軸抗壓和鋼筋單調(diào)加載本構(gòu)參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）。

（3）BFRP網(wǎng)格選取純彈性本構(gòu)模型，彈性模量為88GPa。

2.2模型驗(yàn)證

目前國(guó)內(nèi)尚未有BFRP網(wǎng)格加固RC梁的系統(tǒng)研究，但梁與板同為典型的受彎構(gòu)件，故本文選取東南大學(xué)陳功同學(xué)加固橋面板的材料參數(shù)，并對(duì)其B0-0、B1-0、B3-0試驗(yàn)橋面板進(jìn)行模擬，驗(yàn)證模型科學(xué)性。試驗(yàn)橋面板的模擬結(jié)果如圖1、圖2、圖3。

通過(guò)對(duì)比以上模擬與試驗(yàn)橋面板荷載-位移曲線，發(fā)現(xiàn)模擬值與試驗(yàn)值吻合度較高，證明本文所建模型的建模方法、材料本構(gòu)和材料屬性是正確的。

3研究?jī)?nèi)容

3.1基本信息

本文共選取了4根鋼筋混凝土梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，保護(hù)層厚度25mm，梁橫截面尺寸200×250，跨度2900mm，凈跨2700mm，具體材料性能和幾何參數(shù)如表1、表2、表3、表4。

3.2建立模型

混凝土模型和鋼筋模型分別見(jiàn)圖4、圖5。

3.3單元類(lèi)型

混凝土單元類(lèi)型選擇三維實(shí)體單元C3D8R，鋼筋單元類(lèi)型選擇桁架單元T3D2，BFRP網(wǎng)格同于鋼筋。

3.4邊界條件和加載方式

本文梁系簡(jiǎn)支梁，一端僅釋放豎向轉(zhuǎn)動(dòng)位移，另一端釋放豎向轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移。采用位移加載方式。

4結(jié)果分析

結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7、圖8、圖9、圖10。

由圖7、圖9混凝土受壓損傷云圖可以看出，梁上部混凝土已經(jīng)開(kāi)始?jí)核椋ㄟ^(guò)圖8、圖10鋼筋應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)梁底部縱筋已經(jīng)屈服，受彎承載力轉(zhuǎn)由BFRP網(wǎng)格承擔(dān)。此時(shí)L2的網(wǎng)格應(yīng)力為1422MPa，L4的網(wǎng)格應(yīng)力為1096MPa，說(shuō)明梁發(fā)生破壞時(shí)，加固網(wǎng)格尚未被拉斷，屬部分超筋破壞。

通過(guò)圖11、圖12對(duì)比得出，加固網(wǎng)格對(duì)梁的剛度有提高作用，幅度不大，抗彎承載力提高明顯，但延性稍有降低。L1加固后抗彎承載力由66.5kN提高到97.6kN，提高幅度46.8%，而L3加固后抗彎承載力由97.1kN提高到121.0kN，提高幅度24.6%。均有明顯提高，說(shuō)明BFRP網(wǎng)格加固RC梁的效果顯著。

通過(guò)抗彎承載力理論值和模擬值的比較，見(jiàn)表5 雖有一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)，也進(jìn)一步證明了所建模型的正確性。

由圖13比較不同配筋率下的加固效果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，L2抗彎承載力相較L1提高了46.8%，L4抗彎承載力相較于L3提高了24.6%。表明對(duì)于低配筋率的梁構(gòu)件來(lái)說(shuō)，BFRP網(wǎng)格加固效果更明顯。

5結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同配筋率下雙層BFRP網(wǎng)格加固梁構(gòu)件，得出以下結(jié)論：

（1）BFRP網(wǎng)格加固鋼筋混凝土梁構(gòu)件可以有效提高梁的抗彎承載力，延緩跨中撓度，但延性略有降低。

（2）對(duì)于配筋率較低的梁構(gòu)件，BFRP網(wǎng)格加固效果更顯著，故效率更高。

（3）模擬值之所以高于理論值，原因是選擇鋼筋和BFRP網(wǎng)格均內(nèi)嵌于混凝土內(nèi)的作用方式，認(rèn)為鋼筋、網(wǎng)格和混凝土之間粘結(jié)完好，不存在粘結(jié)滑移，因此模擬值要高于理論值，但結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

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