高強碳纖維布加固混凝土板的有限元分析

應(yīng)蔚中 古增密

對于混凝土樓板，目前主要側(cè)重于其支座和跨中的抗彎強度不足而采用碳纖維布進行加固，或因為樓板的局部開洞而采用補強加固[1]。使用碳纖維布來加固混凝土板，可以明顯提高板的受彎承載力;提高板的屈服彎矩和極限彎矩;在同樣荷載下減小板的撓度和裂縫寬度;同時，不影響構(gòu)件的截面高度及自重，對空間的凈高及建筑物的其他結(jié)構(gòu)沒有影響[2]。此外，高強碳纖維加固技術(shù)的特點是加固效率高、效果好、施工機具少、操作簡單、施工周期短，有著十分廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 有限元ANSYS分析

1.1 模型的建立

模型采用整塊板進行分析，鋼筋和混凝土組合方式采用分離模型，不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移，通過鋼筋和混凝土之間共用節(jié)點來實現(xiàn)位移協(xié)調(diào)。

1.2 單元類型的選取

混凝土選用三維實體單元Solid65，由8節(jié)點組成，每個節(jié)點具有3個方向的自由度。鋼筋選取三維Link8單元，該單元由2個節(jié)點組成，具有3個方向的自由度。碳纖維選用了多層殼單元Shell181。

1.3 本構(gòu)關(guān)系模型的選取

本次分析中混凝土選擇多線性隨動強化(KINH)，鋼筋選擇經(jīng)典雙線性隨動強化模型(BKIN)?；炷翍?yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范建議的Rusch應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[4]。鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用Y.Hgashibata提出的鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[5]曲線，不考慮屈服段。

2 建模與計算

本文的試驗數(shù)據(jù)部分來源于文獻[6]，并進行一定的改進(計算中記入板自重)。

2.1 試件設(shè)計與制作

試驗板為矩形簡支板(見圖1)，截面尺寸為b×h=560 mm×100 mm，跨度 l=3 270 mm，凈跨 l0=3 070mm，混凝土的設(shè)計強度等級為C30，縱筋采用熱軋Ⅰ級鋼筋φ 8@120，設(shè)計配筋率為0.45%。鋼筋和混凝土的實測力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼筋和混凝土的實測力學(xué)性能指標(biāo)表 MPa

碳纖維布為高強度碳纖維布，其性能指標(biāo)見表2。

表2 碳纖維布的性能指標(biāo)表

2.2 加荷與加固方案

試驗板的加荷方案為均布加載，試驗板加固方案見表3。

表3 試驗板編號和加固情況表

3 結(jié)果比較

3.1 試驗板結(jié)果與ANSYS結(jié)果比較

試驗板結(jié)果與ANSYS結(jié)果比較見表4。

3.2 試驗板的撓度對比結(jié)果

從表4中可以看出計算值與試驗吻合良好，產(chǎn)生的誤差與直接在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上加上混凝土板的自重有關(guān)。由于沒有完整的試驗數(shù)據(jù)，只是畫出了用ANSYS計算的荷載位移曲線(見圖2)。

4 結(jié)語

1)試驗數(shù)據(jù)和有限元的分析結(jié)果共同驗證了高強碳纖維加固混凝土板的優(yōu)點，尤其是能在很大程度上提高板的極限承載力;

2)通過對試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的互相比較，說明采用本文中提到的方法建立有限元模型能較好地模擬實際情況;

表4 試驗板結(jié)果與ANSYS結(jié)果比較表

3)本文未對加固后的混凝土板的有限元模型特殊性進行分析，未找到能更好反映加固后混凝土和鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，有待在今后的研究工作中進一步深入。

[1] 婁 宇，王紅慶，李如白.碳纖維加固技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2000(10):40.

[2] 趙 彤，羅振彪，謝 劍，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土板受彎性能研究[J].建筑技術(shù)，2001，32(6):20-22.

[3] 鄧友生.碳纖維加固板的應(yīng)用研究[J].嘉應(yīng)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2002，20(6):35-38.

[4] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6] 趙 彤，謝 劍.碳纖維布補強加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2001:31-52.