預(yù)應(yīng)力碳纖維片材在結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究——以其對(duì)鋼筋混凝土梁力學(xué)性能的增強(qiáng)為例

何 令

（重慶市萬州區(qū)城建工程管理處，重慶萬州 404100）

1 引 言

碳纖維布已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固，但簡(jiǎn)單的粘貼碳纖維布的方法存在以下一些問題：1.不能充分利用碳纖維高強(qiáng)度的特性；2.對(duì)結(jié)構(gòu)物承載力的提高不明顯；3.碳纖維布用量較大.若需對(duì)以上情況進(jìn)行改善，可以考慮對(duì)碳纖維布采取施加預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行.為了驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力碳纖維布的增強(qiáng)效果，可以采用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS/Civil進(jìn)行數(shù)值仿真，研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.

2 材料及單元特性

2.1 混凝土

混凝土本構(gòu)關(guān)系根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010）采用：

其中：fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度；ε0=0.002，εu=0.0033.

混凝土采用Soild65單元，破壞準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，屈服準(zhǔn)則采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MKIN）[1].

2.2 鋼筋

鋼筋采用Link8單元，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN），鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用線性本構(gòu)關(guān)系（圖1）[1].

2.3 碳纖維布

碳纖維布采用Shell41單元，理想彈性材料，在預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時(shí)，其預(yù)應(yīng)力的施加利用了升溫法[2]（碳纖維布線膨脹系數(shù)為負(fù)）.預(yù)應(yīng)力大小的確定應(yīng)遵守以下原則：1.碳纖維布與界面的剪應(yīng)力不應(yīng)超過粘接劑的抗剪強(qiáng)度；2.被加固的鋼筋混凝土梁頂部不能出現(xiàn)開裂[3-4].

圖1 鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

圖2 碳纖維布應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

3 有限元模型的建立

有限元模型采用建立全模型的形式，網(wǎng)格劃分采用映射方式，通過控制結(jié)構(gòu)外形尺寸來控制單元的尺寸.結(jié)構(gòu)整體模型和部分單元模型分別見圖3.由于碳纖維布的預(yù)應(yīng)力施加采用的是升溫法，因此要對(duì)碳纖維布的板單元的兩個(gè)縱向長(zhǎng)邊處施加DX位移約束，由此引起的應(yīng)力變化為X方向的應(yīng)力變化，在結(jié)果中應(yīng)忽略.另外，由于 Shell41單元大變形只能支持三角形單元，因此，對(duì)碳纖維布的 Shell41的單元?jiǎng)澐植捎萌切螁卧?其中Soild65單元共990個(gè)，Link8單元共390個(gè)，Shelll41單元共282個(gè).

圖3 有限元模型

4 有限元分析結(jié)果

現(xiàn)將通過有限元程序分析獲得的模型梁的結(jié)果（荷載—撓度曲線、鋼筋應(yīng)力、碳纖維應(yīng)力等）匯總?cè)缦?，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

4.1 撓度

圖4為試驗(yàn)梁跨中截面撓度歷程數(shù)值分析結(jié)果曲線.計(jì)算結(jié)果表明，在相同荷載作用下，增強(qiáng)RC梁的撓度均小于普通RC梁，施加預(yù)應(yīng)力的碳纖維布增強(qiáng)RC梁的撓度更小.構(gòu)件破壞時(shí)，未加固梁的撓度達(dá)到25mm，而未施加預(yù)應(yīng)力的碳纖維布加固梁的撓度在10mm左右，施加了預(yù)應(yīng)力的碳纖維布加固梁撓度在 8mm左右.因此，粘貼碳纖維布在一定程度上能夠提高混凝土構(gòu)件的抗彎剛度，并且碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力后的提高程度更大.

圖4 荷載—撓度關(guān)系圖

表1 有限元和試驗(yàn)結(jié)果比較

4.2 結(jié)構(gòu)變形、裂縫圖

不同構(gòu)件在破壞荷載下的撓度如圖5所示.計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)碳纖維布加固后的梁在破壞荷載下的撓度會(huì)減小，并且預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的梁撓度比沒有施加預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的梁更小.其中，未加固梁破壞時(shí)的撓度為24.53mm，粘貼碳纖維布加固梁破壞時(shí)的撓度為 9.96mm，預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁破壞時(shí)的撓度為7.98mm.

圖5 不同構(gòu)件在破壞荷載下的撓度圖

不同構(gòu)件在破壞荷載下的裂縫如圖6所示.計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)碳纖維布加固的梁不能夠提高開裂荷載，但是經(jīng)過預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的梁夠提高開裂荷載.其中，未加固梁的開裂荷載為9KN左右，粘貼碳纖維布加固梁的開裂荷載也為9KN左右，預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固梁的開裂荷載為21KN左右.

圖6 不同構(gòu)件在破壞荷載下的裂縫圖

4.3 鋼筋應(yīng)力狀態(tài)

不同構(gòu)件在10KN、20KN、破壞荷載下鋼筋的應(yīng)力如圖7-9計(jì)算結(jié)果表明，在相同荷載下經(jīng)過碳纖維布加固的梁鋼筋應(yīng)力比未加固梁小，并且經(jīng)過預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的梁能夠在受拉鋼筋中儲(chǔ)存一定得壓應(yīng)力，對(duì)改善梁體受力有積極的影響.

圖7 10KN荷載下不同梁的鋼筋應(yīng)力圖

圖8 20KN荷載下不同梁的鋼筋應(yīng)力圖

圖9 破壞荷載下不同梁的鋼筋應(yīng)力圖

4.4 碳纖維布的應(yīng)力

粘貼碳纖維布與預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在荷載相同情況下的應(yīng)力狀態(tài)如圖10-12結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力碳纖維布中儲(chǔ)存了一定得拉應(yīng)力，相同荷載情況下預(yù)應(yīng)力碳纖維布的應(yīng)力值較高，為鋼筋混凝土梁承擔(dān)了更多的外部荷載.在破壞情況下，預(yù)應(yīng)力碳纖維布并沒有達(dá)到抗拉強(qiáng)度值，說明采用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固鋼筋混凝土梁能提高碳纖維布強(qiáng)度利用率，達(dá)到節(jié)省材料的目的.

圖10 10KN時(shí)的碳纖維布應(yīng)力圖

圖11 20KN時(shí)的碳纖維布應(yīng)力圖

圖12 破壞時(shí)的碳纖維布應(yīng)力圖

5 結(jié) 論

有限元模擬分析的結(jié)果表明，粘貼碳纖維布能夠明顯地提高增強(qiáng)RC梁的承載能力，碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力后提高程度更為明顯.粘貼碳纖維布能夠降低增強(qiáng)RC梁破壞時(shí)的撓度，碳纖維布施加預(yù)應(yīng)力后增強(qiáng)RC梁的撓度更小.粘貼碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁不能明顯的減小開裂荷載，而預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁開裂荷載明顯提高.由此可見，粘貼碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土梁受力有利，而采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的方法能夠更好地改善鋼筋混凝土梁的受力，因而，這是一種更經(jīng)濟(jì)、更科學(xué)的碳纖維布加固方法.

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