ANSYS分析碳纖維加固損傷鋼筋混凝土梁

倪國(guó)葳，李曉慶

(1.河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北唐山063009;2.天津大學(xué)，天津300072)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)建筑業(yè)日漸繁榮，與之同時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固的重要性［2］也日益凸顯。舊有建筑存在承載力不足或使用功能不完善的狀況，因此有必要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固效果及影響加固的因素進(jìn)行深入研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維加固混凝土構(gòu)件的效果進(jìn)行了大量的研究［3-4］。本文使用ANSYS分析軟件，對(duì)碳纖維布加固的損傷鋼筋混凝土梁進(jìn)行有限元模擬，模擬試驗(yàn)過(guò)程，得到加固后構(gòu)件破壞的形態(tài)、抗彎承載力提高幅度等結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維布可以有效提高構(gòu)件承載力。

1 碳纖維加固的特點(diǎn)

碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Ploymer)是高強(qiáng)的加固材料，對(duì)混凝土的裂縫有一定的約束作用，延緩了裂縫的開(kāi)展，在各國(guó)工程中被廣泛的應(yīng)用。碳纖維加固技術(shù)的特點(diǎn)有下面幾個(gè)方面［5］:

①施工簡(jiǎn)便，不需大型工器具。②適用面廣，任何結(jié)構(gòu)都可使用。③強(qiáng)度高。④質(zhì)量輕，厚度很薄，密度小。⑤不影響建筑物外觀⑥模量大。

2 實(shí)例分析

2.1 基本參數(shù)

本文選取了劉波的加固試驗(yàn)梁［1］，試驗(yàn)梁的混凝土強(qiáng)度為C30，混凝土保護(hù)層30 mm。鋼筋混凝土梁長(zhǎng)L=1700 mm、寬b=150 mm、高h(yuǎn)=300 mm.具體的物理參數(shù)及幾何參數(shù)見(jiàn)下表。

表1 試驗(yàn)梁配筋率和加固方式

表2 混凝土材料力學(xué)性能

表3 碳纖維材料參數(shù)

表4 鋼筋材料力學(xué)性能

2.2 建立有限元模型

圖1 試驗(yàn)梁的有限元模型

圖2 碳纖維布的有限元模型

2.3 單元類(lèi)型

本文混凝土單元選取Solid65單元，此單元可以模擬混凝土的拉裂和破碎;鋼筋單元選取LINK8單元，此單元可以承受一個(gè)方向的拉伸壓縮;碳纖維布選取具有生死單元的SHELL41單元，該單元只考慮拉力，不計(jì)算彎曲或壓力，可以承受平面荷載，同時(shí)可以在三軸產(chǎn)生位移也可以圍繞三軸轉(zhuǎn)動(dòng)。各個(gè)單元之間共用節(jié)點(diǎn)。

2.4 有限元分析過(guò)程簡(jiǎn)介

2.5 加載

本文按試驗(yàn)過(guò)程對(duì)模型施加載荷，首先將模型的一端固定，即將該處所有的自由度約束，在模型的另一端施加載荷步，逐級(jí)加載。在鋼筋屈服前用力控制，鋼筋屈服后用位移控制。

2.6 分析結(jié)果

圖3 有限元分析鋼筋混凝土梁的變形圖

圖4 CFRP加固L1的應(yīng)力圖

圖5 CFRP加固L1在Y反向的位移圖

圖6 CFRP加固L2的應(yīng)力圖

圖7 CFRP加固梁L2在Y方向的變形圖

由圖4、圖5可以得出梁L1的最大應(yīng)力是0.360×108Pa，梁L2的最大應(yīng)力是0.204×108Pa。梁L1的應(yīng)力大是因?yàn)長(zhǎng)1的縱向鋼筋是4根直徑14的鋼筋，梁L2的縱向鋼筋是4根18的鋼筋。在外力相同的條件下，L1比較容易破壞。

有限元分析與試驗(yàn)基本趨于一致。當(dāng)受拉鋼筋充分發(fā)揮抗拉性能后，碳纖維布才能發(fā)揮作用。因此在進(jìn)行加固前，首先要分析構(gòu)件的破壞形式，分析受拉鋼筋是否屈服，再選擇合理的碳纖維用量，這樣既有顯著的加固效果，又有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖8 L1載荷—位移曲線圖

圖9 L2載荷—位移曲線圖

圖10 L1與L3對(duì)比曲線圖

圖11 L2與L4對(duì)比曲線圖

從圖8、圖9可以看出，有限元分析所得的載荷—位移關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)值基本一致，有限元值略大于試驗(yàn)值。誤差不大，在誤差允許范圍內(nèi)。這說(shuō)明可以用ANSYS軟件模擬損傷結(jié)構(gòu)的加固，這將為試驗(yàn)的可行性提供參考依據(jù)。

圖10、圖11是加固梁與對(duì)比梁的載荷—位移曲線圖，從圖上可以得出碳纖維的加固的梁比未加固的梁的抗彎承載力大，碳纖維約束了混凝土，同時(shí)碳纖維布的使用，改善了鋼筋的受力狀態(tài)。將碳纖維布粘貼在損傷梁的受拉區(qū)，碳纖維布補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，隨著荷載的增大，碳纖維布逐漸發(fā)揮作用，很大程度上減緩了混凝土裂縫的繼續(xù)開(kāi)展。

圖12 L1、L2載荷—位移曲線圖

圖12是不同配筋率的受損梁加固后的載荷—位移曲線，圖上顯示配筋率小的梁容易破壞，這與實(shí)際情況相符合。

3 結(jié)論

(1)運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析損傷構(gòu)件或結(jié)構(gòu)時(shí)，需要用“生死單元”選項(xiàng)，運(yùn)用此單元時(shí)，計(jì)算不容易收斂，所以需要注意網(wǎng)格的劃分，進(jìn)行多次試算。

(2)通過(guò)對(duì)加固損傷混凝土梁的有限元模擬說(shuō)明，碳纖維布對(duì)損傷的混凝土構(gòu)件產(chǎn)生了高強(qiáng)的束縛作用，有效的減緩了構(gòu)件的撓度和彎曲變形，碳纖維布可以改善構(gòu)件的耐久性。

(3)，ANSYS軟件認(rèn)為混凝土與鋼筋和碳纖維布之間粘結(jié)良好，變形一致。但實(shí)際情況并不理想，這是有限元值比試驗(yàn)值偏大的原因。

［1］ 劉波.地震損傷混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方法試驗(yàn)研究［D］.唐山:河北聯(lián)合大學(xué)，2011.

［2］ 汪墨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的工程應(yīng)用研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.

［3］ 趙潔，聶建國(guó)鋼板－混凝土組合加固鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26(6):906-912.

［4］ HADIMNS.Behavior of CFRP strengthened concrete columns under eccentric compression loading［J］.Composite Structures，2007，7(1):92-96.

［5］ 趙潔，聶建國(guó).鋼板-混凝土組合加固鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26(6):906-912.