嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的有限元分析

廖妮

摘 要：應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的受力性能進(jìn)行了有限元分析，給出了相應(yīng)的荷載—撓度曲線(xiàn)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以期促進(jìn)嵌入式預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力；CFRP筋；嵌入式加固法；有限元

引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因?yàn)槠渚哂休p質(zhì)高強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)施工便利且加固受損構(gòu)件時(shí)不影響建筑物凈空等特點(diǎn)，近年來(lái)逐漸被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固當(dāng)中。施加了預(yù)應(yīng)力的CFRP加固技術(shù)可以在結(jié)構(gòu)受荷前就發(fā)揮CFRP一定強(qiáng)度，有效利用CFRP的高強(qiáng)性能，避免浪費(fèi)材料，同時(shí)抑制了構(gòu)建的變形和裂縫的發(fā)展。目前，CFRP加固技術(shù)主要有表面粘貼和嵌入式兩種，表面粘貼技術(shù)是最廣泛的加固方式，無(wú)論是在設(shè)計(jì)還是施工方面都很成熟。而嵌入式加固技術(shù)是近幾年才提出的加固技術(shù)，國(guó)內(nèi)外很少應(yīng)用實(shí)際工況中。文章在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS分析軟件對(duì)施加了預(yù)應(yīng)力的CFRP筋嵌入式加固梁的受力性能進(jìn)行了有限元分析，給出了相應(yīng)的荷載—撓度曲線(xiàn)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)研究

文章數(shù)值模擬比對(duì)的試驗(yàn)是文獻(xiàn)[1]中所做的集中荷載作用下五種不同工況下鋼筋混凝土梁的破壞試驗(yàn)。在集中荷載作用下觀測(cè)五根鋼筋混凝土梁。矩形梁的橫截面尺寸為200mm（寬）*400mm（高），凈跨為5m。梁澆筑經(jīng)28天養(yǎng)護(hù)以后，在梁的受拉區(qū)沿著長(zhǎng)度方向開(kāi)深度是25mm，寬22mm的槽，梁被倒置以方便開(kāi)槽。開(kāi)槽之后需要將其清理干凈并晾干，實(shí)驗(yàn)梁需要在室溫下放置至少7天。CFRP錨固好以后還需放置7天，環(huán)氧膠放入槽中四分之三。固定好的帶有CFRP的錨固端放入槽中，然后繼續(xù)填滿(mǎn)環(huán)氧膠，接下來(lái)開(kāi)始對(duì)CFRP施加預(yù)應(yīng)力。CFRP的彈性模量取124GP，極限抗拉強(qiáng)度取2068MP，極限應(yīng)變?nèi)?.017。

2 有限元分析模型的建立

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，施加了預(yù)應(yīng)力的CFRP筋加固梁后，梁的鋼筋和混凝土之間粘結(jié)錨固良好，梁上混凝土裂縫寬度小、間距小，為了提高計(jì)算精度且更接近于實(shí)際，文章采用了分離式的建模方法。而CFRP筋與混凝土之間由于預(yù)應(yīng)力的作用，破壞時(shí)CFRP筋與混凝土之間粘結(jié)良好，未發(fā)現(xiàn)明顯剝離破壞，因此，CFRP筋與混凝土共用節(jié)點(diǎn)。

2.1 單元選擇及材料屬性

（1）混凝土SOLID65單元。ANSYS中三維實(shí)體SOLID65單元能夠有效的模擬混凝土材料的受力特征和破壞過(guò)程，除了不能模擬鋼筋的剪切性能以外，混凝土塑性變形、蠕變徐變、開(kāi)裂、壓碎及鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形均能很好的模擬出來(lái)；（2）鋼筋和CFRP筋Link8單元。在ANSYS中鋼筋和CFRP筋都可以用LINK8單元來(lái)模擬LINK8單元只能承受桿軸向的拉壓，不能承受彎矩，結(jié)點(diǎn)只有平動(dòng)自由度。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本模型根據(jù)受力特點(diǎn)，取一半模型進(jìn)行計(jì)算，集中荷載采用等效均布荷載加載，對(duì)稱(chēng)面上采用對(duì)稱(chēng)荷載約束，支座截面約束Y方向位移和X方向位移，模型建立完畢后進(jìn)行非線(xiàn)性求解。文章采用完全的牛頓—拉夫森迭代法進(jìn)行求解分析，分析選項(xiàng)打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)和自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)選項(xiàng)，荷載子步數(shù)定位100。

3 結(jié)果對(duì)比分析

在加載初期（混凝土開(kāi)裂前）各試件梁的荷載—撓度曲線(xiàn)相差很小，試件的荷載—撓度曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性關(guān)系，此時(shí)CFRP筋的應(yīng)變還較小，還未發(fā)揮明顯的作用，對(duì)抗裂作用貢獻(xiàn)也不大?；炷灵_(kāi)裂后，由于截面有效高度減小，其剛度隨之降低，荷載—撓度曲線(xiàn)斜率減小，撓度增長(zhǎng)加快，在鋼筋屈服前，同一試件荷載—撓度曲線(xiàn)斜率雖然隨著裂縫的開(kāi)展不斷下降，但變化不大，以彈性變形為主。嵌入式CFRP施加預(yù)應(yīng)力能夠明顯提高梁的“裂縫—屈服—荷載”三階段的荷載，加固后的梁正常工作時(shí)梁的撓度也有了明顯的減小。

ANSYS有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者所得荷載—跨中撓度曲線(xiàn)在鋼筋屈服以前均吻合的很好，鋼筋屈服后有所差異，最大的模擬誤差為8.9%，而有限元計(jì)算梁的剛度高于試驗(yàn)梁，使得計(jì)算的撓度值，有限元值偏小，撓度最大誤差為12.4%。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ANSYS計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）鋼筋混凝土梁采用預(yù)應(yīng)力 CFRP筋的方法進(jìn)行加固，梁的受力狀態(tài)和撓度有個(gè)極大的改善，切實(shí)有效，大幅度提高了梁的安全儲(chǔ)備，改善了梁的安全性能；（2）加固后的梁撓度明顯減小，承載力提高，但梁的延性降低，特別是當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力達(dá)到60%工況下，梁發(fā)生超筋破壞現(xiàn)象，設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)避免，初始預(yù)應(yīng)力不應(yīng)過(guò)高，文章建議初始預(yù)應(yīng)力為CFRP筋張拉力的40%為宜；（3）嵌入式的加固

方式使得CFRP筋和混凝土之間有效的結(jié)合在一起，減少了剝離破壞的可能，并且CFRP筋可以錨固在與梁連接的構(gòu)件中，減少了錨固端的預(yù)應(yīng)力損失；（4）采用文章的有限元建模，所得的荷載—撓度變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，特別是在鋼筋屈服前，兩者誤差很?。唬?）預(yù)應(yīng)力CFRP筋加固有效抑制了裂縫的開(kāi)展，外荷載作用

下，先要抵消初始預(yù)應(yīng)力，再由混凝土和鋼筋、CFRP筋系統(tǒng)共同受力，大大延緩了裂縫的出現(xiàn)時(shí)間，發(fā)展也緩慢，CFRP筋強(qiáng)度高，梁的變形撓度小，可以有效避免集中裂縫的出現(xiàn)，提高梁的極限承載能力。

參考文獻(xiàn)

[1]Raafa El-Hacha，Mohamed Gaafar.Flexural strengthening of reinforced concrete beams using prestressed，near-surface-mounted CFRP bars[J].2011.

[2]宋中南.我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].混凝土，2002，156（10）.