基于有限元模擬的FRP 筋加固混凝土梁受力性能淺析

楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

FRP 材料（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）在現(xiàn)在的土木建筑工程中應(yīng)用得越來越廣泛。FRP 材料具有抗拉性強(qiáng)、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在土木建筑工程中采用FRP 材料能夠有效增強(qiáng)建筑的受力性能。常見的FRP 主要包括FRP 筋材、FRP 片材、FRP 筒材等。FRP 筋是由碳纖維等多股連續(xù)纖維通過環(huán)氧樹脂等基材進(jìn)行膠合后，采用特殊的模具進(jìn)行擠壓并拉拔成型，由于FRP 筋抗拉性能比鋼筋好，故FRP 筋可以在一定條件下在一定程度上替代鋼筋受拉且效果較好。而在土木建筑工程實(shí)際施工前，可以采用有限元軟件對FRP 筋加固混凝土梁受力性能進(jìn)行建筑信息化有限元仿真模擬，提前發(fā)現(xiàn)一些可能在土木建筑工程實(shí)際施工出現(xiàn)的問題，從而提前尋找解決方法，進(jìn)而節(jié)省工程經(jīng)費(fèi)，提高工程質(zhì)量。本文以混凝土梁添加FRP 筋為例，主要對FRP 筋加固混凝土梁的受力性能進(jìn)行有限元分析。

1 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元軟件參照實(shí)際建筑混凝土梁構(gòu)件建立一個如圖1 所示的FRP 筋混凝土梁的有限元模型，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，混凝土梁的總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。其中，混凝土梁中混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度fc為2.4×107N/m2，抗拉強(qiáng)度ft為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。

圖1 FRP 筋混凝土梁尺寸

1.2 FRP 筋的模擬

參照FRP 材料相關(guān)研究資料，F(xiàn)RP 筋采用桁架單元進(jìn)行建模。FRP 筋的材料屬性被設(shè)定為線彈性（Elastic），F(xiàn)RP 的彈性模量為237000MPa，泊松比為0.2。

1.3 FRP- 混凝土界面的模擬

參照FRP 材料相關(guān)研究資料，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，F(xiàn)RP 與混凝土之間連接處的界面粘結(jié)單元采用非線性Spring2 單元進(jìn)行模擬，其剛度K 由FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù)得出：

1.4 荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

FRP 筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。

進(jìn)行FRP 筋混凝土梁有限元模型網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格單元采用六面體單元，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖如圖2 所示。為了更好呈現(xiàn)受載后FRP 筋混凝土梁的內(nèi)部、外部受力性能，加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖2 加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型損傷云圖（局部剖視）

2 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

經(jīng)過對FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能進(jìn)行分析，并與相關(guān)研究進(jìn)行對比，可以得出以下分析結(jié)果：

⑴由于FRP 筋抗拉性能比鋼筋好，故FRP 筋混凝土梁的梁底抗拉性能比相應(yīng)的鋼筋混凝土梁的梁底抗拉性能好。

⑵由于FRP 筋抗彎性能較鋼筋差，故FRP 筋混凝土梁的整體抗彎性能不如相應(yīng)的鋼筋混凝土梁。因此，純FRP 筋混凝土梁的整體受力性能不如部分FRP 筋的鋼筋混凝土梁。FRP 筋加固混凝土梁時，只需將部分鋼筋替換為相應(yīng)FRP 筋即可。

3 結(jié)語

本文主要從FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立、受力性能分析等方面，對FRP 筋加固混凝土梁的受力性能進(jìn)行了有限元分析，為相關(guān)的工程技術(shù)人員人員提供一定的參考。