段文峰 邵士萍 蔡 斌

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的自然環(huán)境和使用環(huán)境下，承載能力逐漸下降，結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨時(shí)有失效的可能.為了能夠恢復(fù)損傷結(jié)構(gòu)的正常使用功能及延長(zhǎng)使用壽命，及時(shí)采取有效的處理措施，近年來(lái)倍受土木工程界廣泛關(guān)注[1].CFRP材料加固梁相比于傳統(tǒng)的加固方法具有材料力學(xué)性能好、施工方便、有良好的耐久性和耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有很好的發(fā)展前景.

因此，本文利用Ansys軟件，分別對(duì)碳纖維加固前后的鋼筋混凝土梁進(jìn)行仿真數(shù)值模擬分析，結(jié)合算例對(duì)比分析加固前后梁截面的應(yīng)力應(yīng)變變化和CFRP筋受力性能，為以后CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的研究和工程應(yīng)用提供參考.

1 CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的有限元模型建立

1.1 模型與單元

采用ANSYS軟件進(jìn)行CFRP筋加固鋼筋混凝土非線性有限元分析，建立分離式有限元模型，混凝土采用SOLID65單元，具有受拉開裂和受壓破碎性能.該單元由8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿x，y，z三個(gè)方向平動(dòng)位移.鋼筋和CFRP筋采用LINK8單元，該單元可承受軸向拉壓，同樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有沿x，y，z三個(gè)方向平動(dòng)位移，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移.為了能更好地模擬CFRP筋的受力性能，混凝土及鋼筋均采用理想的彈塑性模型.CFRP筋布置在梁底部?jī)啥颂?，有限元模型如圖1和圖2所示.

圖1 CFRP加筋混凝土梁的有限元模型

圖2 鋼筋及CFRP筋布置單元模型

1.2 選取材料性能

混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線上升階段采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2002)[2]中規(guī)定，下降的曲線運(yùn)用Hongnestad方法進(jìn)行處理，公式如下：

當(dāng)εc≤ε0時(shí)，

當(dāng)ε0<εc≤εcu時(shí)，

當(dāng)進(jìn)行輸入時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，混凝土的彈性模量為初始彈性模量，采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬[3-4].鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想性彈塑性模型，采用雙線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬，以便易于收斂[3-4].

2 仿真模擬分析

2.1 算例基本參數(shù)

模型采用鋼筋混凝土矩形截面簡(jiǎn)支梁，梁的跨度為2 000mm，凈跨為1 800mm，截面尺寸為150mm×300mm，混凝土強(qiáng)度為C30，混凝土保護(hù)層厚度為30mm，縱向受力鋼筋為220，受壓鋼筋為210，箍筋為8@100，如圖3所示.

圖3 梁加載位置及CFRP筋布置圖

為了防止應(yīng)力集中在加載點(diǎn)設(shè)置150mm×100mm的墊板.由于結(jié)構(gòu)支撐和荷載的對(duì)稱性，取用構(gòu)件的1/4為研究對(duì)象建立有限元模型進(jìn)行模擬分析.

CFRP采用CFM7-I型成品，力學(xué)性能指標(biāo)見表1所示.

表1 CFRP筋力學(xué)性能指標(biāo)[5]

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果和比較

2.2.1 梁的荷載撓度關(guān)系

利用ANSYS有限元模擬分析得到加固前后荷載-撓度關(guān)系曲線和跨中截面-應(yīng)力位置關(guān)系曲線如圖4和圖5所示(F1-加固前，F(xiàn)2-加固后).由圖4可知，CFRP加固前后的鋼筋混凝土梁在同等荷載加荷下，跨中截面撓度減小了，如在荷載為150kN時(shí)，撓度較小了1.5mm，加固后屈服荷載由102kN增加到124kN，承載力增加大約22%左右，有效控制了撓度的發(fā)展和提高了鋼筋混凝土梁的承載力，從而可以得知加固后簡(jiǎn)支梁的受拉邊混凝土裂縫展開受到了CFRP筋的約束控制.由圖5可知，加固后梁跨中截面的應(yīng)力相比加固前的值減小了，跨中梁底應(yīng)力減小了0.6MPa，跨中梁頂處應(yīng)力減小了2MPa，從圖5還可知，離梁跨中截面越遠(yuǎn)應(yīng)力減小的幅度比離中截面近的應(yīng)力減小幅度要大得多.

圖4 跨中荷載—撓度關(guān)系

圖5 跨中截面應(yīng)力-位置關(guān)系

圖6 CFRP筋應(yīng)變-位置關(guān)系

2.2.2 CFRP應(yīng)變位置關(guān)系

CFRP的應(yīng)變變化曲線圖反映了碳纖維筋加固鋼筋混凝土梁工作時(shí)自身的受力情況，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，CFRP筋的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在簡(jiǎn)支梁的支座附近，離跨中較近的位置的應(yīng)變值也相對(duì)較大；所以這兩個(gè)位置的值比較大，是因?yàn)橹ё幍募袅涂缰懈浇膹澗刈畲螅@也說明CFRP筋能夠分擔(dān)部分承載力，具有一定的加固效果.

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 經(jīng)CFRP筋加固的鋼筋混凝土梁較未加固前結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力值都在減小，說明CFRP筋可以較好控制混凝土變形和抵抗部分應(yīng)力，作為加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料具有很大的應(yīng)用前景；

(2) 碳纖維加固鋼筋混凝土梁有效地提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎承載能力，對(duì)混凝土的裂縫的展開和壓碎有一定的約束作用.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李春霞.CFRP加固負(fù)載混凝土梁抗彎承載力及可靠度研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

[2] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500110-2010)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：220-235.

[4] 王新敏,李義強(qiáng),許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011：479-481.

[5] 于天來(lái),耿立偉.體外CFRP筋加固混凝土梁抗彎性能研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2011，27(1)：72.