預(yù)應(yīng)力CFRP布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁非線性有限元分析

       摘要：采用CFRP布加固鋼筋混凝土梁時(shí)，CFRP利用率不高，本文運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)混凝土梁進(jìn)行非線性分析，得出以下結(jié)論：施加預(yù)應(yīng)力可以提高CFRP的有效利用率，增加開裂荷載，改善構(gòu)件的使用性能，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高。

　　關(guān)鍵字：預(yù)應(yīng)力,CFRP布,鋼筋混凝土梁,有限元

　　1 引 言

　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(簡稱FRP)憑借其比強(qiáng)度和比剛度高、施工便捷、耐疲勞性能和耐久性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域，利用FRP對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固取得了很好的效果。由于纖維布抗拉強(qiáng)度高，極限拉應(yīng)變大，而混凝土的極限拉應(yīng)變很小，當(dāng)混凝土開裂或裂縫達(dá)到很大時(shí)，CFRP布的拉應(yīng)力還很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其極限拉應(yīng)力，使得CFRP布的高強(qiáng)度難以得到充分發(fā)揮，降低其有效利用率，對(duì)提高構(gòu)件的承載能力和改善構(gòu)件的正常使用性能有限，造成了材料的浪費(fèi)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明[1-3]，采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固可以提高構(gòu)件的承載能力和改善構(gòu)件的使用性能，提高CFRP布的有效利用率。

　　本文利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行非線性分析，以驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)CFRP加固鋼筋混凝土梁的改善作用。

　　2 有限元模型

　　2.1 試件設(shè)計(jì)

　　梁截面尺寸為200mm×300mm，跨度3000mm，凈跨長2900mm，梁內(nèi)受拉縱筋和架立筋為HRB335級(jí)，箍筋為HPB235級(jí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱筋直徑為16mm，架立筋直徑12mm，箍筋為6@150，在梁底部粘貼單層CFRP布進(jìn)行加固，CFRP布的厚度為0.167mm，采用兩端對(duì)稱加載，加載點(diǎn)間距為900mm，如圖1所示。本文共設(shè)計(jì)分析5根梁， 1根為普通CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁(LI)，以作為對(duì)比試件，其余4根梁均為預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁，施加的預(yù)應(yīng)力大小分別為CFRP布極限抗拉強(qiáng)度的10%(L2)、20%(L3)、30%(L4)和40%(L5)，用以分析預(yù)應(yīng)力大小對(duì)結(jié)果的影響。

　

　　2.2模型建立

　　本文采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行非線性分析，分析中采用如下假定：(1)FRP布與混凝土及混凝土與鋼筋粘結(jié)接良好，無相對(duì)滑移;(2)在受力過程中，F(xiàn)RP布的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)原理;(3)混凝土梁在加固前后有足夠的抗剪承載力;(4)不考慮碳纖維布的剝離破壞。

　　由于幾何條件、荷載以及邊界條件的對(duì)稱性，故取二分之一梁進(jìn)行建模。采用分離式模型，其中混凝土采用3D實(shí)體單元SOLID65模擬，鋼筋采用3D桿單元LINK8模擬，由于碳纖維布本身很薄，因此選用沒有抗彎剛度的SHELL41膜單元，由于假定了CFRP布與混凝圖之間粘結(jié)良好、沒有相對(duì)滑移，故建模時(shí)通過節(jié)點(diǎn)耦合來模擬無相對(duì)滑移。假定CFRP布與混凝土粘貼可靠，并且不考慮預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)行ANSYA分析時(shí)，采用升溫法對(duì)CFRP布施加預(yù)應(yīng)力，CFRP布的線膨脹系數(shù)為負(fù)數(shù)，系數(shù)為α=-0.7E-6/℃，通過公式△T=σ/E/α即可求得當(dāng)預(yù)應(yīng)力水平分別是CFRP布的10%、20%、30%和40%時(shí)，需要溫度值分別為2610℃、5220℃、7830℃和10440℃。

　　3結(jié)果分析

　　本文共對(duì)5根CFRP布增強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了有限元分析， LI～L5主要分析結(jié)果如表2所示。

　　CFRP的有效利用率定義為極限狀態(tài)CFRP應(yīng)力與CFRP布抗拉強(qiáng)度的比值。預(yù)應(yīng)力的施加增加了CFRP的應(yīng)力值，提高了CFRP布的有效利用率;隨著預(yù)應(yīng)力的增加，反拱和CFRP的有效利用率逐漸增大。由于反拱在不引起梁上部開裂破壞的情況下，反拱值越大，梁的開裂荷載也越大，梁的跨中撓度也越小，改善了梁的使用性能，所以通過反拱的變化可以間接地得出，預(yù)應(yīng)力的施加提高了構(gòu)件的開裂荷載，改善了構(gòu)件的使用性能，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，這種效果也在增強(qiáng)。

　　4 結(jié)論

　　本文通過ANSYSY有限元軟件，對(duì)5根CFRP增強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了非線性有限元分析，其中1根為未加預(yù)應(yīng)力的，4根為預(yù)應(yīng)力的，通過分析得出以下結(jié)論：

　　(1)預(yù)應(yīng)力的施加提高了CFRP的有效利用率，并且隨著預(yù)應(yīng)力大小的增大，CFRP的有效利用率也不斷提高，有效利用率達(dá)到了22.2%～58.5%，而非預(yù)應(yīng)力的只有10.9%;

　　(2)通過反拱分析間接得出了預(yù)應(yīng)力的施加增加了構(gòu)件的開裂荷載，改善了構(gòu)件的使用性能，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增大，這種效果也越明顯。

　　參考文獻(xiàn)：

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