不同卸载情况下碳纤维布加固钢筋混凝土板有限元分析
2009-09-21 00:00
| 摘要：通过利用大型通用有限元软件〖HTSS〗ANSYS〖HTF〗，对不同卸载情况下碳纤维布加固的钢筋混凝土板的抗弯性能进行了非线性有限元分析。结果发现，对于施加了第一期荷载后需利用碳纤维布加固的钢筋混凝土板，加固前卸荷越多，板的极限承载力越大，越能尽量克服碳纤维布应变滞后，从而尽量发挥碳纤维布的作用。 关键词：碳纤维布；钢筋混凝土板；卸荷；加固；非线性有限元分析； 1、引言 用碳纤维增强塑料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 加固混凝土结构是近年来兴起的一种新型加固补强方法。与原有加固方法比较，碳纤维加固技术具有高强、轻质、耐腐蚀、便于施工等技术优势,因此它一出现就引起了工程界人士的重视并得到广泛地研究应用，在实践中取得了良好效果。 但是，工程中碳纤维布加固梁板多采用不卸荷、不施加预应力的直接粘贴加固方法，该方法施工简单，但所粘贴的碳纤维布在结构不增加新的变形时不直接参加工作，增加有效荷载时碳纤维布应变滞后与钢筋和混凝土的应变，从而不能充分发挥碳纤维布的高强作用。 针对这种情况，本文利用有限元软件ANSYS9.0分别模拟碳纤维布在使用之前粘贴和在使用过程中不卸载的情况下粘贴、在使用过程中卸载之后粘贴三种情况下的极限承载力、挠度、碳纤维强度发挥情况。 2、有限元模型建立 碳纤维布加固钢筋混凝土板由4种不同的材料组成：混凝土、钢筋、粘结树脂和碳纤维布,其性能明显依赖于4种材料的性能,尤其是在非线性阶段,其非线性性能都不同程度地在组合材料中反映出来。 2.1 分析对象与材料参数 (1)首先对钢筋混凝土简支板不采取任何加固措施,受均布荷载,直到板开裂,用于计算对比; (2)板底部居中粘贴碳纤维布,碳纤维布的纤维方向长度到板两端铰接处，宽度与板同宽。 单向板混凝土设计强度为Ｃ20,板厚度80mm,宽500mm,板全长1800mm，支点跨度1750mm,板内受拉钢筋58,分布钢筋6@200,钢筋保护层厚度20mm,碳纤维布厚度0.167mm，宽度300mm。 2.2 基本假定 (1)在受力过程中,碳纤维布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理; (2)钢筋与混凝土、碳纤维布与混凝土间有足够好的粘结,无相对滑移。 2.3 本构关系 （1）混凝土的本构关系以《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)为标准，确定应变和与其相应的应力，见表１。 （2）钢筋的应力-应变关系采用理想弹塑性模型。 （3）碳纤维布应力与应变为线弹性关系，即 σcf=Ecfεcf （１） 2.4 模型单元的选取、材料参数、破坏准则 [Page] 考虑到要在梁底粘贴碳纤维布,整个有限元分析模型采用分离式的三维模型,即混凝土单元用具有混凝土性质的SOLID65单元,该单元可以较真实的模拟混凝土材料在受力过程中的情况,包括塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性、混凝土的压碎和开裂引起的复杂的非线性等多种混凝土的材料特性。钢筋单元采用ANSYS中的LINK8空间一维链杆单元，此单元只承受拉力作用。外贴CFRP单元采用ANSYS中的SHELL41膜单元。该单元只能承受面内拉应力作用，完全符合加固中的碳纤维布实际的受力工作状况。混凝土破坏准则采用William-Warnke5参数强度准则,其中混凝土的开裂裂缝剪力传递系数和闭合裂缝剪力传递系数分别取为0.3和0.5，开裂后刚度折减系数取为0.6； 屈服准则采用多线性随动强化模型(MKIN)；裂缝模型采用片状裂缝模式。钢筋采用双线性随动强化模型(BKIN)。另外,为了避免应力集中现象,在两端支承处设置的钢板垫块采用3Ｄ实体单元SOLID45。本模型单元的材料参数见表2。 2.5 单元划分、边界及荷载条件 此有限元模型中含有1266个节点，1144个单元，单元材料分为混凝土、钢筋、碳纤维布3种不同材料，这是一个复合的受力体系，其中混凝土单元(SOLID65) 800个，受拉钢筋单元(LINK8)120个，碳纤维布单元(SHELL41) 204个，支座单元(SOLID45)20个。在有限元模型中，混凝土和钢筋之间、混凝土和碳纤维布之间通过共用节点来实现3种不同材料单元的连接，使其合理协调工作。为了耦合的方便，在本文中钢筋混凝土的SOLID65单元为棱长是50mm的正方体，碳纤维布的单元为边长是50mm的正方形。考虑到板的对称性，取一半板即250mm宽度的板进行分析，以节约计算时间和计算机内存空间，加快分析进度。 2.6 碳纤维布单元的生和死 加固前，碳纤维布未工作，就需要将碳纤维布的SHELL41单元杀死。加固后继续加载时，碳纤维布开始工作，这时就需要把碳纤维布单元激活。要杀死碳纤维布单元，ANSYS程序并不是将“杀死”的碳纤维布单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性矩阵）乘以一个很小的因子［ESTIF］。因子缺省值为1.0E6，也可以赋为其他较小数值。死单元的单元载荷将为0, 从而不对载荷向量生效(但仍然出现在单元载荷的列表中)。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。如果碳纤维布单元“出生”,并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。因为必须在前处理器PREP7中生成所有单元,包括后面要被激活的单元，也就是说在求解器中不能生成新的单元，要“加入”一个单元，只能先杀死它，然后在合适的载荷步中重新激活它。 3、计算结果分析 共计算了五块板，各个试件加固情况见表3，有限元计算结果见表4。 3.1 承载力、碳纤维布的应力分析 由BAN0与其它板比较可知，通过粘贴碳纤维布来提高钢筋混凝土的受弯承载力是有效的。由BAN2、BAN3及 BAN4的情况可知,在不卸载的情况下粘贴碳纤维布,由于有初应变的影响,碳纤维布不能充分发挥其优良性能,加固效果不是很理想。梁BAN2和BAN4粘贴等量碳纤维,但前者的承载力提高幅度较小。而BAN3、BAN4是在卸掉荷载之后再粘碳纤维,这样,初应变小,碳纤维能充分发挥其作用,构件的各项性能提高显著, 卸荷越多，效果越明显。由此可见,在加固过程中,当使用荷载较大时,最好将使用荷载卸掉之后再粘贴碳纤维,这样才能使材料得到充分利用。 表3 有限元分析方案 3.2 跨中挠度分析 卸荷越多，达极限荷载时跨中挠度越大，构件的延性有所提高。 [Page] 4、结论与建议 （1）利用大型通用有限元软件ANSYS，对粘贴碳纤维布加固钢筋混凝土结构进行数值模拟是完全可行的。 （2） 为了位移协调及耦合的方便，在本文中钢筋混凝土的SOLID65单元为棱长是50mm的正方体，碳纤维布的SHELL41单元为边长是50mm的正方形。 （3）通过粘贴碳纤维布来提高钢筋混凝土构件的受弯承载力是有效的。 （4）对使用中的构件进行加固时， 卸载后再加固承载力提高，达极限荷载时挠度增大，构件的延性提高，而且卸荷越多，提高幅度越大，效果更好。 参考文献 1.赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术［M］.天津：天津大学出版社，2001 2.王玉清, 刘曙光,王猛,崔倩.考虑初始应变的碳纤维布加固混凝土梁的抗弯承载力计算．工业建筑，2005年第35卷增刊 3.王公山，王有军，赵风岐.碳纤维加固混凝土工程几个问题的讨论.低温建筑技术,2003（6） 4．杨小军.碳纤维布加固混凝土板的非线性有限元分析.山西建筑，2005（11） 5.刘涛,杨凤鸣.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002 6.刘曙光,王玉清,王猛,崔倩.碳纤维布改善混凝土梁抗弯性能的试验研究.内蒙古工业大学学报，2004（4） |
| 原作者： 时长春 朱晨 |
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