段麗萍

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021)

0 引言

縱觀土木工程的發(fā)展，隨著新建建筑物日趨減少，老、舊建筑物的補(bǔ)強(qiáng)、加固、改造被越來越重視，這與我國提倡的“環(huán)境保護(hù)，綠色發(fā)展”的原則相匹配。而CFRP布加固法憑借其自重輕、延性好、耐腐蝕，幾何可塑性大，易裁剪成型，便于施工等優(yōu)點(diǎn)成為加固修補(bǔ)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)［1，2］。目前，國內(nèi)外對碳纖維布加固混凝土梁的抗彎性能的研究多側(cè)重于“一次受力”。而實(shí)際工程中，梁在加固時，仍需繼續(xù)承擔(dān)荷載，故梁在這種情況下屬于“二次受力”。

本文通過對3根碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行有限元模擬，研究考慮二次受力對加固梁的影響。其模擬值與試驗(yàn)值吻合較好，初始荷載的存在會影響碳纖布加固的效果。說明了用ANSYS模擬二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的可行性和重要性，為實(shí)際工程奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

1 加固梁試驗(yàn)

以文獻(xiàn)［3］中的試驗(yàn)梁作為原型進(jìn)行建模，試驗(yàn)梁為3根，1根為對比梁，2根為加固梁。試驗(yàn)采用三點(diǎn)受力法，加載點(diǎn)為試驗(yàn)梁的2分點(diǎn)處。加載方式如圖1所示。試件的截面尺寸為b×h=100 mm×180 mm，梁長l=2 200 mm?；炷翉?qiáng)度等級為C20，縱向受拉鋼筋為2Φ8，架力筋為2Φ6，受剪區(qū)配置箍筋為5Φ6@150，如圖2所示?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為25 mm。加固梁底部分別粘貼1層～2層100 mm寬的碳纖維布(厚度取0.2 mm)。3根加固梁的加固方法見表1。

圖1 梁加載示意圖

圖2 梁配筋示意圖

表1 梁加固方法

2 鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析

2.1 有限元模型建立

目前研究人員進(jìn)行了大量試驗(yàn)，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性限制了研究工作的進(jìn)展。鑒于此，本文作者利用有限元軟件進(jìn)行碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的仿真模擬。為了能夠真實(shí)的反映各種材料的力學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合ANSYS軟件中的結(jié)構(gòu)模塊的各單元特點(diǎn)，混凝土材料采用ANSYS中的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元Solid65，該單元能真實(shí)的模擬混凝土材料的壓碎和開裂等特點(diǎn)，鋼筋在實(shí)際應(yīng)用中，主要承受拉力作用，采用ANSYS中空間一維鏈桿單元Link8來模擬，碳纖維布在工作狀態(tài)中，僅承受拉力，選用ANSYS中的殼單元Shell41模擬，完全符合碳纖維布實(shí)際受力狀況。剛性墊塊采用實(shí)體單元Solid45。本文采用分離式建模，把鋼筋和混凝土采用不同的單元來處理，可以更準(zhǔn)確的考慮鋼筋的位置。建立有限元模型如圖3，圖4所示。不同單元之間的連接方法有共用節(jié)點(diǎn)法和接觸面間彈簧連接法，本次建模采用共用節(jié)點(diǎn)來模擬不同單元間的連接。

圖3 鋼筋混凝土梁有限元模型圖

圖4 有限元模型配筋圖

2.2 材料的破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)關(guān)系

混凝土破壞準(zhǔn)則采用Willam-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型［4］，在ANSYS中Solid65單元的破壞面通過定義幾個參數(shù)來實(shí)現(xiàn):裂縫張開剪力傳遞系數(shù)ShrCf-Op，裂縫閉合剪力傳力系數(shù)ShrCf-Cl，單軸抗拉強(qiáng)度UnTeanSt，單軸抗壓強(qiáng)度UnCompSt，雙軸抗拉強(qiáng)度等，本例中前四項參數(shù)分別取為:0.5，0.9，1.1，-1(關(guān)閉壓碎開關(guān))。在ANSYS中，混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬，鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬，碳纖維布應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用完全線彈性模型。

2.3 利用生死單元模擬二次受力

加固結(jié)構(gòu)一般屬于二次受力，加固構(gòu)件的受力特征和新建結(jié)構(gòu)的受力特征有所不同，未加固時，被加固構(gòu)件已經(jīng)受力，存在初始應(yīng)力和初始應(yīng)變。故在二次施加荷載時，碳纖維布才參與受力。在ANSYS中，通過生死單元(Birth-Ekill)來模擬二次受力。即:在第一載荷步先把Shell41單元“殺死”后施加載荷，相當(dāng)于未加固梁，待施加到預(yù)定荷載后再“激活”該單元。

2.4 結(jié)果分析

ANSYS計算結(jié)果見表2，可以看出，碳纖維布加固混凝土梁的屈服荷載和極限荷載與未加固梁相比有明顯的提高，其中極限承載力提高較顯著。有初始荷載的加固梁，其屈服荷載的提高幅度從28.6%下降到14.3%，極限荷載的提高幅度從39.1%下降到34.8%。說明初始荷載增加越多，加固梁的受彎承載力提高越小。因此，實(shí)際工程中應(yīng)盡量完全卸載，保證良好的加固效果。

表2 梁受彎承載力ANSYS分析結(jié)果表

梁受彎承載力ANSYS模擬值與試驗(yàn)值的比較見表3。

表3 梁承載力對比

從表2中可以看出，實(shí)驗(yàn)值與ANSYS計算值的差值均在20%以內(nèi)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。引起誤差是由于在ANSYS計算中沒有考慮到混凝土的開裂，使得屈服荷載的計算值大于試驗(yàn)值，另一方面，在ANSYS中認(rèn)為鋼筋是理想的彈塑性，忽略了其強(qiáng)化階段，使得極限荷載計算值小于試驗(yàn)值，其次，碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)對計算結(jié)果也存在誤差。

3 結(jié)語

1)運(yùn)用ANSYS軟件對二次受力下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受彎承載力進(jìn)行了非線性分析。得出有限元仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明有限元模型建立是正確的，故采用有限元法模擬該狀態(tài)是可行的。

2)通過有限元的非線性分析，解決了一些靠試驗(yàn)無法解決的問題，在模擬中可以發(fā)現(xiàn)一些問題，起到提前預(yù)測的作用，提高了工作效率。

3)碳纖維布加固鋼筋混凝土梁，可有效提高鋼筋混凝土梁的受彎承載力［5，6］，而初始荷載的存在會降低碳纖維布加固效果。建議在實(shí)際工程中加固時，盡量卸掉荷載，以達(dá)到更好的加固效果。

［1］郭 健.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固改造方法的研究及工程應(yīng)用［D］.長沙:湖南大學(xué)，2004.

［2］廖 文.CFRP復(fù)合材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.科技資訊，2006(25):223-224.

［3］史鍵勇，盧亦焱，何 勇，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁正截面承載力試驗(yàn)研究［J］.建筑技術(shù)，2001，32(6):129-130.

［4］江見鯨，陸新征.混凝土有限元分析［M］.第2版.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

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［6］董江峰，王清遠(yuǎn).碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的試驗(yàn)研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2001(28):351-358.