不同卸載情況下碳纖維布加固鋼筋混凝土板有限元分析
2009-09-21 00:00
| 摘要：通過(guò)利用大型通用有限元軟件〖HTSS〗ANSYS〖HTF〗，對(duì)不同卸載情況下碳纖維布加固的鋼筋混凝土板的抗彎性能進(jìn)行了非線性有限元分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于施加了第一期荷載后需利用碳纖維布加固的鋼筋混凝土板，加固前卸荷越多，板的極限承載力越大，越能盡量克服碳纖維布應(yīng)變滯后，從而盡量發(fā)揮碳纖維布的作用。 關(guān)鍵詞：碳纖維布；鋼筋混凝土板；卸荷；加固；非線性有限元分析； 1、引言 用碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 加固混凝土結(jié)構(gòu)是近年來(lái)興起的一種新型加固補(bǔ)強(qiáng)方法。與原有加固方法比較，碳纖維加固技術(shù)具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、便于施工等技術(shù)優(yōu)勢(shì),因此它一出現(xiàn)就引起了工程界人士的重視并得到廣泛地研究應(yīng)用，在實(shí)踐中取得了良好效果。 但是，工程中碳纖維布加固梁板多采用不卸荷、不施加預(yù)應(yīng)力的直接粘貼加固方法，該方法施工簡(jiǎn)單，但所粘貼的碳纖維布在結(jié)構(gòu)不增加新的變形時(shí)不直接參加工作，增加有效荷載時(shí)碳纖維布應(yīng)變滯后與鋼筋和混凝土的應(yīng)變，從而不能充分發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)作用。 針對(duì)這種情況，本文利用有限元軟件ANSYS9.0分別模擬碳纖維布在使用之前粘貼和在使用過(guò)程中不卸載的情況下粘貼、在使用過(guò)程中卸載之后粘貼三種情況下的極限承載力、撓度、碳纖維強(qiáng)度發(fā)揮情況。 2、有限元模型建立 碳纖維布加固鋼筋混凝土板由4種不同的材料組成：混凝土、鋼筋、粘結(jié)樹(shù)脂和碳纖維布,其性能明顯依賴(lài)于4種材料的性能,尤其是在非線性階段,其非線性性能都不同程度地在組合材料中反映出來(lái)。 2.1 分析對(duì)象與材料參數(shù) (1)首先對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支板不采取任何加固措施,受均布荷載,直到板開(kāi)裂,用于計(jì)算對(duì)比; (2)板底部居中粘貼碳纖維布,碳纖維布的纖維方向長(zhǎng)度到板兩端鉸接處，寬度與板同寬。 單向板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為Ｃ20,板厚度80mm,寬500mm,板全長(zhǎng)1800mm，支點(diǎn)跨度1750mm,板內(nèi)受拉鋼筋58,分布鋼筋6@200,鋼筋保護(hù)層厚度20mm,碳纖維布厚度0.167mm，寬度300mm。 2.2 基本假定 (1)在受力過(guò)程中,碳纖維布的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)原理; (2)鋼筋與混凝土、碳纖維布與混凝土間有足夠好的粘結(jié),無(wú)相對(duì)滑移。 2.3 本構(gòu)關(guān)系 （1）混凝土的本構(gòu)關(guān)系以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)為標(biāo)準(zhǔn)，確定應(yīng)變和與其相應(yīng)的應(yīng)力，見(jiàn)表１。 ?。?）鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型。 （3）碳纖維布應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€彈性關(guān)系，即 σcf=Ecfεcf （１） 2.4 模型單元的選取、材料參數(shù)、破壞準(zhǔn)則 [Page] 考慮到要在梁底粘貼碳纖維布,整個(gè)有限元分析模型采用分離式的三維模型,即混凝土單元用具有混凝土性質(zhì)的SOLID65單元,該單元可以較真實(shí)的模擬混凝土材料在受力過(guò)程中的情況,包括塑性和徐變引起的材料非線性、大位移引起的幾何非線性、混凝土的壓碎和開(kāi)裂引起的復(fù)雜的非線性等多種混凝土的材料特性。鋼筋單元采用ANSYS中的LINK8空間一維鏈桿單元，此單元只承受拉力作用。外貼CFRP單元采用ANSYS中的SHELL41膜單元。該單元只能承受面內(nèi)拉應(yīng)力作用，完全符合加固中的碳纖維布實(shí)際的受力工作狀況?；炷疗茐臏?zhǔn)則采用William-Warnke5參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則,其中混凝土的開(kāi)裂裂縫剪力傳遞系數(shù)和閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)分別取為0.3和0.5，開(kāi)裂后剛度折減系數(shù)取為0.6； 屈服準(zhǔn)則采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)；裂縫模型采用片狀裂縫模式。鋼筋采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)。另外,為了避免應(yīng)力集中現(xiàn)象,在兩端支承處設(shè)置的鋼板墊塊采用3Ｄ實(shí)體單元SOLID45。本模型單元的材料參數(shù)見(jiàn)表2。 2.5 單元?jiǎng)澐?、邊界及荷載條件 此有限元模型中含有1266個(gè)節(jié)點(diǎn)，1144個(gè)單元，單元材料分為混凝土、鋼筋、碳纖維布3種不同材料，這是一個(gè)復(fù)合的受力體系，其中混凝土單元(SOLID65) 800個(gè)，受拉鋼筋單元(LINK8)120個(gè)，碳纖維布單元(SHELL41) 204個(gè)，支座單元(SOLID45)20個(gè)。在有限元模型中，混凝土和鋼筋之間、混凝土和碳纖維布之間通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)3種不同材料單元的連接，使其合理協(xié)調(diào)工作。為了耦合的方便，在本文中鋼筋混凝土的SOLID65單元為棱長(zhǎng)是50mm的正方體，碳纖維布的單元為邊長(zhǎng)是50mm的正方形。考慮到板的對(duì)稱(chēng)性，取一半板即250mm寬度的板進(jìn)行分析，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間，加快分析進(jìn)度。 2.6 碳纖維布單元的生和死 加固前，碳纖維布未工作，就需要將碳纖維布的SHELL41單元?dú)⑺馈＜庸毯罄^續(xù)加載時(shí)，碳纖維布開(kāi)始工作，這時(shí)就需要把碳纖維布單元激活。要?dú)⑺捞祭w維布單元，ANSYS程序并不是將“殺死”的碳纖維布單元從模型中刪除，而是將其剛度（或傳導(dǎo)，或其他分析特性矩陣）乘以一個(gè)很小的因子［ESTIF］。因子缺省值為1.0E6，也可以賦為其他較小數(shù)值。死單元的單元載荷將為0, 從而不對(duì)載荷向量生效(但仍然出現(xiàn)在單元載荷的列表中)。單元的應(yīng)變?cè)凇皻⑺馈钡耐瑫r(shí)也將設(shè)為0。如果碳纖維布單元“出生”,并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。因?yàn)楸仨氃谇疤幚砥鱌REP7中生成所有單元,包括后面要被激活的單元，也就是說(shuō)在求解器中不能生成新的單元，要“加入”一個(gè)單元，只能先殺死它，然后在合適的載荷步中重新激活它。 3、計(jì)算結(jié)果分析 共計(jì)算了五塊板，各個(gè)試件加固情況見(jiàn)表3，有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。 3.1 承載力、碳纖維布的應(yīng)力分析 由BAN0與其它板比較可知，通過(guò)粘貼碳纖維布來(lái)提高鋼筋混凝土的受彎承載力是有效的。由BAN2、BAN3及 BAN4的情況可知,在不卸載的情況下粘貼碳纖維布,由于有初應(yīng)變的影響,碳纖維布不能充分發(fā)揮其優(yōu)良性能,加固效果不是很理想。梁BAN2和BAN4粘貼等量碳纖維,但前者的承載力提高幅度較小。而B(niǎo)AN3、BAN4是在卸掉荷載之后再粘碳纖維,這樣,初應(yīng)變小,碳纖維能充分發(fā)揮其作用,構(gòu)件的各項(xiàng)性能提高顯著, 卸荷越多，效果越明顯。由此可見(jiàn),在加固過(guò)程中,當(dāng)使用荷載較大時(shí),最好將使用荷載卸掉之后再粘貼碳纖維,這樣才能使材料得到充分利用。 表3 有限元分析方案 3.2 跨中撓度分析 卸荷越多，達(dá)極限荷載時(shí)跨中撓度越大，構(gòu)件的延性有所提高。 [Page] 4、結(jié)論與建議 （1）利用大型通用有限元軟件ANSYS，對(duì)粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬是完全可行的。 ?。?） 為了位移協(xié)調(diào)及耦合的方便，在本文中鋼筋混凝土的SOLID65單元為棱長(zhǎng)是50mm的正方體，碳纖維布的SHELL41單元為邊長(zhǎng)是50mm的正方形。 ?。?）通過(guò)粘貼碳纖維布來(lái)提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受彎承載力是有效的。 ?。?）對(duì)使用中的構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)， 卸載后再加固承載力提高，達(dá)極限荷載時(shí)撓度增大，構(gòu)件的延性提高，而且卸荷越多，提高幅度越大，效果更好。 參考文獻(xiàn) 1.趙彤，謝劍.碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001 2.王玉清, 劉曙光,王猛,崔倩.考慮初始應(yīng)變的碳纖維布加固混凝土梁的抗彎承載力計(jì)算．工業(yè)建筑，2005年第35卷增刊 3.王公山，王有軍，趙風(fēng)岐.碳纖維加固混凝土工程幾個(gè)問(wèn)題的討論.低溫建筑技術(shù),2003（6） 4．楊小軍.碳纖維布加固混凝土板的非線性有限元分析.山西建筑，2005（11） 5.劉濤,楊鳳鳴.精通ANSYS[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002 6.劉曙光,王玉清,王猛,崔倩.碳纖維布改善混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4） |
| 原作者： 時(shí)長(zhǎng)春 朱晨 |
（中國(guó)混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處）
編輯：
監(jiān)督：0571-85871513
投稿：news@ccement.com
本文內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表水泥網(wǎng)立場(chǎng)。聯(lián)系電話：0571-85871513，郵箱：news@ccement.com。
