葉 增 安 征 鐘春玲

(1:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長春 130118; 2:悉地國際設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司,深圳 518057;3:中交一公局華祥國際路橋有限公司,北京 101100)

0 引言

聯(lián)合加固鋼筋混凝土連續(xù)梁的材料特性較為復(fù)雜,有必要針對(duì)受力全過程進(jìn)行非線性有限元分析.而在進(jìn)行分析前,要對(duì)各個(gè)組成材料的性質(zhì)、工作狀態(tài)等進(jìn)行基本的假定,以確定復(fù)雜材料的本構(gòu)關(guān)系,同時(shí)應(yīng)考慮不同組成材料之間的粘結(jié)滑移關(guān)系等.在進(jìn)行有限元分析時(shí),如果對(duì)各材料賦予的屬性表達(dá)與構(gòu)件實(shí)際的真實(shí)性能相近或相似,同時(shí)單元網(wǎng)格的劃分和分析模型的建立比較合理,計(jì)算結(jié)果將會(huì)與實(shí)際構(gòu)件工作狀態(tài)相符[1-5].

1 有限元模型的建立

1.1 基本假定

(1) 聯(lián)合加固梁截面的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)符合平截面基本假定.沿梁截面高度方向,碳纖維布的應(yīng)變表現(xiàn)為線性分布,同時(shí)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線、混凝土與碳纖維布應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào);

(2) 假設(shè)在混凝土壓碎開裂之前,聯(lián)合加固構(gòu)件存在塑性變形,不考慮混凝土的壓碎;

(3) 聯(lián)合加固連續(xù)梁在加固前后具有足夠的抗剪能力,構(gòu)件不發(fā)生剪切破壞;

(4) 纖維布與混凝土之間不會(huì)發(fā)生粘結(jié)剝離破壞,在兩種不同材料粘結(jié)界面處,單元的節(jié)點(diǎn)劃分重合;

(5) 考慮粘結(jié)滑移存在,即碳纖維布與混凝土間存在相對(duì)滑移現(xiàn)象;

(6) 聯(lián)合加固梁中混凝土的抗拉能力忽略不計(jì);

(7) 聯(lián)合加固連續(xù)梁的扭曲變形忽略不計(jì)[6].

1.2 模型材料的選取及建模過程

本文L1～L3組梁與試驗(yàn)梁類型一致,采用兩等跨連續(xù)梁,L1組梁為由體外預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行加固；L2組梁為由碳纖維布進(jìn)行加固；L3組梁由體外預(yù)應(yīng)力與碳纖維布一起聯(lián)合進(jìn)行加固.加載點(diǎn)分別在連續(xù)梁左側(cè)梁中距左端支座2/3跨處,右側(cè)梁中距右端支座2/3跨處,采用兩個(gè)加載點(diǎn)完全對(duì)稱的方式加載.在豎向集中力加載下,分析兩等跨連續(xù)梁在各跨跨中處位置的撓度變化情況、全梁的撓度分布狀態(tài)及變形性能.

本文所做的的試驗(yàn)梁長為6 000 mm、寬200 mm、高300 mm,使用厚度為0.167 mm的碳纖維布,用碳纖維樹脂膠,在梁底進(jìn)行滿貼. 采用強(qiáng)度等級(jí)為C 20的混凝土,建立:① 混凝土模型單元;② 采用溫度效應(yīng)公式及體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線模型單元;③ 碳纖維布模型單元;④ 彈簧模型單元.根據(jù)鋼筋與混凝土常規(guī)不同組合方式,有限元分析模型可通過三種方式處理定義有限元單元,即分離式、整體式及組合式.分離式模型是由三種不同的類型單元組成,按本模型分別為預(yù)應(yīng)力鋼絞線單元、混凝土單元和碳纖維布單元. 混凝土與鋼絞線之間、混凝土與碳纖維布之間的粘結(jié)滑移,通過插入彈簧粘結(jié)單元來模擬.一般不同材料之間容易存在各種裂縫,導(dǎo)致材料變形不協(xié)調(diào),從而發(fā)生粘結(jié)滑移現(xiàn)象.建立分離式模型能比較合理地模擬實(shí)際聯(lián)合加固試驗(yàn)梁受力狀態(tài)[7].

在模型建立過程中,整體坐標(biāo)系規(guī)定如下:x軸方向?yàn)槁?lián)合加固試驗(yàn)梁長度方向,y軸方向?yàn)檠卦囼?yàn)梁厚度方向,z軸方向?yàn)檠芈?lián)合加固試驗(yàn)梁高度方向(如圖1所示).

(a)混凝土單元網(wǎng)格劃分 (b)碳纖維布單元網(wǎng)格劃分 (c)荷載與約束圖1 有限元模擬示意圖

2 有限元分析結(jié)果

2.1 極限狀態(tài)下混凝土應(yīng)力圖

在混凝土開裂時(shí),聯(lián)合加固試驗(yàn)梁的應(yīng)變分布如圖2所示.從圖2 中可以看出,三組聯(lián)合加固梁中,X軸方向混凝土應(yīng)力和碳纖維布應(yīng)力,均表現(xiàn)為連續(xù)梁中間支座位置處和兩側(cè)各跨跨中位置處的應(yīng)變值最大.因?yàn)镹c(x)=EcAcεc(x),有限元模型分析應(yīng)力分布由應(yīng)變值可以得出,且兩種方式聯(lián)合加固的梁,相比體外預(yù)應(yīng)力加固的L1梁和L2梁而言,L3梁應(yīng)力變化較小.圖中上截面中間支座處及下截面各跨跨中處淺色部分為應(yīng)力變化較大部位,上截面中間支座處甚至出現(xiàn)深色,說明該處應(yīng)力變化最大.采用兩種方法聯(lián)合加固后,對(duì)試驗(yàn)梁承載力有及其重要作用.

(a)L1梁X軸向應(yīng)力分布 (b)L2梁X軸向應(yīng)力分布

(c)L3梁X軸向應(yīng)力分布 (d)L2梁碳纖維布X軸向應(yīng)力分布 (e)L3梁碳纖維布X軸向應(yīng)力分布圖2 極限狀態(tài)下混凝土各試驗(yàn)梁應(yīng)力分布云圖

2.2 極限狀態(tài)下混凝土梁的豎向位移

結(jié)構(gòu)位移變化的大小反映構(gòu)件撓度的變化,而撓度是反映結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo).本文給出在極限狀態(tài)下三組試驗(yàn)梁Z軸豎向的位移云圖(如圖3所示).從圖3可以看出,中間支座位置處及各跨跨中位置處深色部位位移變化趨勢(shì)較大,與試驗(yàn)現(xiàn)象較好吻合.

(a)L1梁Z軸豎向位移分布 (b)L2梁Z軸豎向位移分布 (c)L3梁Z軸豎向位移分布圖3 極限狀態(tài)下混凝土各試驗(yàn)梁位移分布對(duì)比

3 結(jié)論

(1) 通過分析在混凝土開裂時(shí)三組試驗(yàn)梁的受力狀態(tài),獲得了各自的開裂荷載數(shù)值,以及裂縫在各組梁上的分布情況,較好地說明兩種方式加固梁可提高連續(xù)梁的承載能力；

(2) 加固的試驗(yàn)梁在相同荷載條件下,有限元模擬位移變化值與試驗(yàn)數(shù)值相比偏小,表明有限元中的連續(xù)梁的剛度假定較大；即在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí),一般采用的是理想情況,而數(shù)據(jù)精度的誤差是存在的,所采用的平截面假定與實(shí)際情況存在一定的誤差.但總體而言,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果大致相近,誤差在合理范圍內(nèi)；

(3) 通過觀察試驗(yàn)梁的荷載應(yīng)變曲線及荷載位移圖得知,處在受力過程中的鋼筋混凝土梁,其中間支座位置處及跨中位置處,聯(lián)合加固的梁應(yīng)力變化較小,說明聯(lián)合加固方式對(duì)改善梁的受力性能具有重要意義.

參 考 文 獻(xiàn)

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