李春良 王 旭 張東淼

(吉林建筑大學交通科學與工程學院,長春 130118)

鋼結構由于長時間使用會出現(xiàn)鋼材破損及承載力不足等問題,工程人員提出了碳纖維加固鋼結構的方法.研究發(fā)現(xiàn)粘結界面的剝離破壞是影響碳纖維加固鋼結構效果的主要因素,并且大多數(shù)剝離破壞發(fā)生在碳纖維的端部，因此對碳纖維端部部分進行著重研究很有必要.部分學者通過試驗驗證了碳纖維端部錨固的意義[1-4].本文采用數(shù)值模擬的方法對碳纖維加固鋼板拉伸試件進行分析計算,應用有限元分析軟件ANSYS分別從碳纖維端部不錨固、一端錨固和兩端全錨固的情況對試件進行模擬計算，得到不同端部錨固條件下碳纖維受力及界面粘結膠層剪應力的分布規(guī)律,為實際的碳纖維加固鋼結構的端部錨固提供有效指導和依據(jù).

1 端部錨固拉伸試件有限元模型的建立

1.1 單元選擇與材料性能

采用ANSYS軟件進行碳纖維布加固鋼結構粘結性能的非線性分析.分析時,鋼結構和中間的膠層采用Solid45實體單元,碳纖維布采Shell41殼單元.

對鋼結構和膠層的模擬采用Solid45三維實體單元.該單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著X,Y,Z方向平移的自由度.該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力強化、大變形和大應變的特點.根據(jù)不同的網(wǎng)絡劃分選項,可以采用六面體、三棱體或三棱錐等形狀,還可以獲得簡化的綜合的微控選項.為了模擬實驗,鋼結構單元的彈性模量E取實驗中的216.2GPa,泊松比μ取0.3.粘結膠層的彈性模量取3.8Gpa,厚度一般都很小,約0.2mm～1.0mm,本文取0.2mm.

與鋼結構相比,碳纖維布的厚度很小,不能用實體單元,且CFRP布幾乎不具有抗彎曲能力,故本文對CFRP布的模擬采用彈性殼單元Shell41.本單元每個節(jié)點具有6個自由度:沿節(jié)點坐標系X,Y,Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X,Y,Z軸的轉動.碳纖維由于是正交各項異性材料，所以不同方向的參數(shù)也是不同的，彈性模量在主方向Ex取2.176GPa,Ey與Ez取為10GPa.泊松比的取值也不同，μxy與μxz取0.28，μyz取0.35.

1.2 有限元模型的建立與端部錨固邊界條件的處理

CFRP端部被錨固后,CFRP端部區(qū)域內被迫承受較大的拉力,而CFRP錨固端區(qū)域的界面粘結承受荷載能力得到提高.在ANSYS中，對于錨固端的模擬采用CFRP端部節(jié)點的自由度與鋼板相應位置處節(jié)點的自由度耦合來實現(xiàn)錨固.

根據(jù)分析需要,按照端部不同的錨固方式,分別建立了端部不錨固、一端錨固和兩端全錨固的有限元模型,如圖1～圖3所示.碳纖維與鋼結構不錨固端連接處細節(jié)如圖4所示,碳纖維與鋼結構錨固端連接處細節(jié)如圖5所示.

圖1 端部不錨固有限元模型

圖2 一端錨固有限元模型

圖3 端部全錨固有限元模型

圖4 碳纖維與鋼結構不錨固端連接處細節(jié)

圖5 碳纖維與鋼結構錨固端連接處細節(jié)

2 數(shù)值模型驗證及結果分析

2.1 試驗方案

為了驗證所建立模型的準確程度,根據(jù)文獻[5]中的試驗方案,如圖6所示.鋼板試件的尺寸為600mm×50mm×6mm.碳纖維布的粘貼長度為400mm,粘貼寬度為40mm,纖維箍的寬度為40mm.鋼板選用國內常用的Q235鋼,碳纖維為UT70-30型碳纖維布.采用在鋼板的端部施加面荷載的加載方式.

圖6 碳纖維加固鋼結構位置及尺寸(單位:mm)

2.2 碳纖維一端錨固的數(shù)據(jù)對比

根據(jù)建立的有限元模型,參照試驗情況進行碳纖維一端錨固情況的數(shù)值計算,取拉伸荷載為60kN時的計算結果與試驗結果進行對比,碳纖維布的拉伸應變和粘結應力沿拉伸方向的分布曲線如圖7，圖8所示.

圖7為錨固端CFRP表面應變分布圖.可以發(fā)現(xiàn)ANSYS計算結果與試驗結果的吻合性較好,具有一定的一致性,表示ANSYS計算模型是正確的,可以用來分析實際的問題.

從圖8可以明顯看出,粘結剪應力主要集中在碳纖維布端部區(qū)域,且剪應力峰值出現(xiàn)在碳纖維布端部,該處存在嚴重的應力集中.離開端部一段距離后,碳纖維布與鋼板之間的粘結應力基本為零,在有效粘結長度之外,說明碳纖維布與鋼板之間幾乎不存在粘結剪應力,表明該區(qū)域碳纖維布的拉伸應變已趨于均勻,碳纖維布在有效粘結長度范圍內已經(jīng)完成了應力傳遞.從圖中可以清楚看到,有限元ANSYS模擬結果與試驗結果的有效粘結長度基本是一致的,都在20mm左右.

圖7 一端耦合應變對比曲線

圖8 一端耦合剪應力對比曲線

通過對圖7和圖8的觀察,有限元ANSYS模擬結果與試驗結果的曲線走勢基本一致,說明文中建立的有限元ANSYS模型較好地模擬了真實試驗的情況,是合理的,能真實反映碳纖維與混凝土界面剪應力、正應變的分布規(guī)律.所以,可以利用此有限元ANSYS模型進行相關問題的進一步研究.

2.3 三種錨固方式ANSYS模擬對比曲線

為了更好地分析端部錨固對于碳纖維加固鋼結構力學性能的影響,將有限元ANSYS模擬的一端錨固、兩端全錨固與兩端全不錨固結果進行了分析比較,具體結果如圖9，圖10所示.

圖9 三種錨固方式ANSYS模擬應變對比曲線

圖10 三種錨固方式ANSYS模擬剪應力對比曲線

通過圖9和圖10可以清晰地看出三種錨固方式的應變與剪應力的對比情況,不錨固端的拉伸應變?yōu)?,因為在不錨固的端部,碳纖維斷面沒有與鋼結構共同承受拉應力,所以此時拉伸應變?yōu)?.而錨固端的拉伸應變則基本與中間部位共同受力的拉伸應變相同,說明在錨固情況下,碳纖維承受了一部分拉應變,使碳纖維端部受力均勻，能夠更好地與鋼結構共同受力,分擔了鋼結構的負擔,相比于不錨固的情況,更好地起到了加固鋼結構作用.

從圖中還能清晰地看出,錨固情況下的剪應力要明顯小于不錨固端的剪應變,僅僅是其40%左右.說明在錨固的情況下,碳纖維端部承受的剪應力要遠遠小于不錨固的情況.因此對于碳纖維進行端部錨固,可以有效地降低碳纖維端部承受的剪應力,更好地防止在工作過程中可能產(chǎn)生的端部破壞.

3 結論

(1) 文中建立的有限元模型能夠較好地模擬實驗,可以用于相關問題研究;

(2) 相比于端部不錨固的情況,將加固的碳纖維端部進行錨固,可以使碳纖維承受一部分拉應變,使碳纖維端部受力均勻，與鋼結構共同受力,更好地起到了加固鋼結構的效果;

(3) 相比于端部不錨固的情況,將加固的碳纖維端部進行錨固,可以有效降低碳纖維端部承受的剪應力,更好地防止在工作過程中可能產(chǎn)生的端部破壞,使碳纖維對于鋼結構的加固更有效率且效果更好.

參 考 文 獻

[1] 崔熙光,劉 智,劉 項,王永嘉.碳纖維加固混凝土構件端部錨固試驗研究[J].工業(yè)建筑,2001:41(7):125-128.

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