王 卓 越

(蘭州大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

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基于ANSYS的碳纖維加固混凝土框架梁破壞機(jī)理研究

王 卓 越

(蘭州大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

通過建立ANSYS數(shù)值模型，模擬了兩端為固定約束的混凝土框架梁在碳纖維復(fù)合材料(CFRP)加固作用下的受力及破壞情況，通過提取鋼筋應(yīng)變、梁不同位置的開裂荷載以及跨中撓度等數(shù)據(jù)，分析了梁的開裂以及塑性破壞過程，在此基礎(chǔ)上，提出了粘貼不同層數(shù)CFRP對(duì)混凝土框架梁極限承載力以及抵抗變形能力的影響。

混凝土，碳纖維材料，數(shù)值模型，承載能力

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)作為一種建筑加固材料，與傳統(tǒng)的建筑加固材料相比具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、施工便利等優(yōu)點(diǎn)。隨著生產(chǎn)成本逐漸降低，碳纖維材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用引起工程領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域越來越廣泛的關(guān)注。近年來，國內(nèi)外關(guān)于碳纖維復(fù)合材料加固混凝土的研究主要集中在粘貼層數(shù)對(duì)梁的極限承載力影響、不同粘貼形式對(duì)梁極限承載力影響、錨固與膠結(jié)的本構(gòu)關(guān)系研究、預(yù)應(yīng)力碳纖維材料加固的研究、二次或多次循環(huán)加載對(duì)加固性能的影響等。

Alfarabi Sharif等人提出了用玻璃纖維加固彎剪作用下鋼筋混凝土梁的加固機(jī)理[1]。吳剛、呂志濤提出，CFRP加固的受彎構(gòu)件往往屬于二次受力構(gòu)件，在計(jì)算加固后的構(gòu)件承載力時(shí)應(yīng)乘以一個(gè)折減系數(shù)η[2]。葉列平研究了U形CFRP箍的抗剝離機(jī)理和設(shè)置位置、U形箍數(shù)量和形式等對(duì)梁底碳纖維布抗剝離性能的影響[3]。A.A.El-Ghandour基于有限元分析研究了受彎剪共同作用下采用U型CFRP粘貼加固提高抗剪承載力、梁底粘貼CFRP提高抗彎承載力的不同組合形式及其加固機(jī)理[4]。Huawen Zhang和Scott T.Smith通過實(shí)驗(yàn)提出了采用扇形錨固加固CFRP布的本構(gòu)關(guān)系[5]。M’hamed Berrezoug Zidani基于ANSYS有限元分析提出了循環(huán)加載作用下梁底粘貼CFRP的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系[6]。

但在現(xiàn)有的研究中，大多數(shù)是將加固對(duì)象簡化為簡支梁，進(jìn)行試驗(yàn)或模擬。而在實(shí)際工程中，框架梁等存在固定端的超靜定梁受力形式和破壞機(jī)理與簡支梁有所不同，負(fù)彎矩將會(huì)是構(gòu)件破壞的重要原因。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 力學(xué)模型

本文設(shè)計(jì)了一種兩端受固定約束的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)，用于替代模擬鋼筋混凝土框架梁在極限荷載下的破壞，其受力簡圖、彎矩圖及剪力圖如圖1所示。

1.2 鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)

為了使研究具有工程價(jià)值，本文按照GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。其配筋圖如圖2所示。

1.3 數(shù)值模型及基本假設(shè)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎梅蛛x式建模，按照設(shè)計(jì)尺寸分別設(shè)置鋼筋和混凝土以及CFRP材料的位置。模擬加載采用兩點(diǎn)加載，為保證計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況，在兩點(diǎn)加載的位置設(shè)置剛性墊塊避免應(yīng)力集中引起的局部破壞。計(jì)算采用位移收斂準(zhǔn)則，收斂容許值為5%。各單元尺寸均為50 mm，使得節(jié)點(diǎn)易于對(duì)齊，減少在求解時(shí)不收斂的可能，同時(shí)保證了求解精度。建立的有限元模型如圖3所示。

模型建立和計(jì)算采用以下幾個(gè)基本假定：

1)鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào)無相對(duì)移動(dòng)。

2)梁的兩端視為理想固定端約束。

3)CFRP布與混凝土表面接觸緊密變形協(xié)調(diào)，無相對(duì)滑移且不考慮剝落。

4)不考慮加固材料與混凝土之間膠結(jié)強(qiáng)度。

5)計(jì)算中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的破壞以梁端約束附近鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度為標(biāo)志，在此狀態(tài)下梁端將形成塑性鉸，約束處角位移與跨中撓度急劇增加，構(gòu)件無法與柱構(gòu)成抵抗側(cè)力體系，認(rèn)為構(gòu)件將失去繼續(xù)承載的能力。

1.4 單元選取及各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)

在ANSYS16.0中，Link180單元比Link8單元的使用更便捷直觀，因此本文采用Link180單元替代傳統(tǒng)的Link8單元來模擬縱向受力鋼筋，采用Solid65單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)。各個(gè)單元的不同參數(shù)設(shè)置見表1,表2。

表1 鋼筋和CFRP單元及參數(shù)表

表2 混凝土與墊塊單元及參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1.1 未加固梁

加載初期，混凝土承擔(dān)主要荷載，構(gòu)件撓度近似線性增長，荷載加至50 kN時(shí)，梁上部混凝土應(yīng)力達(dá)到開裂強(qiáng)度，裂縫依次從梁端向梁中擴(kuò)展，但不超過構(gòu)件的反彎點(diǎn)。混凝土開裂后鋼筋應(yīng)力迅速增長，加載至150 kN時(shí),梁底部混凝土出現(xiàn)裂縫并逐漸向上擴(kuò)展，加載至405 kN時(shí),梁端上部受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度,形成塑性鉸，認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到承載極限。

2.1.2 加固后梁

以粘貼1層CFRP材料加固為例，加載初期，荷載主要由混凝土承擔(dān)，CFRP加固材料中應(yīng)力很小，加載至50 kN時(shí)，梁端混凝土開裂，裂縫依次從梁端向梁中擴(kuò)展，但不會(huì)超過構(gòu)件的反彎點(diǎn)。加載至155 kN時(shí)，梁底部混凝土出現(xiàn)裂縫并逐漸向上擴(kuò)展，加載至455 kN時(shí)，梁端上部受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度,形成塑性鉸，認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到承載極限。表3給出了粘貼不同層CFRP材料加固實(shí)驗(yàn)梁的各級(jí)破壞荷載。

表3 粘貼不同層CFRP材料加固實(shí)驗(yàn)梁各級(jí)破壞荷載 kN

2.2 計(jì)算結(jié)果討論

2.2.1 承載能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)ANSYS模型計(jì)算結(jié)果，得到粘貼不同層CFRP加固的模型梁中鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系，如圖4所示。

由計(jì)算結(jié)果可以得到，采用粘貼CFRP材料的方式加固模型梁可以有效提高其承載力，并且提高程度隨CFRP的粘貼層數(shù)增加而增加。粘貼1層～4層CFRP加固的模型梁相對(duì)于不進(jìn)行加固的模型梁的承載力分別提高了11.1%,19.8%,29.6%,38.3%，增加程度呈線性增長趨勢(shì)。

由縱向受力鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋屈服后曲線的斜率隨著CFRP粘貼層數(shù)的增加而升高，這說明加固材料有效提高了構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，且提高程度隨CFRP的粘貼層數(shù)增加而增長。

2.2.2 抵抗變形能力計(jì)算結(jié)果

在ANSYS計(jì)算模型中提取梁底跨中單元的撓度并計(jì)算平均值，得到粘貼不同層CFRP材料加固鋼筋混凝土框架梁的荷載—撓度曲線如圖5所示。

由該曲線可以得到以下結(jié)論：

1)曲線斜率變化對(duì)應(yīng)構(gòu)件破壞的4個(gè)階段：完全彈性工作階段、梁端開裂后塑性發(fā)展階段、跨中開裂后塑性發(fā)展階段、受力鋼筋屈服后塑性階段。

2)采用CFRP材料加固后，構(gòu)件的剛度得到明顯提升，相同荷載作用下，跨中撓度明顯減小。

3)隨著CFRP粘貼層數(shù)增多，構(gòu)件抵抗變形能力逐漸增強(qiáng)，但其增強(qiáng)程度逐漸減小。

4)在相同荷載作用下，隨著CFRP粘貼層數(shù)增多，模型梁的跨中最大撓度分別減小了22.95%,31.81%,34.84%,38.29%，抵抗變形能力增長幅度逐漸減小。

加固前后鋼筋單元、CFRP單元和混凝土單元的軸向應(yīng)力見圖6。

3 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)的簡支梁模型不同，兩端為固定約束的框架梁的破壞形式主要是上部梁端先發(fā)生開裂，受力鋼筋達(dá)到屈服從而形成塑性鉸，最終導(dǎo)致梁的變形過大。

2)通過在上部梁端粘貼CFRP材料可以有效提高框架梁的承載能力，且承載能力隨CFRP粘貼層數(shù)增加而增加。

3)通過在上部梁端粘貼CFRP材料可以提高框架梁的抵抗變形能力，但其提高幅度隨CFRP粘貼層數(shù)增加而減小。

4)粘貼CFRP加固混凝土構(gòu)件可以提高構(gòu)件的局部剛度，增強(qiáng)抗裂能力。

4 模型缺陷及改進(jìn)思路

1)模型建立的基本假設(shè)不考慮CFRP與混凝土之間的界面相對(duì)滑移。根據(jù)文獻(xiàn)[7][8]，CFRP與混凝土的界面粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系可以用雙線性模型來表示。2)模型中基于基本假設(shè)不考慮鋼筋和混凝土之間的相對(duì)滑移。實(shí)際中鋼筋與混凝土相對(duì)滑移會(huì)導(dǎo)致鋼筋性能不能充分發(fā)揮。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，隨著時(shí)間、位置的變化，鋼筋的銹蝕情況不同，鋼筋和混凝土有著不同的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系。3)框架梁與柱的連接按照剛接計(jì)算時(shí)，梁的梁端會(huì)受到彎矩作用，模型中梁端約束采用將節(jié)點(diǎn)自由度耦合在支座上的方法，這樣會(huì)導(dǎo)致梁端彎矩大于實(shí)際彎矩，這一缺陷可以通過設(shè)置彈性支座來修正。

[1] Sharif A,Al-Sulaimani G J,Basunbul I A,et al.Strengthening of Initially Loaded Reinforced Concrete Beams Using FRP Plates[J].Aci Structural Journal,1994,91(2):160-168.

[2] 吳 剛,呂志濤.外貼CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎設(shè)計(jì)方法[J].建筑結(jié)構(gòu),2000(7):7-10.

[3] 葉列平,岳清瑞.碳纖維布在混凝土梁受彎加固中抗剝離性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2003(2):61-65.

[4] El-Ghandour A A.Experimental and analytical investigation of CFRP flexural and shear strengthening efficiencies of RC beams[J].Construction & Building Materials,2011,25(3):1419-1429.

[5] Zhang H,Smith S T.Fibre-reinforced polymer(FRP)-to-concrete joints anchored with FRP anchors:tests and experimental trends[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2013,40(11):1103-1116.

[6] Zidani B,Belakhdar K,Tounsi A,et al.Finite element analysis of initially damaged beams repaired with FRP plates[J].Composite Structures,2015(134):429-439.

[7] X.Z.Lu,J.G.Teng,L.P.Ye,et al.Bond-slip models for FRP sheets/plates bonded to concrete[J].Engineering Structures,2005(27):920-937.

[8] 陸新征,譚 壯,葉列平,等.FRP布—混凝土界面粘結(jié)性能的有限元分析[J].工程力學(xué),2004,21(6):45-50.

[9] 趙羽習(xí),金偉良.鋼筋與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,23(1):32-37.

Study on carbon fiber reinforcing concrete frame beam damage mechanism on the basis of ANSYS

Wang Zhuoyue

(LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Through establishing ANSYS numerical model, the paper simulates stress and damage conditions of concrete frame beam with both-side fixed constraint under CFRP reinforcement. Through extracting steel strain, beam cracking load at various locations and medium-span deflection and other data, analyzes beam cracking and plastic damage process, and puts forward the impact of bonding different-story CFRP upon concrete frame ultimate bearing capacity and anti-deforming capacity.

concrete, carbon fiber material, numerical model, bearing capacity

1009-6825(2017)17-0055-03

2017-03-22

王卓越(1995- )，男，在讀本科生

O241.82

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