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        基于有限元模擬的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移機理淺析

        2020-03-10 12:55:20楊奔
        廣東建材 2020年1期
        關(guān)鍵詞:宏觀界面網(wǎng)格

        楊奔

        (北海職業(yè)學(xué)院)

        0 前言

        隨著我國社會、經(jīng)濟、科技的飛速發(fā)展,各種類型的建筑日益增加,隨著時間飛逝,一些建筑逐漸老化,變成了危舊建筑,急需加固維修。而在危舊建筑上張貼FRP材料對危舊建筑進行加固是一種可行方案。我國數(shù)十個高等院校與科研院所數(shù)十年來先后對在土木建筑工程中應(yīng)用FRP 材料進行加固進行了相關(guān)研究,并取得了很多有價值的研究成果。清華大學(xué)的葉列平、陸新征等學(xué)者提出了FRP 加固混凝土梁的有限元分析模型,為采用有限元方法模擬FRP 材料加固混凝土結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

        常用于加固混凝土結(jié)構(gòu)的FRP 材料主要有用于加固混凝土梁、板結(jié)構(gòu)的FRP 布和FRP 板等FRP 片材、用于加固混凝土柱結(jié)構(gòu)的FRP 筒材、用于加固混凝土梁結(jié)構(gòu)的FRP 筋材等。而無論是采用哪種FRP 材料加固混凝土結(jié)構(gòu),F(xiàn)RP 與混凝土界面之間粘結(jié)-滑移機理都是其理論基礎(chǔ)。本文作者前期通過試驗初步研究了FRP 布與混凝土界面之間的粘結(jié)-滑移機理,現(xiàn)采用有限元模擬的方法對其進行進一步的探究。

        1 FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型參數(shù)的獲取

        1.1 試驗得出的宏觀裂縫影響下的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移模型

        依據(jù)本文作者前期的試驗研究,得出了由試驗數(shù)據(jù)擬合后所得的宏觀裂縫影響下的FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移模型,如式⑴所示。

        式⑴中,τ 為界面剪應(yīng)力,τmax為界面最大剪應(yīng)力,s 為界面滑移量,s0為界面最大剪應(yīng)力對應(yīng)的界面滑移量,hk為宏觀裂縫(切縫)深度,Li為界面上i 點處到宏觀裂縫(切縫)的距離。

        1.2 FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型結(jié)構(gòu)幾何形狀的定義

        1.3 混凝土的模擬

        參照相關(guān)研究,F(xiàn)RP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型中:混凝土在ABAQUS 中采用平面應(yīng)力應(yīng)變實體單元CPS4 進行建模?;炷敛牧蠈傩缘膹椥远危‥lastic)的混凝土泊松比ν 取0.2,混凝土彈性模量Ec按下式算出:

        混凝土材料屬性的損傷塑性段(Concrete Damaged Plasticity)的Plasticity 中,混凝土膨脹角(Dilation Angle)ψ 取為35°,屈服面流動法則相關(guān)參數(shù)偏心率(Eccentricity)取默認值0.1,雙軸與單軸抗壓強度比值(fb0/fc0)取默認值1.16,影響屈服面形態(tài)的K系數(shù)取2/3 即0.667,粘性參數(shù)(Viscosity Parameter)取0。

        混凝土受拉損傷因子dt:

        1.4 FRP 的模擬

        參照相關(guān)研究,F(xiàn)RP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型中:FRP 采用梁單元進行建模。FRP 的材料屬性被設(shè) 定 為 線 彈 性(Elastic),F(xiàn)RP 的 彈 性 模 量 為237000MPa,泊松比為0.2。

        1.5 FRP- 混凝土界面的模擬

        參照相關(guān)研究,F(xiàn)RP-混凝土界面粘結(jié)單元采用非線性Spring2 單元模擬,非線性Spring2 單元的剛度K為界面粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù):

        式⑷中,A 為每個Spring2 單元在FRP-混凝土界面上代表的剪切受力面積為FRP-混凝土界面的粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù)。

        在有限元軟件中,通過在inp 文件中編寫命令流施加Spring2 單元。

        1.6 邊界條件、荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

        在有限元軟件中,用命令流定義混凝土試件的邊界條件。

        用“位移/轉(zhuǎn)角”命令流在FRP 上按位移控制施加荷載:

        進行有限元模型網(wǎng)格劃分時,網(wǎng)格單元形狀為以四邊形為主,網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

        2 FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型的結(jié)果分析

        2.1 無宏觀裂縫(宏觀裂縫深度為0)的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型

        經(jīng)過有限元模擬可知宏觀裂縫深度為0(無宏觀裂縫)的FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型開裂應(yīng)變分布如圖1 所示。

        圖1 無宏觀裂縫的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型開裂應(yīng)變分布

        2.2 有宏觀裂縫(宏觀裂縫深度為10mm)的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型

        經(jīng)過有限元模擬可知宏觀裂縫深度為10mm(有宏觀裂縫)的FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型開裂應(yīng)變分布如圖2 所示。

        圖2 有宏觀裂縫的FRP- 混凝土界面粘結(jié)- 滑移有限元模型開裂應(yīng)變分布

        2.3 結(jié)果分析

        對比有宏觀裂縫和無宏觀裂縫的FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型可以看出:因為宏觀裂縫附近的混凝土?xí)l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,且宏觀裂縫會使其附近的FRP-混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力達到峰值后,快速下降為0,發(fā)生脆性破壞,故在運用FRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工中,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)存在宏觀裂縫時,應(yīng)對宏觀裂縫附近的混凝土結(jié)構(gòu)采用如CFRP 材料制成的U 型箍等加固構(gòu)造對其進行加固。

        3 結(jié)語

        本文主要從FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移有限元模型參數(shù)的獲取、結(jié)果分析等方面,分析說明了有宏觀裂縫和無宏觀裂縫情形下的基于有限元模擬的FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移機理,為相關(guān)人員提供一定的參考。

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