二次受力下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的分析

祝夏 刘铮 马立伟

现有的钢筋混凝土结构由于设计缺陷、施工质量低劣、材料老化、火灾地震等意外灾害的侵袭、建筑物使用功能的改变和使用荷载的增加、建筑物的改建和扩建以及设计标准的提高等诸多原因致使结构构件承载力不足,变形过大,存在极其严重的安全隐患,严重地影响建筑物的安全和使用。若无法对建筑拆除重建,则只能对其进行加固。传统的加固补强技术[1]整体水平比较落后,而新兴的纤维增强加固技术,尤其是碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术以其高强高效、施工方便、自重轻、耐腐蚀、不增加结构尺寸等优点[2],为广大人们所接受。

本文运用有限元软件ANSYS对碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行了非线性有限元分析,通过对5根梁的模拟,得到了碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力,并与试验值进行对比,结果表明:ANSYS模拟结果与实验值吻合较好,用ANSYS模拟碳纤维布加固钢筋混凝土梁是一种可行的方法。

1 试验设计

试验梁是5根钢筋混凝土矩形截面简支梁[3],其中1根为对比梁,4根为加固梁。试验加载方式为两点加载,加载位置为试验梁的三分点处,由分配梁来实现。支座及加载位置处钢垫板宽度为100 m,厚度为10 mm,加载方式如图1所示。梁截面尺寸为b×h=150 mm×250 mm,跨度2.6 m,净跨 2.4 m。混凝土强度等级统一采用 C25,纵向受拉筋为 2φ 12,架力筋为 2φ 8,箍筋为φ 8@150(仅在剪跨区内配置箍筋),如图2所示。4根加固梁底部均粘贴两层100 mm宽的碳纤维布,且底部碳纤维布用U形纤维箍锚固,如图3所示。

试验梁的加固及试验方法见表1。

2 二次受力下钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

2.1 单元的选择及模型的建立

本次分析选取分离式有限元模型,混凝土单元选用Solid65,钢筋单元选用Link8,碳纤维布单元选用Shell41,钢垫板单元选用Shell43。碳纤维布与混凝土之间共用节点,防止产生相对滑移。

表1 梁加固及试验方法

2.2 材料的本构关系

钢筋的应力—应变关系曲线采用理想弹塑性模型,在ANSYS中采用双线性等向强化模型BISO来模拟;混凝土应力—应变关系上升段采用GB 50010-2002[5]规定的公式,下降段采用Hognestad的处理方法,在ANSYS中用多线性等向强化模型M ISO来模拟;碳纤维布应力—应变关系采用完全线弹性模型。

2.3 二次受力的模拟

ANSYS中通过生死单元来模拟二次受力。有初始荷载存在的加固梁,碳纤维布是在一次加载后才加上去的单元,所以要将其模拟成生死单元。在施加二次荷载以前,将碳纤维布单元杀死,不考虑其作用,在加二次荷载的同时将碳纤维布单元激活,使其参与受力。

2.4 钢筋混凝土梁的有限元分析模型

钢筋混凝土梁的有限元分析模型见图4。

2.5 梁正截面受弯承载力ANSYS计算结果

梁正截面受弯承载力ANSYS计算结果见表2。可以看出,加固梁的屈服荷载和极限荷载与未加固梁相比有很大的提高。屈服荷载的提高幅度为13.3%～26.7%,极限荷载的提高幅度为30.6%～42.9%。对于有初始荷载的加固梁,提高幅度随着初始荷载的增加而降低。有初始荷载的加固梁屈服荷载的提高幅度从26.7%降到 13.3%,极限荷载的提高幅度从36.7%降到30.6%。这表明,初始荷载越大,对加固梁受弯承载力的提高越小。因此建议在加固工程中应尽量把能卸掉的荷载卸掉。

表2 梁正截面受弯承载力ANSYS分析结果

2.6 梁受弯承载力ANSYS计算值和试验值的对比

梁受弯承载力ANSYS计算值和试验值的对比见表3。

表3 梁受弯承载力对比

从表3中可以看出,试验值和ANSYS计算值相差不大,差值都在20%以内,结果吻合的较好。屈服荷载的ANSYS计算值都大于试验值是因为在ANSYS计算中没有考虑混凝土的开裂,这样混凝土能承受更多的压力。加固梁极限荷载的ANSYS计算值都小于试验值是因为在ANSYS计算中,钢筋屈服后钢筋的应力—应变曲线是一条直线,没有考虑钢筋的强化阶段。

3 结语

本文应用有限元软件ANSYS对二次受力状态下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力进行了非线性分析,得出应用碳纤维布加固能明显改善钢筋混凝土梁的受弯性能,提高梁的受弯承载力,但是初始荷载的存在会降低加固效果,建议在实际工程中,尽量卸掉荷载,然后进行加固,以保证加固效果。

[1]郭 健.钢筋混凝土结构加固改造方法的研究及工程应用[D].长沙:湖南大学,2004.

[2]廖 文.CFRP复合材料在加固混凝土结构中的应用现状[J].科技资讯,2006(25):223-224.

[3]李志敬.二次受力下CFRP加固钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究及数值分析[D].郑州:郑州大学硕士学位论文,2006.

[4]黄敏卿.碳纤维片材(CFRP)加固混凝土结构技术分析[J].山西建筑,2009,35(9):77-78.

[5]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[6]陈莉娜.考虑二次受力的碳纤维布加固梁的有限元分析[D].宜昌:华中科技大学硕士学位论文,2006.