预加载对AFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

黄晓兰

(四川职业技术学院，四川 遂宁 629000)

目前，大多数混凝土结构加固研究都是在零预加载情况下进行的，而实际工程中，混凝土构件都是承受了一定的荷载，故试验和实际存在一定的差异。为了更好的接近实际，本文考虑二次受力即预加载的影响，利用ANSYS10.0有限元分析软件，以文献［1］试验为基础建立有限元仿真模型，研究AFRP加固梁的抗弯性能。

1 基本假定及本构关系

1.1 基本假定

(1)加固梁必须符合平截面假定。

(2)混凝土各向同性，开裂后不考虑受拉区混凝土的作用。

(3)混凝土和钢筋，混凝土和AFRP粘结牢固，不发生相对滑移，变形协调一致。重合界面采用耦合约束或共用结点进行传力。

(4)忽略粘结层的影响，不考虑结构的剥离破坏。

1.2 本构关系

1.2.1 混凝土

混凝土本文考虑美国Hognestand建议的应力－应变关系式［2］:

图1 混凝土应力－应变曲线

应力－应变试验曲线如图1所示。

1.2.2 钢筋和刚性垫块

本文采用图2作为钢筋和刚性垫块的应力－应变关系曲线图［2］。

图2 钢筋应力－应变曲线

1.2.3 FRP复合材料、纤维及树脂

FRP复合材料是一种各向异性材料，对于它们的本构关系很复杂，目前尚无比较成熟的研究，在本文中，假定它们为各向同性的线性材料，其应力－应变关系［3］见图3所示。

图3 FRP应力－应变曲线

2 有限元模型

2.1 模型参数及对比方案

有限元模型梁承受对称集中荷载，两端简支;梁长1400 mm，截面尺寸120 mm×200 mm，垫块尺寸40 mm×33 mm×20 mm，纵筋采用螺纹钢筋，箍筋采用光圆钢筋，保护层厚度30 mm，混凝土强度 C30，FRP长1200 mm，厚0.182 mm，粘贴在梁底进行加固。具体如图4所示:

图4 简支梁模型

有限元模型中各单元材料参数如表1所示:

?

本文建立了5根有限元模型梁，对其中3根梁施加了不同程度的预加载，分别为未加固梁极限荷载的40%、60%、80%。如表2所示。

?

2.2 单元选取及划分

混凝土选用SOLID65单元，采用六面体八结点进行映射网格划分;钢筋选用LINK8单元，由于钢筋截面面积远远小于混凝土面积，故单元划分时采用线单元;垫块选取SOLID45单元，AFRP选取SHELL41单元，两者都采用六面体八结点单元进行划分。

2.3 生死单元

本文对预加载的模拟采用生死单元法则，在ANSYS中，单元的生死功能是通过修改单元刚度的方式实现的。为了达到让单元死掉的效果，ANSYS程序并不是真正去掉“死”的单元，而是通过给单元刚度乘以一个很小的系数，此系数系统默认为1.0E－6，而且可以通过ESTIF进行修改。在计算之前，先“Kill”AFRP单元，等荷载施加到达预加载程度时，激活AFRP单元，加固开始，然后进行下一步计算分析。

3 有限元计算结果

3.1 与试验结果的比较

?

如表3所示，梁的挠度误差偏大，极限荷载偏差不是很大，这是由于有限元模拟过程中假设了钢筋与混凝土，FRP与混凝土界面不发生滑移，保持一致，加载初期，有限元模拟结果和实际试验结果还是一致的，但是钢筋屈服后，有限元模拟梁和实际试验梁的延性出现了偏差，以致挠度值出现跳跃，和实际试验结果造成了一定误差。故总体上来说有限元模拟结果和实体试验结果是基本吻合的。

3.2 结果分析

3.2.1 主要仿真试验结果

各仿真梁的极限荷载和最大挠度的主要试验结果列于表4。可以看出，极限承载力方面B－2、B－3、B－4以及B－5梁相对于B－1梁极限荷载明显的增加，但提高程度不同。在相同加固方式下，B－2的极限承载力提高程度最大56.25%，B－5最小 12.50%，B－3、B－4居中分别为37.50%和18.75%。零预加载情况下，加固效果比较明显，随着预加载程度的提高，加固效果越来越不理想，特别是B－5其极限承载力只是略微的提高6 kN，与B－2的提高程度相差40%之多。试验结果表明，在二次受力情况下，AFRP相对于钢筋产生了不同的滞后应变，预加载越大，滞后应变越大，AFPR在共同抗拉受力中起的作用就越小，承载力提高也越小，故加固效果也越不明显。对于最大挠度，B－2、B－3、B－4以及B－5梁相对于B－1梁都有所下降，各自的提高程度分别为20.19%、35.50%、33.77%、31.75%;对于预加载的三根梁，其提高程度相差无几，非常接近，故由此表明，相同加固条件下，预加载程度的大小对梁的变形影响不大。

?

3.2.2 荷载－挠度曲线

各仿真梁的荷载－挠度关系曲线如图5所示，与B－1梁相比，其他四根梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均有提高，最大挠度都略有降低。图中B－3、B－4、B－5梁曲线在B－1和B－2梁曲线之间，说明预先施加了一定荷载再进行加固，最后加固梁得到的极限承载力小于预先未施加荷载的加固梁，而上述3根梁施加了不同的预加载，图中三条曲线从上到下依次排列为梁B－3、B－4、B－5。由此可以得出，随着预加载程度的增加，相同加固方式得到的加固效果反而越不明显;从图中还可以看出B－3、B－4及B－5梁的最大挠度相差不大，它们和B－1、B－2梁的最大挠度有一定的差距，由此可以得出预加载会对加固梁的变形产生一定的作用，但预加载程度大小对加固的梁变形无多大影响。

图5 荷载－挠度曲线

4 结论

(1)有限元计算得到的结果和实体试验结果基本吻合。有限元软件能准确的模拟梁的受弯经过以及应力应变的关系，其分析是可行的。

(2)相比一次受力，二次受力对加固梁的极限荷载、挠度值影响比较大。预加载的存在，对加固效果有着明显的影响。

(3)AFRP的滞后应变对钢筋混凝土梁在二次受力下的加固效果起着决定性的作用。相同条件下，预加载程度越大，AFRP的滞后应变越大，极限承载力提高就越小。

［1］魏凝.芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究与理论分析［D］.西安理工大学，2006

［2］张誉.混凝土结构基本原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000

［3］王文炜.FRP加固混凝土结构技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007

［4］徐芸，徐德新，潘芬芬.碳纤维板加固梁一次受力和二次受力的试验研究［G］∥第二届全国土木工程用纤维增强复合材料(FRP)应用技术论文集.清华大学出版社，2002:329－332

［5］叶列平，崔卫，胡孔国，等.碳纤维布加固钢筋混凝土板二次受力试验研究［G］∥中国首届纤维增强塑料(FRP)混凝土结构学术交流会论文集，2000:83－91