CFRP与钢板加固RC梁滞回性能有限元分析研究

刘 勇,杨 霞

(泸州职业技术学院,四川 泸州 646005)

粘CFRP(Carbon Fiber Reinforced Ploymer,简称CFRP)法与粘钢板法加固是目前钢筋混凝土结构加固中运用较为普遍的两种加固方法,这两种方法在加固机理、设计理念、施工方法都有很多相似的地方,大量研究表明:通过粘CFRP与粘钢板可以显著提高加固构件或结构的承载能力[1-2],但是对于其加固之后的结构或构件的抗震性能,目前还没有进行深入的探讨和试验,尤其是利用ANSYS软件进行低周反复荷载的模拟实验,几乎是空白。

1 有限元分析

1.1 CFRP加固RC梁的基本假定

在ANSYS分析中采用如下假定[3]:①CFRP布与混凝土及混凝土与钢筋粘结良好,无相对滑移;②在受力过程中,CFRP布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理;③梁在加固前后的抗剪承载力足够。

1.2 材料的基本参数

材料参数的各项指标如表1所示,混凝土强度等级为C25,加固材料采用日本新石油(原日本石三菱)公司提供的碳纤维布,粘结剂是武汉武大巨成加固实业有限公司所提供的WSJ建筑结构胶,CFRP布厚0.111mm,梁上下表面满贴。

表1 粘CFRP材料物理参数

1.3 钢板加固RC梁的基本假定[4]

①梁受弯后,截面上的混凝土、钢筋以及钢板的应变符合平截面假定;②钢筋与混凝土充分粘结,无相对滑移,变形协调;③钢板与被粘结钢筋混凝土梁充分粘结,无相对滑移,变形协调,即忽略粘结胶的影响;④钢筋为双线性随动硬化材料,关掉混凝土压碎选项(即令单轴抗压强度Un CompSt=-1),裂缝张开传递系数为0.35,裂缝闭合传递系数为1;⑤接触单元实常数采用默认值,调整初始接触条件来实现目标面和接触面之间可能发生过大的初始渗透。

1.4 材料的基本参数(见表2)

表2 粘钢材料物理参数

2 CFRP与钢板加固RC梁的有限元模型建立

本文模拟试验加固钢筋混凝土梁长L=3000mm,宽 b=200mm,高 h=300mm,如图 1所示。其中纵向受拉钢筋和受压钢筋均为2根直径16mm的Ⅱ级螺纹钢,混凝土保护层厚度为35mm,箍筋在整个梁段上为Φ 8@150,分别满足规范[5]给出的最小配筋率和配箍率,保证了钢筋混凝土梁在加固前是适筋梁。采取CFRP加固时,上下各粘贴一层,宽度与梁同宽,长度2700mm;采用粘贴钢板加固时,同样采取上下对称粘贴,其中,钢板厚5mm,宽度110mm,长度=2700mm。C25混凝土弹性模量为2.80×104MPa,轴心抗拉强度标准值1.78MPa,各种材料特性参数如表1所示。

图1 CFRP加固钢筋混凝土梁基本模型

2.1 CFRP加固RC梁单元类型

混凝土用SOLID65单元来模拟。ANSYS中的SOLID65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。钢筋用LINK 8单元来模拟。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元,该单元具有2个节点,每个节点具有3个自由度:即沿节点坐标系x、y、z方向的平动。碳纤维布用SHELL41单元来模拟。该单元为4节点膜单元,它是一个三维单元,平面内具有膜强度但平面外没有弯曲强度。这是壳体结构特有的,因为其单元弯曲是次要的。单元在每个节点有3个自由度:即沿节点 x、y、z轴向的移动。

2.2 CFRP加固RC梁有限元模型

在本文的有限元模型中钢筋与混凝土采用分离式模型,认为钢筋与混凝土之间有可靠的粘结,不发生相对滑移。忽略碳纤维布与混凝土梁之间的滑移,故二者共用节点。由于结构荷载均对称,故取二分之一梁建立有限元模型。在支座位置施加位移约束,在跨中截面施加对称面约束,在整个梁体三分点处施加荷载,有限元模型见图2。

图2 CFRP加固RC梁的有限元模型

2.3 钢板加固RC梁的有限元模型

对粘钢加固钢筋混凝土梁采用分离式建模[6],把钢筋和混凝土采用不同的单元来处理,即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元,二者的刚度矩阵分开求解。用SOLID65单元和PIPE20分别模拟混凝土和钢筋的粘结作用,混凝土与钢板之间采用面接触单元,即TARGE170和CONTAC174单元,如图3所示。

图3 粘钢加固RC梁的有限元模型

3 CFRP与钢板加固RC梁的滞回曲线及结果分析

3.1 滞回分析的部分命令流

nlgeom,off !在静态或完全瞬态中是否包含大变形

pred,off !在非线性分析中激活一个预测器

nropt,full,,on !在静态或完全瞬态分析中,指定Newton-Raphson选项

lnsrch,on !激活一个线性搜索与Newton-Raphson一起使用

sstif,on !在非线性分析中,是否激活应力刚度效应

NSUBST,50,1000,5 !指定荷载步中所需子步数

cnvtol,u,,0.03,0 !为非线性分析指定收敛值

autots,off !指定是否使用自动时间步长跟踪或荷载

rescontrl,,all,1,1 !输出子步

OUTRES,nsol,all !控制结果的输出

图4 CFRP加固RC梁的滞回曲线

3.2 结果分析

通过对2根加固梁模拟低周反复荷载分析,可以得到如图4和图5的滞回曲线图形;从图4中可以看到,采用CFRP加固的RC梁的滞回环非常细长,且捏弄现象明显,耗能能力表现一般;同时,在同样位移的情况下,正向加载时其承载力大于反向加载值,原因是正向加载时梁的重力对试验结果有一定的影响;从图5中可以看到,采用粘贴钢板的做法得到的滞回环明显饱满,几乎没有捏弄现象,有较好的耗能能力;同样,梁的重力对上下加载所得到的承载力峰值也有影响,即正向加载时偏大,反向加载时偏小。

图5 粘钢加固RC梁的滞回曲线

4 结论与建议

通过分析采用CFRP和钢板加固RC梁的滞回曲线,可以得出加固之后梁的抗震性能的情况,第一、采用钢板加固比CFRP加固的RC梁的滞回环明显饱满,说明粘钢加固的抗震性能优于CFRP加固的情形;第二、采用粘钢加固的梁较CFRP加固的梁具有更大的刚度和耗能面积;为了使试验结果更近精确,接近实际,首先,在用ANSYS模拟低周反复加载时,梁的自重的大小对承载力的影响必须考虑进去,并且在正向加载时对外荷载予以减小,反向加载时予以增加;其次,为保证CFRP加固梁在求解时能正常收敛,应该设置合理的子步长,因为混凝土的非线性分析中子步设置太大或太小都不能达到正常收敛[7];最后,为防治粘钢加固梁钢板在端部发生剥离破坏,影响试验结果,应在适当位置设置膨胀螺栓或箍板等措施进行锚固。

[1]李文胜,王德玲.CFRP加固钢筋混凝土梁的非线性有限元仿真分析[J].长江大学学报(自然科学版),2007,4(4):114-116.

[2]梁丛中,李思明.钢筋混凝土梁粘钢加固的抗震性能研究[J].辽宁高职学报,1999,2(1):52-55.

[3]范毅.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土受弯构件研究[D].上海:华东交通大学,2005.

[4]钟 伟,耿纪恩,黄慧峰.基于ANSYS的粘钢加固钢筋混凝土梁的应力分析[J].水利与建筑工程学报,2009,7(1):124-126.

[5]GB50010—2002.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[6]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[7]郝文化,裕 明.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.