ANSYS分析碳纤维加固损伤钢筋混凝土梁

倪国葳，李晓庆

(1.河北联合大学建筑工程学院，河北唐山063009;2.天津大学，天津300072)

随着我国经济的发展，国内建筑业日渐繁荣，与之同时，对混凝土结构加固的重要性［2］也日益凸显。旧有建筑存在承载力不足或使用功能不完善的状况，因此有必要对混凝土结构加固效果及影响加固的因素进行深入研究。国内外学者对碳纤维加固混凝土构件的效果进行了大量的研究［3-4］。本文使用ANSYS分析软件，对碳纤维布加固的损伤钢筋混凝土梁进行有限元模拟，模拟试验过程，得到加固后构件破坏的形态、抗弯承载力提高幅度等结果。分析发现，碳纤维布可以有效提高构件承载力。

1 碳纤维加固的特点

碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Ploymer)是高强的加固材料，对混凝土的裂缝有一定的约束作用，延缓了裂缝的开展，在各国工程中被广泛的应用。碳纤维加固技术的特点有下面几个方面［5］:

①施工简便，不需大型工器具。②适用面广，任何结构都可使用。③强度高。④质量轻，厚度很薄，密度小。⑤不影响建筑物外观⑥模量大。

2 实例分析

2.1 基本参数

本文选取了刘波的加固试验梁［1］，试验梁的混凝土强度为C30，混凝土保护层30 mm。钢筋混凝土梁长L=1700 mm、宽b=150 mm、高h=300 mm.具体的物理参数及几何参数见下表。

表1 试验梁配筋率和加固方式

表2 混凝土材料力学性能

表3 碳纤维材料参数

表4 钢筋材料力学性能

2.2 建立有限元模型

图1 试验梁的有限元模型

图2 碳纤维布的有限元模型

2.3 单元类型

本文混凝土单元选取Solid65单元，此单元可以模拟混凝土的拉裂和破碎;钢筋单元选取LINK8单元，此单元可以承受一个方向的拉伸压缩;碳纤维布选取具有生死单元的SHELL41单元，该单元只考虑拉力，不计算弯曲或压力，可以承受平面荷载，同时可以在三轴产生位移也可以围绕三轴转动。各个单元之间共用节点。

2.4 有限元分析过程简介

2.5 加载

本文按试验过程对模型施加载荷，首先将模型的一端固定，即将该处所有的自由度约束，在模型的另一端施加载荷步，逐级加载。在钢筋屈服前用力控制，钢筋屈服后用位移控制。

2.6 分析结果

图3 有限元分析钢筋混凝土梁的变形图

图4 CFRP加固L1的应力图

图5 CFRP加固L1在Y反向的位移图

图6 CFRP加固L2的应力图

图7 CFRP加固梁L2在Y方向的变形图

由图4、图5可以得出梁L1的最大应力是0.360×108Pa，梁L2的最大应力是0.204×108Pa。梁L1的应力大是因为L1的纵向钢筋是4根直径14的钢筋，梁L2的纵向钢筋是4根18的钢筋。在外力相同的条件下，L1比较容易破坏。

有限元分析与试验基本趋于一致。当受拉钢筋充分发挥抗拉性能后，碳纤维布才能发挥作用。因此在进行加固前，首先要分析构件的破坏形式，分析受拉钢筋是否屈服，再选择合理的碳纤维用量，这样既有显著的加固效果，又有较高的经济价值。

图8 L1载荷—位移曲线图

图9 L2载荷—位移曲线图

图10 L1与L3对比曲线图

图11 L2与L4对比曲线图

从图8、图9可以看出，有限元分析所得的载荷—位移关系曲线的变化趋势与试验值基本一致，有限元值略大于试验值。误差不大，在误差允许范围内。这说明可以用ANSYS软件模拟损伤结构的加固，这将为试验的可行性提供参考依据。

图10、图11是加固梁与对比梁的载荷—位移曲线图，从图上可以得出碳纤维的加固的梁比未加固的梁的抗弯承载力大，碳纤维约束了混凝土，同时碳纤维布的使用，改善了钢筋的受力状态。将碳纤维布粘贴在损伤梁的受拉区，碳纤维布补充钢筋的受拉性能，随着荷载的增大，碳纤维布逐渐发挥作用，很大程度上减缓了混凝土裂缝的继续开展。

图12 L1、L2载荷—位移曲线图

图12是不同配筋率的受损梁加固后的载荷—位移曲线，图上显示配筋率小的梁容易破坏，这与实际情况相符合。

3 结论

(1)运用ANSYS有限元软件分析损伤构件或结构时，需要用“生死单元”选项，运用此单元时，计算不容易收敛，所以需要注意网格的划分，进行多次试算。

(2)通过对加固损伤混凝土梁的有限元模拟说明，碳纤维布对损伤的混凝土构件产生了高强的束缚作用，有效的减缓了构件的挠度和弯曲变形，碳纤维布可以改善构件的耐久性。

(3)，ANSYS软件认为混凝土与钢筋和碳纤维布之间粘结良好，变形一致。但实际情况并不理想，这是有限元值比试验值偏大的原因。

［1］ 刘波.地震损伤混凝土结构修复加固方法试验研究［D］.唐山:河北联合大学，2011.

［2］ 汪墨.钢筋混凝土结构加固技术的工程应用研究［D］.武汉:华中科技大学，2005.

［3］ 赵洁，聂建国钢板－混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析［J］.计算力学学报，2009，26(6):906-912.

［4］ HADIMNS.Behavior of CFRP strengthened concrete columns under eccentric compression loading［J］.Composite Structures，2007，7(1):92-96.

［5］ 赵洁，聂建国.钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析［J］.计算力学学报，2009，26(6):906-912.