CFRP 加固钢筋混凝土梁正截面承载力有限元分析

段丽萍

(宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021)

0 引言

纵观土木工程的发展，随着新建建筑物日趋减少，老、旧建筑物的补强、加固、改造被越来越重视，这与我国提倡的“环境保护，绿色发展”的原则相匹配。而CFRP布加固法凭借其自重轻、延性好、耐腐蚀，几何可塑性大，易裁剪成型，便于施工等优点成为加固修补钢筋混凝土结构技术研究和应用的热点［1，2］。目前，国内外对碳纤维布加固混凝土梁的抗弯性能的研究多侧重于“一次受力”。而实际工程中，梁在加固时，仍需继续承担荷载，故梁在这种情况下属于“二次受力”。

本文通过对3根碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行有限元模拟，研究考虑二次受力对加固梁的影响。其模拟值与试验值吻合较好，初始荷载的存在会影响碳纤布加固的效果。说明了用ANSYS模拟二次受力下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的可行性和重要性，为实际工程奠定了良好的理论基础。

1 加固梁试验

以文献［3］中的试验梁作为原型进行建模，试验梁为3根，1根为对比梁，2根为加固梁。试验采用三点受力法，加载点为试验梁的2分点处。加载方式如图1所示。试件的截面尺寸为b×h=100 mm×180 mm，梁长l=2 200 mm。混凝土强度等级为C20，纵向受拉钢筋为2Φ8，架力筋为2Φ6，受剪区配置箍筋为5Φ6@150，如图2所示。混凝土保护层厚度为25 mm。加固梁底部分别粘贴1层～2层100 mm宽的碳纤维布(厚度取0.2 mm)。3根加固梁的加固方法见表1。

图1 梁加载示意图

图2 梁配筋示意图

表1 梁加固方法

2 钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

2.1 有限元模型建立

目前研究人员进行了大量试验，但试验数据的离散性限制了研究工作的进展。鉴于此，本文作者利用有限元软件进行碳纤维布加固钢筋混凝土梁的仿真模拟。为了能够真实的反映各种材料的力学特点，结合ANSYS软件中的结构模块的各单元特点，混凝土材料采用ANSYS中的8节点三维实体单元Solid65，该单元能真实的模拟混凝土材料的压碎和开裂等特点，钢筋在实际应用中，主要承受拉力作用，采用ANSYS中空间一维链杆单元Link8来模拟，碳纤维布在工作状态中，仅承受拉力，选用ANSYS中的壳单元Shell41模拟，完全符合碳纤维布实际受力状况。刚性垫块采用实体单元Solid45。本文采用分离式建模，把钢筋和混凝土采用不同的单元来处理，可以更准确的考虑钢筋的位置。建立有限元模型如图3，图4所示。不同单元之间的连接方法有共用节点法和接触面间弹簧连接法，本次建模采用共用节点来模拟不同单元间的连接。

图3 钢筋混凝土梁有限元模型图

图4 有限元模型配筋图

2.2 材料的破坏准则和本构关系

混凝土破坏准则采用Willam-Warnke五参数强度模型［4］，在ANSYS中Solid65单元的破坏面通过定义几个参数来实现:裂缝张开剪力传递系数ShrCf-Op，裂缝闭合剪力传力系数ShrCf-Cl，单轴抗拉强度UnTeanSt，单轴抗压强度UnCompSt，双轴抗拉强度等，本例中前四项参数分别取为:0.5，0.9，1.1，-1(关闭压碎开关)。在ANSYS中，混凝土应力—应变关系采用多线性等向强化模型MISO模拟，钢筋应力—应变关系采用双线性等向强化模型BISO模拟，碳纤维布应力—应变关系采用完全线弹性模型。

2.3 利用生死单元模拟二次受力

加固结构一般属于二次受力，加固构件的受力特征和新建结构的受力特征有所不同，未加固时，被加固构件已经受力，存在初始应力和初始应变。故在二次施加荷载时，碳纤维布才参与受力。在ANSYS中，通过生死单元(Birth-Ekill)来模拟二次受力。即:在第一载荷步先把Shell41单元“杀死”后施加载荷，相当于未加固梁，待施加到预定荷载后再“激活”该单元。

2.4 结果分析

ANSYS计算结果见表2，可以看出，碳纤维布加固混凝土梁的屈服荷载和极限荷载与未加固梁相比有明显的提高，其中极限承载力提高较显著。有初始荷载的加固梁，其屈服荷载的提高幅度从28.6%下降到14.3%，极限荷载的提高幅度从39.1%下降到34.8%。说明初始荷载增加越多，加固梁的受弯承载力提高越小。因此，实际工程中应尽量完全卸载，保证良好的加固效果。

表2 梁受弯承载力ANSYS分析结果表

梁受弯承载力ANSYS模拟值与试验值的比较见表3。

表3 梁承载力对比

从表2中可以看出，实验值与ANSYS计算值的差值均在20%以内，模拟结果与试验值吻合较好。引起误差是由于在ANSYS计算中没有考虑到混凝土的开裂，使得屈服荷载的计算值大于试验值，另一方面，在ANSYS中认为钢筋是理想的弹塑性，忽略了其强化阶段，使得极限荷载计算值小于试验值，其次，碳纤维布与混凝土之间的粘结对计算结果也存在误差。

3 结语

1)运用ANSYS软件对二次受力下碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯承载力进行了非线性分析。得出有限元仿真分析与试验结果吻合较好，表明有限元模型建立是正确的，故采用有限元法模拟该状态是可行的。

2)通过有限元的非线性分析，解决了一些靠试验无法解决的问题，在模拟中可以发现一些问题，起到提前预测的作用，提高了工作效率。

3)碳纤维布加固钢筋混凝土梁，可有效提高钢筋混凝土梁的受弯承载力［5，6］，而初始荷载的存在会降低碳纤维布加固效果。建议在实际工程中加固时，尽量卸掉荷载，以达到更好的加固效果。

［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］史键勇，卢亦焱，何 勇，等.碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面承载力试验研究［J］.建筑技术，2001，32(6):129-130.

［4］江见鲸，陆新征.混凝土有限元分析［M］.第2版.北京:清华大学出版社，2009.

［5］祝 夏，刘 铮，马立伟.二次受力下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的分析［J］.山西建筑，2010，36(23):58-60.

［6］董江峰，王清远.碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究［J］.应用力学学报，2001(28):351-358.