基于ANSYS的碳纤维加固混凝土框架梁破坏机理研究

王 卓 越

(兰州大学,甘肃 兰州 730000)



基于ANSYS的碳纤维加固混凝土框架梁破坏机理研究

王 卓 越

(兰州大学,甘肃 兰州 730000)

通过建立ANSYS数值模型，模拟了两端为固定约束的混凝土框架梁在碳纤维复合材料(CFRP)加固作用下的受力及破坏情况，通过提取钢筋应变、梁不同位置的开裂荷载以及跨中挠度等数据，分析了梁的开裂以及塑性破坏过程，在此基础上，提出了粘贴不同层数CFRP对混凝土框架梁极限承载力以及抵抗变形能力的影响。

混凝土，碳纤维材料，数值模型，承载能力

0 引言

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种建筑加固材料，与传统的建筑加固材料相比具有轻质、高强、耐腐蚀、施工便利等优点。随着生产成本逐渐降低，碳纤维材料在混凝土结构加固中的应用引起工程领域和学术领域越来越广泛的关注。近年来，国内外关于碳纤维复合材料加固混凝土的研究主要集中在粘贴层数对梁的极限承载力影响、不同粘贴形式对梁极限承载力影响、锚固与胶结的本构关系研究、预应力碳纤维材料加固的研究、二次或多次循环加载对加固性能的影响等。

Alfarabi Sharif等人提出了用玻璃纤维加固弯剪作用下钢筋混凝土梁的加固机理[1]。吴刚、吕志涛提出，CFRP加固的受弯构件往往属于二次受力构件，在计算加固后的构件承载力时应乘以一个折减系数η[2]。叶列平研究了U形CFRP箍的抗剥离机理和设置位置、U形箍数量和形式等对梁底碳纤维布抗剥离性能的影响[3]。A.A.El-Ghandour基于有限元分析研究了受弯剪共同作用下采用U型CFRP粘贴加固提高抗剪承载力、梁底粘贴CFRP提高抗弯承载力的不同组合形式及其加固机理[4]。Huawen Zhang和Scott T.Smith通过实验提出了采用扇形锚固加固CFRP布的本构关系[5]。M’hamed Berrezoug Zidani基于ANSYS有限元分析提出了循环加载作用下梁底粘贴CFRP的粘结本构关系[6]。

但在现有的研究中，大多数是将加固对象简化为简支梁，进行试验或模拟。而在实际工程中，框架梁等存在固定端的超静定梁受力形式和破坏机理与简支梁有所不同，负弯矩将会是构件破坏的重要原因。

1 数值模型的建立

1.1 力学模型

本文设计了一种两端受固定约束的钢筋混凝土梁结构，用于替代模拟钢筋混凝土框架梁在极限荷载下的破坏，其受力简图、弯矩图及剪力图如图1所示。

1.2 钢筋混凝土梁设计

为了使研究具有工程价值，本文按照GB 50010—2010混凝土结构设计规范进行设计。其配筋图如图2所示。

1.3 数值模型及基本假设

实验模型采用分离式建模，按照设计尺寸分别设置钢筋和混凝土以及CFRP材料的位置。模拟加载采用两点加载，为保证计算结果接近实际情况，在两点加载的位置设置刚性垫块避免应力集中引起的局部破坏。计算采用位移收敛准则，收敛容许值为5%。各单元尺寸均为50 mm，使得节点易于对齐，减少在求解时不收敛的可能，同时保证了求解精度。建立的有限元模型如图3所示。

模型建立和计算采用以下几个基本假定：

1)钢筋与混凝土变形协调无相对移动。

2)梁的两端视为理想固定端约束。

3)CFRP布与混凝土表面接触紧密变形协调，无相对滑移且不考虑剥落。

4)不考虑加固材料与混凝土之间胶结强度。

5)计算中，实验对象的破坏以梁端约束附近钢筋应力达到屈服强度为标志，在此状态下梁端将形成塑性铰，约束处角位移与跨中挠度急剧增加，构件无法与柱构成抵抗侧力体系，认为构件将失去继续承载的能力。

1.4 单元选取及各项试验参数

在ANSYS16.0中，Link180单元比Link8单元的使用更便捷直观，因此本文采用Link180单元替代传统的Link8单元来模拟纵向受力钢筋，采用Solid65单元模拟混凝土结构。各个单元的不同参数设置见表1,表2。

表1 钢筋和CFRP单元及参数表

表2 混凝土与垫块单元及参数表

2 计算结果分析与讨论

2.1 模拟实验现象及分析

2.1.1 未加固梁

加载初期，混凝土承担主要荷载，构件挠度近似线性增长，荷载加至50 kN时，梁上部混凝土应力达到开裂强度，裂缝依次从梁端向梁中扩展，但不超过构件的反弯点。混凝土开裂后钢筋应力迅速增长，加载至150 kN时,梁底部混凝土出现裂缝并逐渐向上扩展，加载至405 kN时,梁端上部受拉钢筋应力达到屈服强度,形成塑性铰，认为构件达到承载极限。

2.1.2 加固后梁

以粘贴1层CFRP材料加固为例，加载初期，荷载主要由混凝土承担，CFRP加固材料中应力很小，加载至50 kN时，梁端混凝土开裂，裂缝依次从梁端向梁中扩展，但不会超过构件的反弯点。加载至155 kN时，梁底部混凝土出现裂缝并逐渐向上扩展，加载至455 kN时，梁端上部受拉钢筋应力达到屈服强度,形成塑性铰，认为构件达到承载极限。表3给出了粘贴不同层CFRP材料加固实验梁的各级破坏荷载。

表3 粘贴不同层CFRP材料加固实验梁各级破坏荷载 kN

2.2 计算结果讨论

2.2.1 承载能力计算结果

根据ANSYS模型计算结果，得到粘贴不同层CFRP加固的模型梁中钢筋的荷载—应变关系，如图4所示。

由计算结果可以得到，采用粘贴CFRP材料的方式加固模型梁可以有效提高其承载力，并且提高程度随CFRP的粘贴层数增加而增加。粘贴1层～4层CFRP加固的模型梁相对于不进行加固的模型梁的承载力分别提高了11.1%,19.8%,29.6%,38.3%，增加程度呈线性增长趋势。

由纵向受力钢筋的荷载—应变关系可以发现，钢筋屈服后曲线的斜率随着CFRP粘贴层数的增加而升高，这说明加固材料有效提高了构件的强度和刚度，且提高程度随CFRP的粘贴层数增加而增长。

2.2.2 抵抗变形能力计算结果

在ANSYS计算模型中提取梁底跨中单元的挠度并计算平均值，得到粘贴不同层CFRP材料加固钢筋混凝土框架梁的荷载—挠度曲线如图5所示。

由该曲线可以得到以下结论：

1)曲线斜率变化对应构件破坏的4个阶段：完全弹性工作阶段、梁端开裂后塑性发展阶段、跨中开裂后塑性发展阶段、受力钢筋屈服后塑性阶段。

2)采用CFRP材料加固后，构件的刚度得到明显提升，相同荷载作用下，跨中挠度明显减小。

3)随着CFRP粘贴层数增多，构件抵抗变形能力逐渐增强，但其增强程度逐渐减小。

4)在相同荷载作用下，随着CFRP粘贴层数增多，模型梁的跨中最大挠度分别减小了22.95%,31.81%,34.84%,38.29%，抵抗变形能力增长幅度逐渐减小。

加固前后钢筋单元、CFRP单元和混凝土单元的轴向应力见图6。

3 结论

1)与传统的简支梁模型不同，两端为固定约束的框架梁的破坏形式主要是上部梁端先发生开裂，受力钢筋达到屈服从而形成塑性铰，最终导致梁的变形过大。

2)通过在上部梁端粘贴CFRP材料可以有效提高框架梁的承载能力，且承载能力随CFRP粘贴层数增加而增加。

3)通过在上部梁端粘贴CFRP材料可以提高框架梁的抵抗变形能力，但其提高幅度随CFRP粘贴层数增加而减小。

4)粘贴CFRP加固混凝土构件可以提高构件的局部刚度，增强抗裂能力。

4 模型缺陷及改进思路

1)模型建立的基本假设不考虑CFRP与混凝土之间的界面相对滑移。根据文献[7][8]，CFRP与混凝土的界面粘结本构关系可以用双线性模型来表示。2)模型中基于基本假设不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移。实际中钢筋与混凝土相对滑移会导致钢筋性能不能充分发挥。根据文献[9]，随着时间、位置的变化，钢筋的锈蚀情况不同，钢筋和混凝土有着不同的粘结本构关系。3)框架梁与柱的连接按照刚接计算时，梁的梁端会受到弯矩作用，模型中梁端约束采用将节点自由度耦合在支座上的方法，这样会导致梁端弯矩大于实际弯矩，这一缺陷可以通过设置弹性支座来修正。

[1] Sharif A,Al-Sulaimani G J,Basunbul I A,et al.Strengthening of Initially Loaded Reinforced Concrete Beams Using FRP Plates[J].Aci Structural Journal,1994,91(2):160-168.

[2] 吴 刚,吕志涛.外贴CFRP加固混凝土结构的抗弯设计方法[J].建筑结构,2000(7):7-10.

[3] 叶列平,岳清瑞.碳纤维布在混凝土梁受弯加固中抗剥离性能的试验研究[J].建筑结构,2003(2):61-65.

[4] El-Ghandour A A.Experimental and analytical investigation of CFRP flexural and shear strengthening efficiencies of RC beams[J].Construction & Building Materials,2011,25(3):1419-1429.

[5] Zhang H,Smith S T.Fibre-reinforced polymer(FRP)-to-concrete joints anchored with FRP anchors:tests and experimental trends[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2013,40(11):1103-1116.

[6] Zidani B,Belakhdar K,Tounsi A,et al.Finite element analysis of initially damaged beams repaired with FRP plates[J].Composite Structures,2015(134):429-439.

[7] X.Z.Lu,J.G.Teng,L.P.Ye,et al.Bond-slip models for FRP sheets/plates bonded to concrete[J].Engineering Structures,2005(27):920-937.

[8] 陆新征,谭 壮,叶列平,等.FRP布—混凝土界面粘结性能的有限元分析[J].工程力学,2004,21(6):45-50.

[9] 赵羽习,金伟良.钢筋与混凝土粘结本构关系的试验研究[J].建筑结构学报,2002,23(1):32-37.

Study on carbon fiber reinforcing concrete frame beam damage mechanism on the basis of ANSYS

Wang Zhuoyue

(LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Through establishing ANSYS numerical model, the paper simulates stress and damage conditions of concrete frame beam with both-side fixed constraint under CFRP reinforcement. Through extracting steel strain, beam cracking load at various locations and medium-span deflection and other data, analyzes beam cracking and plastic damage process, and puts forward the impact of bonding different-story CFRP upon concrete frame ultimate bearing capacity and anti-deforming capacity.

concrete, carbon fiber material, numerical model, bearing capacity

1009-6825(2017)17-0055-03

2017-03-22

王卓越(1995- )，男，在读本科生

O241.82

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