粘贴不同层数CFRP加固梁受力性能有限元分析.pdf

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1、第39卷第8期西南师范大学学报(自然科学版)2014年8月Vo1．39No．8JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Aug．2014粘贴不同层数CFRP加固梁受力性能有限元分析①吴维彬，赵朝华，吴育後重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074摘要：碳纤维增强聚合物(CFRP)加固技术日趋成熟，但加固钢筋混凝土梁所需CFRP的层数却常以经验确定，导致cFRP粘贴层数偏多，趋于保守，造成浪费．以实测材料参数为依据，通过ANSYS有限元模型，计算粘贴不同层数CFRP后梁的受力性能，找到最佳粘

2、贴层数，为工程实践提供参考．计算结果表明，粘贴CFRP的梁承载力及变形性能大幅提高，通过分析，提出两点主要影响因素及其可能导致的结果，并推测了试验裂缝的分布模式及发展状态．关键词：CFRP；钢筋混凝土梁；层数；有限元模拟；承载力；变形性能；裂缝中图分类号：U445．72文献标志码：A文章编号：1000—5471(2014)8—0090—05CFRP始于20世纪中叶，是碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer／Plastic)的缩写．CFRP加固技术经过最近几十年的发展研究，现已广泛应用于工程、军事、航空、体育用品及赛车等领域．在现代工

3、程中，常采用CFRP加固、维修结构．CFRP加固研究主要集中于抗弯加固[1-3]、抗剪加固l4及抗震加固等几个大的方面，针对配筋率、剪跨比及加固方式[4。。等的研究也取得了一定的研究成果．CFRP加固还有许多细节问题研究，例如加固界面缺陷、浮浆、处理彻底性等，粘接剂的质量、力学性能、涂抹的均匀程度，粘贴CFRP的层数等．在众多的细节研究中，作者针对粘贴CFRP的层数对混凝土梁受力性能的影响采用有限元方法进行数值模拟分析[1，提出粘贴CFRP的最佳层数，为实际工程提供参考，避免不必要的浪费．1有限元模型1．1钢筋混凝土梁的设计为使计算结果具有一定的现实意义，本文有限元分析

4、采用的受弯钢筋混凝土矩形梁均按实验可行尺寸设计．梁全长1000mm，计算跨径为900mm．梁的受力主筋采用01o光圆钢筋，架立钢筋及箍筋分别采用8和06钢筋．梁的配筋率、箍筋间距等构造要求严格按照《混凝土结构设计规范(GB50010～2010)》[12设置．梁的具体尺寸如图1所示；梁的组数及粘贴CFRP层数和对应编号具体参见表1．0n!竺==!!==!==!==_———————————1]圆fLZ————————————————一900(a)截面图(b)立面图图1钢筋混凝土梁尺寸及配筋图①收稿日期：2014—01—12作者简介：吴维彬(1988一)，男，四川邛崃人，硕士

5、研究生，主要从事路桥设计及桥梁加固等方面的研究第8期吴维彬，等：粘贴不同层数CFRP加固梁受力性能有限元分析91表1矩形梁分组矩形梁编号粘贴CFRP层数矩形梁编号粘贴CFRP层数1O43215432651．2计算参数的选取本文有限元计算所采用的参数均源于试验实测值，混凝土、钢筋及纤维布的实测物理力学性能参数分别列于表2一表4．表2混凝土强度指标1．3有限元模型的基本假设及建立本文采用ANSYS大型通用有限元软件建立三维实体模型，计算采用以下几点基本假设：1)假定钢筋与混凝土在整个受力过程中，变形协调；2)假定钢筋在混凝土梁开裂后不发生与混凝土的相对滑移；3)假定CFRP

6、与混凝土粘贴良好，}昆凝土与CFRP界面不发生剥离；4)假定钢筋混凝土梁失效的条件是计算应力超过阈值或最终迭代发散；在上述基础假设的前提下，本文在ANSYS有限元分析中采用solid65单元模拟混凝土，该单元在模拟混凝土方面具有强大的功能，能较好地模拟混凝土的开裂、压碎等功能．钢筋采用link8模拟，钢筋混凝土梁采用分离式模型模拟，该方法能更真实地计算混凝土与钢筋之间的关系，能反映钢筋的受力变化．其中混凝土的本构关系采用MISO模型，钢筋的本构关系采用双线性BISO模型．ANSYS建模中混凝土采用的3D实体单元，单元划分时应充分考虑计算结果的精度，同时兼顾计算收敛性及计

7、算时间的长短．通常混凝土梁单元的划分尺寸在5cm左右．一般情况下，全长1～5m的梁划分单元后其单元个数在10009000左右．单元划分越细、数量越大，计算精度越高，但计算时间越长．单元尺寸过小、划分不规则可能导致收敛困难，但可通过步长设置、关闭压碎值等计算技术手段改善收敛性．ANSYS有限元软件由于计算的特点，通常将梁、支座及加载点垫片一并建立模型，并划分网格，以保证计算过程的完整性、真实性，避免因局部应力集中而导致模型计算过程中局部点应力超限而提前判断梁破坏，致使计算终止、模型不收敛或得到不真实的计算结果．CFRP粘贴在梁底，模型中CF