鋼筋混凝土梁CFRP加固的ANSYS數值模擬研究

1、第20卷第3期2011年6月淮陰工學院學報JournalofHuaiyinInstituteofTechnologyVol20No3Jun2011鋼筋混凝土梁CFRP加固的ANSYS數值模擬研究高永輝，唐照輝（商丘師范學院建筑與土木工程學院，河南商丘476000）摘要：采用ANSYS有限元程序，對碳纖維布加固的矩形截面鋼筋混凝土抗彎梁和未加固梁進行了非線性有限元數值模擬模擬結果表明：碳纖維加固梁的截面較好地符合平截面假定；與未加固梁相比較，碳纖維加固后的混凝土梁，正截面計算，承載力有較大的提高，裂縫間距和寬度變小，表明加固后梁的剛度有較好提高。關鍵詞：鋼筋混凝土梁；碳纖維布；CFRP加固；AN

2、SYS；數值模擬；承載力；斷裂中圖分類號：TU75文獻標識碼：A文章編號：10097961（2011）03004304ANSYSNumericalSimulationStudyofCFRPFlexuralStrengtheningforReinforcedConcreteBeamsGAOYonghui，TANGZhaohui（SchoolofArchitectureandCivilEngineering，ShangQiuTeachersCollege，ShangQiuHenan476000，China）Abstract：Thispapermakessimulatingcalculationof

3、nonlinearityfinitenumericalsimulationoftherectanglecutreinforcedconcreteanticurvedbeamreinforcedbycarbonfiberclothandthebeamwithoutreinforcementbyusingfinitemetaprogramANSYSTheresultshowsthatthecarbonfiberreinforcedbeamsectionmatchestheevensectioninabetterwayandthat，comparedwiththenonreinforcedbeam，

4、thecarbonfiberreinforcedbeamhasbetterbearingcapacityinthepositivesectionwithnarrowercrack，whichindicatesthatthestrengthofthereinforcedbeamhasbeengreatlyimprovedKeywords：reinforcedconcretebeams；CFRP；CFRPstrength；ANSYS；Numericalsimulation；stress；bearingcapacity；fracture0引言在工程建設項目中，由于設計、施工等諸多方1梁的設計選用的梁

5、為鋼筋混凝土矩形截面簡支梁（如面的原因，經常需要對建筑物進行維修與加固處理，其中建筑物中梁的加固最為常見。工程中常如：增大截面加固見梁的加固處理方式有很多種，增補受拉鋼筋加固法、粘鋼加固法、預應力加法、固法、外包鋼加固法、粘貼CFRP加固法以及噴射混凝土加固法等等。其中CFRP加固法有著高強、質輕、極好的耐腐蝕性和耐久性、維護費用較低以適用面廣，且加固后對結構外觀和使及施工便捷、故在施工中得到了廣用空間無顯著影響等優(yōu)點，泛的應用。圖1所示），截面尺寸為bh=100mm200mm，跨度為l=2200mm，凈跨為l0=2000mm。梁的縱筋為28，設計配筋率為059%，箍筋為6100（在剪跨區(qū)配筋

6、），架立筋為24。混凝土設計強度等級為C20，鋼筋為級鋼，鋼筋與混凝土的實測力學性能指標如表1所示。CFRP加固為底部一層加固，寬度為100mm。補強加固材料采用6K碳纖維布，其主要力學性能指標如表2所示。根據材料試驗發(fā)現，碳纖維布直至破壞，其應力、應變始終保持很好的線性關系，因而在分析計算中，碳纖維布按線彈性考慮。收稿日期：20110322作者簡介：高永輝（1983），男，河南商丘人，助教，主要從事土木工程應用研究。44淮陰工學院學報2011年圖1表1鋼筋規(guī)格68說明：fy（MPa）41063683fu（MPa）55794818梁的立面及配筋圖鋼筋及混凝土實測力學性能指標混凝土Es（MPa）

7、197105194105fcu（MPa）255fc（MPa）205Ec（MPa）288104f、fu、Es鋼筋的屈服強度、極限強度和彈性模量；fcu、fc、Ec混凝土的立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度和彈性模量。表2計算厚度（mm）0121抗拉強度（MPa）1800碳纖維布實測力學性能指標彈性模量（MPa）22105斷裂伸長率（%）14153密度（g/cm）17621梁的ANSYS有限元分析混凝土、鋼筋及碳纖維單元的選取變形、塑性等功能。SHELIAl是一個三維單元，平面內具有膜強度，但平面外沒有彎曲強度。這是殼體結構特有的，因為其單元彎曲是次要的。單元在每個節(jié)點y、z軸向的移動。有三個自由度：

8、沿節(jié)點x、SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實體模型。該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。本單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理。SOLID65可模擬混凝土在三維狀態(tài)下的開裂、壓碎（可以通過參數的設置來打開或關閉）、塑在整體模型中性變形（小變形或大變形）及徐變，還可模擬鋼筋的變形，包括鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變性能，可是不能模擬鋼筋的剪切性能。LINK8單元作為一個軸向可以拉壓的三維桿單元，其中每一個節(jié)點具有三個平動自由度：沿節(jié)y、z方向。LINK8單元本身不承受點坐標系的x、彎矩，其表現就像是在結構中鉸接情況一樣。LINK8單元具有大應變、應力剛化、膨脹、蠕變、大22計算模

9、型建立混凝土與鋼筋需作為不同的單元來處理，即混凝土與鋼筋各自被劃分為足夠小的單元，故采用分離式模型。不考慮鋼筋和混凝土之間的滑通過鋼筋和混凝土之間共用節(jié)點，來實現位移移，協(xié)調。對于混凝土單元，同時考慮開裂和壓碎，使荷載子步對用默認終止條件。在模擬的過程中，混凝土的收斂、計算時間的長短和結果的精度都迭代次數有影響。迭代次數對收斂的影響較大，多對收斂是有利的，但是迭代次數很大會增加計算時間。221網格劃分第3期高永輝，唐照輝：鋼筋混凝土梁CFRP加固的ANSYS數值模擬研究45應用有限元方法分析混凝土時，網格密度不必過細，單元尺寸以大于等于若干倍混凝土的最大骨料粒徑為最佳（一般為50mm左右）。2

10、22加載及邊界條件該模型采用集中力加載，兩端簡支。為了防止應力集中從而導致計算結果難以收斂，分別在模型的支座和加載這兩個地方加了一個剛性墊塊（采用SOLID45單元）。為了提高計算速度，利用結構的對稱性取用1/2模型進行分析，在對稱面上施加了對稱約束。模型建立如圖2所示。圖4應力云圖232加固梁由圖5可以看出，經碳纖維加固后的混凝土梁在純彎區(qū)段，裂縫發(fā)育飽和，在整個區(qū)段都有裂縫；在彎剪區(qū)段內出現了斜裂縫，這與鋼筋混凝土理論計算結果也是符合的。圖2ANSYS數值模型23231模擬分析比較未加固梁由圖3、圖4所示，施加均布荷載后，經理論計而通過給定的算得該梁跨中彎矩為5625KNM，混凝土及鋼筋算

11、得該梁可承受的荷載為5976KNM，該梁尚未破壞。由ANSYS模擬的結果可以看出，混凝土已經開裂。圖5碳纖維應力圖3結論本文在對碳纖維布加固混凝土梁的抗彎性能、裂縫的發(fā)展、撓度、剛度等方面進行了系統(tǒng)研究，主要得出以下幾方面結論：（1）碳纖維布加固混凝土梁可以有效地提高梁的剛度，加固后撓度和裂縫寬度有所減小，證明了碳纖維布約束著混凝土梁的裂縫和撓度的發(fā)展，間接地提高了剛度，可以看出，其加固效果是圖3Y軸方向變形分布圖非常明顯的。（2）通過本文ANSYS模擬研究，碳纖維布加加固梁的截面較好地符合了平截固混凝土梁時，面假定。46淮陰工學院學報2011年（3）ANSYS有限元數值模擬計算的結果與理論分析結果基本吻合，驗證了ANSYS作為非線性有限元分析軟件在模擬CFRP加固混凝土梁分析時的應用是可行的，說明可以利用ANSYS來模擬試驗研究，對實際工程也具有重要意義。碳纖維布加固混凝土結構，由于其有施工方便等優(yōu)點，已經得到較為廣泛的應用。2李圍ANSYS土木工程應用實例M北京：中國水