cfrp布加固混凝土梁非線性分析

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1、CFRP布加固混凝土梁非線性有限元分析苗巍薛振環(huán)劉霞摘要應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)碳纖維布(CFRP)加固混凝土梁受彎性能進(jìn)行非線性有限元分析研究，分析中考慮了碳纖維布（CFRP）與混凝土的粘結(jié)滑移的影響，給出有關(guān)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的建議。關(guān)鍵詞碳纖維加固(CFRP)混凝土梁非線性分析1.引言碳纖維增強(qiáng)塑料CFRP布（CarbonFiberReinforcedPlastics）是一種性能優(yōu)良的加固材料，它具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞、便于施工、操作等優(yōu)點(diǎn)，目前CFRP布已廣泛應(yīng)用與多種結(jié)構(gòu)的抗震加固工程中，并取得了良好的效果[1]。然而在C

2、FRP布加固運(yùn)用過(guò)程中存在CFRP布不能被充分合理地利用及使用階段加固效果不明顯，對(duì)開(kāi)裂荷載和屈服荷載提高程度不大等問(wèn)題，目前,碳纖維布加固混凝土構(gòu)件方法大多基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式,已有的理論分析一般按線彈性理論進(jìn)行,結(jié)果較為粗糙,利用非線性有限元方法對(duì)碳纖維布加固混凝土構(gòu)件進(jìn)行分析,不僅能夠求出結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形發(fā)展的全過(guò)程,而且能夠描述裂縫的形成和擴(kuò)展,以及結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程及其形態(tài)，在一定程度上可以替代試驗(yàn)，從而節(jié)約大量試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。本文采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)非預(yù)應(yīng)力CFRP布加固加固混凝土梁進(jìn)行彈塑性分析。2.模型概

3、況1.1基本假定1）考慮到鋼筋與混凝土界面之間的粘結(jié)性能對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能的影響不大,故本文假設(shè)鋼筋與混凝土之間無(wú)相對(duì)滑移。2）梁在加固前后的抗剪承載力足夠。1.2材料和模型參數(shù)本文對(duì)寬、高和長(zhǎng)分別為160mm、320mm、2400mm混凝土梁用0.167mm厚的CFRP布按不同的方案進(jìn)行加固?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C20，具體配筋見(jiàn)圖1，加固材料采用0.167mm厚碳纖維布，梁底滿(mǎn)貼。各種材料參數(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)如表1圖1碳纖維加固梁表1材料參數(shù)材料名稱(chēng)泊松比彈性模量/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa混凝土0.2255001.1

4、9.6主筋0.3210000210—碳纖維布0.172063003600—3.有限元模型的建立3.1單元的選取混凝土模型采用ANSYS材料庫(kù)中的三維鋼筋混凝土實(shí)體單元SOLID65來(lái)模擬。SOLID65單元最為重要的方面在于其對(duì)材料非線性的處理,其可模擬混凝土的開(kāi)裂、壓碎、塑性變形及徐變,鋼筋具有拉伸和壓縮功能向的拉壓?jiǎn)卧?每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)x、y、z方向的平動(dòng)。就像在鉸接結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)一樣,該單元不承受彎矩。該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變功能。碳纖維布用采用膜單元Shell41，該單元是一種空間膜

5、單元，可以較好地模擬碳纖維單向受力的性能。用非線性彈簧單元COMBIN39單元來(lái)模擬混凝土與CFRP之間的粘結(jié)—滑移關(guān)系。COMBIN39單元是一種具有非線性f-d性能的單向受力單元。該單元在1-D,2-D或3-D應(yīng)用中具有縱向和扭轉(zhuǎn)的能力。3.2本構(gòu)關(guān)系1）鋼筋材料模型采用線彈性模型(Linearelastic)和雙線性彈塑性材料模型（BKIN），極限拉應(yīng)變?nèi)?.01。2）混凝土模型考慮受拉開(kāi)裂，受壓本構(gòu)關(guān)系采用不帶下降段的多折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型來(lái)定義，其本構(gòu)關(guān)系的具體數(shù)學(xué)模型按現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)GB50010建議的公式，上升段為二次拋

6、物線，之后為一水平的直線段。3）碳纖維布的本構(gòu)關(guān)系為線彈性，即：σ=Eε。3.3CFRP與混凝土之間粘結(jié)層的粘結(jié)滑移關(guān)系在有限元分析中，為模擬粘結(jié)滑移現(xiàn)象，常采用雙彈簧聯(lián)結(jié)單元，它是一組互相垂直的彈簧，可以分別傳遞兩點(diǎn)之間的法向力和剪力。這種聯(lián)結(jié)單元具有非線性剛度，但是沒(méi)有實(shí)際幾何尺寸。在ANSYS中，在混凝土和碳纖維單元重合的節(jié)點(diǎn)上，縱向切向和法向分別布置COMBIN39單元，在橫向切向上則把兩者的自由度耦合起來(lái)。在COMBIN39單元的實(shí)常數(shù)一項(xiàng)需輸入f-d曲線（節(jié)點(diǎn)力—偏移關(guān)系）。本文采用文獻(xiàn)[2]中所述的雙線性軟化模型，如圖

7、2所示，其中δ是混凝土底面和CFRP之間的相對(duì)滑移，τf是界面剪切強(qiáng)度，Gf是圖2曲線所圍面積，代表單位面積的粘結(jié)單元?jiǎng)冸x所需要的能量。δ1和δ2分別為相應(yīng)于剪切強(qiáng)度和剝離破壞的相對(duì)滑移。圖2CFRP與混凝土粘結(jié)—滑移關(guān)系雙線性軟化模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為達(dá)到界面剪切強(qiáng)度τf或臨界滑移位移δ1前，應(yīng)力滑移曲線為線性變化。其后隨相對(duì)滑移的增加而線性減小直至為零。該模型考慮了界面的軟化行為，認(rèn)為一旦達(dá)到界面的剪切強(qiáng)度τf粘結(jié)界面開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫；直至剪應(yīng)力完全降為零，稱(chēng)為宏觀裂縫或完全剝離破壞。3.4SOLID65單元參數(shù)選取SOLID65單元

8、可以計(jì)算開(kāi)裂和壓碎，考慮到收斂性，計(jì)算時(shí)關(guān)閉混凝土壓碎功能，混凝土破壞準(zhǔn)則采用William2Warnke5參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，其中混凝土開(kāi)裂裂縫剪力傳遞系數(shù)和閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)分別取0.5和1.0.網(wǎng)格劃分時(shí)確?；炷僚c鋼筋、混凝土與碳