淺談碳纖維材料加固框架柱的作用

張　瑋　裴利劍　金　晶　把石倉

[摘要]近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼材已成為建筑材料發(fā)展的趨勢之一。通過ANSYS有限元分析的方法，對碳纖維材料加固框架柱的作用進(jìn)行簡單的分析。通過分析，得知當(dāng)結(jié)構(gòu)受到瞬時(shí)地震作用時(shí)，采用碳纖維材料對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固，可以提高構(gòu)件吸收地震力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性性能。

[關(guān)鍵詞]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 碳纖維 材料 加固 框架柱

中圖分類號：TQ16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720092－01

近年來，世界各國學(xué)者對采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡稱FRP）代替鋼材的外貼FRP片材（包括布和板）加固技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

FRP材料由連續(xù)纖維和樹脂基體復(fù)合而成，廣泛應(yīng)用于柱的外包加固技術(shù)。常用纖維種類包括碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維三種，常用樹脂有環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯酯樹脂。

一、碳纖維加固材料的性能

（一）碳纖維材料的特點(diǎn)。1．高強(qiáng)高效：由于碳纖維材料優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)過程中可以充分利用其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)來提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達(dá)到高效加固的目的。2．耐腐蝕性能及耐久性：碳纖維材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐腐蝕性及耐久性，解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問題。3．適用面廣：碳纖維布是一種柔性材料，且可以任意地裁剪，所以這種加固技術(shù)可廣泛地應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。

（二）加固用碳纖維材料的基本要求。碳纖維加固材料由碳纖維與基體組成，加固用碳纖維應(yīng)具有如下特性：1．高強(qiáng)度高模量，以提供有效的增強(qiáng)作用；2．單根纖維間強(qiáng)度變化小；3．在制造與處理過程中強(qiáng)度穩(wěn)定并保持不變；

基體應(yīng)保持如下功能：1．在使用壽命期內(nèi)，將纖維緊密粘結(jié)在一起，保證纖維表面不受損傷；2．纖維能夠均勻分散于基體中，能夠阻止與延緩裂縫的產(chǎn)生；3．依靠膠結(jié)力與摩擦力將應(yīng)力傳遞給纖維；4．纖維在化學(xué)性工藝與受熱性能上相容。

二、ANSYS有限元分析

（一）混凝土單元－Solid65。Solid65單元是專門為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元，它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋（或玻璃纖維、型鋼等），以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。它是在三維8節(jié)點(diǎn)等參元Solid45的基礎(chǔ)上，增加了針對混凝土的材性參數(shù)（強(qiáng)度準(zhǔn)則）和由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型。

（二）鋼筋單元－Link8。Link8單元是有著廣泛的工程應(yīng)用的桿單元，可以用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系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，本單元不承受彎矩，故鋼筋通常利用Link8單元進(jìn)行模擬。鋼筋為彈塑性材料，彈性階段E=2х105MPa，V=0.3，其塑性性能采用Von Mises模型，以初始單軸屈服應(yīng)力fy=355.4MPa

來確定。

（三）碳纖維布單元－Shell41。高強(qiáng)度、高模量是碳纖維最重要的特性之一。根據(jù)試驗(yàn)測定碳纖維布是脆性材料，沒有屈服強(qiáng)度，只有極限強(qiáng)度，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線彈性。

根據(jù)上面分析的特點(diǎn)，ANSYS中我們可采用Shell41單元。

在ANSYS中對Shell41模單元是這樣描述的：只能承受拉力，沒有彎曲、抗壓能力。材料各向異性，在垂直方向材料沒有強(qiáng)度，允許施加平面標(biāo)準(zhǔn)荷載。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有六個(gè)自由度，在X，Y，Z方向上的位移和繞三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（四）基本假定。在有限元分析中，對計(jì)算模型采用一些簡化有利于模型的計(jì)算，這些假設(shè)也是非常必要的。針對本算例，采用以下假設(shè)。

1．鋼筋與混凝土之間，碳纖維布與混凝土之間有足夠好的粘結(jié)，無相對滑移，變形協(xié)調(diào)，并由此而忽略粘結(jié)劑的影響。在對碳纖維布進(jìn)行有限元建模時(shí)，在不考慮粘結(jié)層情況下，對碳纖維布材料直接劃分單元，碳纖維單元節(jié)點(diǎn)與鋼筋混凝土柱單元節(jié)點(diǎn)在受力方向上耦合；2．CFRP材料加固混凝土柱受壓時(shí)，不考慮纖維布應(yīng)變滯后，采用截面應(yīng)變分布平截面假定；3．柱在達(dá)到受壓承載力極限狀態(tài)前，碳纖維布與混凝土之間不發(fā)生粘結(jié)、剝離破壞。

三、結(jié)論

根據(jù)已有的分析試驗(yàn)分析可知，采用碳纖維加固的框架柱剛度、強(qiáng)度都有一定提高，構(gòu)件剛度提高可以改善結(jié)構(gòu)的自振周期，從而提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形能力。根據(jù)以上有限元分析過程可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到瞬時(shí)地震作用時(shí)，采用碳纖維材料對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固，可以提高構(gòu)件吸收地震力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性性能。對于一般的框架結(jié)構(gòu)當(dāng)使用功能改變時(shí)，采用碳纖維布加固后，可以使正常框架具備一定的強(qiáng)度、延性儲備，從某種程度上來說是對原框架所作的一種安全儲備。

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