預加載對AFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響

黃曉蘭

(四川職業技術學院，四川 遂寧 629000)

目前，大多數混凝土結構加固研究都是在零預加載情況下進行的，而實際工程中，混凝土構件都是承受了一定的荷載，故試驗和實際存在一定的差異。為了更好的接近實際，本文考慮二次受力即預加載的影響，利用ANSYS10.0有限元分析軟件，以文獻［1］試驗為基礎建立有限元仿真模型，研究AFRP加固梁的抗彎性能。

1 基本假定及本構關系

1.1 基本假定

(1)加固梁必須符合平截面假定。

(2)混凝土各向同性，開裂后不考慮受拉區混凝土的作用。

(3)混凝土和鋼筋，混凝土和AFRP粘結牢固，不發生相對滑移，變形協調一致。重合界面采用耦合約束或共用結點進行傳力。

(4)忽略粘結層的影響，不考慮結構的剝離破壞。

1.2 本構關系

1.2.1 混凝土

混凝土本文考慮美國Hognestand建議的應力－應變關系式［2］:

圖1 混凝土應力－應變曲線

應力－應變試驗曲線如圖1所示。

1.2.2 鋼筋和剛性墊塊

本文采用圖2作為鋼筋和剛性墊塊的應力－應變關系曲線圖［2］。

圖2 鋼筋應力－應變曲線

1.2.3 FRP復合材料、纖維及樹脂

FRP復合材料是一種各向異性材料，對于它們的本構關系很復雜，目前尚無比較成熟的研究，在本文中，假定它們為各向同性的線性材料，其應力－應變關系［3］見圖3所示。

圖3 FRP應力－應變曲線

2 有限元模型

2.1 模型參數及對比方案

有限元模型梁承受對稱集中荷載，兩端簡支;梁長1400 mm，截面尺寸120 mm×200 mm，墊塊尺寸40 mm×33 mm×20 mm，縱筋采用螺紋鋼筋，箍筋采用光圓鋼筋，保護層厚度30 mm，混凝土強度 C30，FRP長1200 mm，厚0.182 mm，粘貼在梁底進行加固。具體如圖4所示:

圖4 簡支梁模型

有限元模型中各單元材料參數如表1所示:

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本文建立了5根有限元模型梁，對其中3根梁施加了不同程度的預加載，分別為未加固梁極限荷載的40%、60%、80%。如表2所示。

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2.2 單元選取及劃分

混凝土選用SOLID65單元，采用六面體八結點進行映射網格劃分;鋼筋選用LINK8單元，由于鋼筋截面面積遠遠小于混凝土面積，故單元劃分時采用線單元;墊塊選取SOLID45單元，AFRP選取SHELL41單元，兩者都采用六面體八結點單元進行劃分。

2.3 生死單元

本文對預加載的模擬采用生死單元法則，在ANSYS中，單元的生死功能是通過修改單元剛度的方式實現的。為了達到讓單元死掉的效果，ANSYS程序并不是真正去掉“死”的單元，而是通過給單元剛度乘以一個很小的系數，此系數系統默認為1.0E－6，而且可以通過ESTIF進行修改。在計算之前，先“Kill”AFRP單元，等荷載施加到達預加載程度時，激活AFRP單元，加固開始，然后進行下一步計算分析。

3 有限元計算結果

3.1 與試驗結果的比較

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如表3所示，梁的撓度誤差偏大，極限荷載偏差不是很大，這是由于有限元模擬過程中假設了鋼筋與混凝土，FRP與混凝土界面不發生滑移，保持一致，加載初期，有限元模擬結果和實際試驗結果還是一致的，但是鋼筋屈服后，有限元模擬梁和實際試驗梁的延性出現了偏差，以致撓度值出現跳躍，和實際試驗結果造成了一定誤差。故總體上來說有限元模擬結果和實體試驗結果是基本吻合的。

3.2 結果分析

3.2.1 主要仿真試驗結果

各仿真梁的極限荷載和最大撓度的主要試驗結果列于表4。可以看出，極限承載力方面B－2、B－3、B－4以及B－5梁相對于B－1梁極限荷載明顯的增加，但提高程度不同。在相同加固方式下，B－2的極限承載力提高程度最大56.25%，B－5最小 12.50%，B－3、B－4居中分別為37.50%和18.75%。零預加載情況下，加固效果比較明顯，隨著預加載程度的提高，加固效果越來越不理想，特別是B－5其極限承載力只是略微的提高6 kN，與B－2的提高程度相差40%之多。試驗結果表明，在二次受力情況下，AFRP相對于鋼筋產生了不同的滯后應變，預加載越大，滯后應變越大，AFPR在共同抗拉受力中起的作用就越小，承載力提高也越小，故加固效果也越不明顯。對于最大撓度，B－2、B－3、B－4以及B－5梁相對于B－1梁都有所下降，各自的提高程度分別為20.19%、35.50%、33.77%、31.75%;對于預加載的三根梁，其提高程度相差無幾，非常接近，故由此表明，相同加固條件下，預加載程度的大小對梁的變形影響不大。

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3.2.2 荷載－撓度曲線

各仿真梁的荷載－撓度關系曲線如圖5所示，與B－1梁相比，其他四根梁的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有提高，最大撓度都略有降低。圖中B－3、B－4、B－5梁曲線在B－1和B－2梁曲線之間，說明預先施加了一定荷載再進行加固，最后加固梁得到的極限承載力小于預先未施加荷載的加固梁，而上述3根梁施加了不同的預加載，圖中三條曲線從上到下依次排列為梁B－3、B－4、B－5。由此可以得出，隨著預加載程度的增加，相同加固方式得到的加固效果反而越不明顯;從圖中還可以看出B－3、B－4及B－5梁的最大撓度相差不大，它們和B－1、B－2梁的最大撓度有一定的差距，由此可以得出預加載會對加固梁的變形產生一定的作用，但預加載程度大小對加固的梁變形無多大影響。

圖5 荷載－撓度曲線

4 結論

(1)有限元計算得到的結果和實體試驗結果基本吻合。有限元軟件能準確的模擬梁的受彎經過以及應力應變的關系，其分析是可行的。

(2)相比一次受力，二次受力對加固梁的極限荷載、撓度值影響比較大。預加載的存在，對加固效果有著明顯的影響。

(3)AFRP的滯后應變對鋼筋混凝土梁在二次受力下的加固效果起著決定性的作用。相同條件下，預加載程度越大，AFRP的滯后應變越大，極限承載力提高就越小。

［1］魏凝.芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究與理論分析［D］.西安理工大學，2006

［2］張譽.混凝土結構基本原理［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000

［3］王文煒.FRP加固混凝土結構技術及應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007

［4］徐蕓，徐德新，潘芬芬.碳纖維板加固梁一次受力和二次受力的試驗研究［G］∥第二屆全國土木工程用纖維增強復合材料(FRP)應用技術論文集.清華大學出版社，2002:329－332

［5］葉列平，崔衛，胡孔國，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土板二次受力試驗研究［G］∥中國首屆纖維增強塑料(FRP)混凝土結構學術交流會論文集，2000:83－91