CFRP與鋼板加固RC梁滯回性能有限元分析研究

劉 勇,楊 霞

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 瀘州 646005)

粘CFRP(Carbon Fiber Reinforced Ploymer,簡(jiǎn)稱CFRP)法與粘鋼板法加固是目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固中運(yùn)用較為普遍的兩種加固方法,這兩種方法在加固機(jī)理、設(shè)計(jì)理念、施工方法都有很多相似的地方,大量研究表明:通過(guò)粘CFRP與粘鋼板可以顯著提高加固構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載能力[1-2],但是對(duì)于其加固之后的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能,目前還沒(méi)有進(jìn)行深入的探討和試驗(yàn),尤其是利用ANSYS軟件進(jìn)行低周反復(fù)荷載的模擬實(shí)驗(yàn),幾乎是空白。

1 有限元分析

1.1 CFRP加固RC梁的基本假定

在ANSYS分析中采用如下假定[3]:①CFRP布與混凝土及混凝土與鋼筋粘結(jié)良好,無(wú)相對(duì)滑移;②在受力過(guò)程中,CFRP布的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)原理;③梁在加固前后的抗剪承載力足夠。

1.2 材料的基本參數(shù)

材料參數(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,加固材料采用日本新石油(原日本石三菱)公司提供的碳纖維布,粘結(jié)劑是武漢武大巨成加固實(shí)業(yè)有限公司所提供的WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠,CFRP布厚0.111mm,梁上下表面滿貼。

表1 粘CFRP材料物理參數(shù)

1.3 鋼板加固RC梁的基本假定[4]

①梁受彎后,截面上的混凝土、鋼筋以及鋼板的應(yīng)變符合平截面假定;②鋼筋與混凝土充分粘結(jié),無(wú)相對(duì)滑移,變形協(xié)調(diào);③鋼板與被粘結(jié)鋼筋混凝土梁充分粘結(jié),無(wú)相對(duì)滑移,變形協(xié)調(diào),即忽略粘結(jié)膠的影響;④鋼筋為雙線性隨動(dòng)硬化材料,關(guān)掉混凝土壓碎選項(xiàng)(即令單軸抗壓強(qiáng)度Un CompSt=-1),裂縫張開(kāi)傳遞系數(shù)為0.35,裂縫閉合傳遞系數(shù)為1;⑤接觸單元實(shí)常數(shù)采用默認(rèn)值,調(diào)整初始接觸條件來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面和接觸面之間可能發(fā)生過(guò)大的初始滲透。

1.4 材料的基本參數(shù)(見(jiàn)表2)

表2 粘鋼材料物理參數(shù)

2 CFRP與鋼板加固RC梁的有限元模型建立

本文模擬試驗(yàn)加固鋼筋混凝土梁長(zhǎng)L=3000mm,寬 b=200mm,高 h=300mm,如圖 1所示。其中縱向受拉鋼筋和受壓鋼筋均為2根直徑16mm的Ⅱ級(jí)螺紋鋼,混凝土保護(hù)層厚度為35mm,箍筋在整個(gè)梁段上為Φ 8@150,分別滿足規(guī)范[5]給出的最小配筋率和配箍率,保證了鋼筋混凝土梁在加固前是適筋梁。采取CFRP加固時(shí),上下各粘貼一層,寬度與梁同寬,長(zhǎng)度2700mm;采用粘貼鋼板加固時(shí),同樣采取上下對(duì)稱粘貼,其中,鋼板厚5mm,寬度110mm,長(zhǎng)度=2700mm。C25混凝土彈性模量為2.80×104MPa,軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78MPa,各種材料特性參數(shù)如表1所示。

圖1 CFRP加固鋼筋混凝土梁基本模型

2.1 CFRP加固RC梁?jiǎn)卧愋?/h3>

混凝土用SOLID65單元來(lái)模擬。ANSYS中的SOLID65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開(kāi)發(fā)的單元。鋼筋用LINK 8單元來(lái)模擬。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?該單元具有2個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度:即沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y、z方向的平動(dòng)。碳纖維布用SHELL41單元來(lái)模擬。該單元為4節(jié)點(diǎn)膜單元,它是一個(gè)三維單元,平面內(nèi)具有膜強(qiáng)度但平面外沒(méi)有彎曲強(qiáng)度。這是殼體結(jié)構(gòu)特有的,因?yàn)槠鋯卧獜澢谴我摹卧诿總€(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度:即沿節(jié)點(diǎn) x、y、z軸向的移動(dòng)。

2.2 CFRP加固RC梁有限元模型

在本文的有限元模型中鋼筋與混凝土采用分離式模型,認(rèn)為鋼筋與混凝土之間有可靠的粘結(jié),不發(fā)生相對(duì)滑移。忽略碳纖維布與混凝土梁之間的滑移,故二者共用節(jié)點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)荷載均對(duì)稱,故取二分之一梁建立有限元模型。在支座位置施加位移約束,在跨中截面施加對(duì)稱面約束,在整個(gè)梁體三分點(diǎn)處施加荷載,有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 CFRP加固RC梁的有限元模型

2.3 鋼板加固RC梁的有限元模型

對(duì)粘鋼加固鋼筋混凝土梁采用分離式建模[6],把鋼筋和混凝土采用不同的單元來(lái)處理,即混凝土和鋼筋各自被劃分為足夠小的單元,二者的剛度矩陣分開(kāi)求解。用SOLID65單元和PIPE20分別模擬混凝土和鋼筋的粘結(jié)作用,混凝土與鋼板之間采用面接觸單元,即TARGE170和CONTAC174單元,如圖3所示。

圖3 粘鋼加固RC梁的有限元模型

3 CFRP與鋼板加固RC梁的滯回曲線及結(jié)果分析

3.1 滯回分析的部分命令流

nlgeom,off !在靜態(tài)或完全瞬態(tài)中是否包含大變形

pred,off !在非線性分析中激活一個(gè)預(yù)測(cè)器

nropt,full,,on !在靜態(tài)或完全瞬態(tài)分析中,指定Newton-Raphson選項(xiàng)

lnsrch,on !激活一個(gè)線性搜索與Newton-Raphson一起使用

sstif,on !在非線性分析中,是否激活應(yīng)力剛度效應(yīng)

NSUBST,50,1000,5 !指定荷載步中所需子步數(shù)

cnvtol,u,,0.03,0 !為非線性分析指定收斂值

autots,off !指定是否使用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)跟蹤或荷載

rescontrl,,all,1,1 !輸出子步

OUTRES,nsol,all !控制結(jié)果的輸出

圖4 CFRP加固RC梁的滯回曲線

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)2根加固梁模擬低周反復(fù)荷載分析,可以得到如圖4和圖5的滯回曲線圖形;從圖4中可以看到,采用CFRP加固的RC梁的滯回環(huán)非常細(xì)長(zhǎng),且捏弄現(xiàn)象明顯,耗能能力表現(xiàn)一般;同時(shí),在同樣位移的情況下,正向加載時(shí)其承載力大于反向加載值,原因是正向加載時(shí)梁的重力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響;從圖5中可以看到,采用粘貼鋼板的做法得到的滯回環(huán)明顯飽滿,幾乎沒(méi)有捏弄現(xiàn)象,有較好的耗能能力;同樣,梁的重力對(duì)上下加載所得到的承載力峰值也有影響,即正向加載時(shí)偏大,反向加載時(shí)偏小。

圖5 粘鋼加固RC梁的滯回曲線

4 結(jié)論與建議

通過(guò)分析采用CFRP和鋼板加固RC梁的滯回曲線,可以得出加固之后梁的抗震性能的情況,第一、采用鋼板加固比CFRP加固的RC梁的滯回環(huán)明顯飽滿,說(shuō)明粘鋼加固的抗震性能優(yōu)于CFRP加固的情形;第二、采用粘鋼加固的梁較CFRP加固的梁具有更大的剛度和耗能面積;為了使試驗(yàn)結(jié)果更近精確,接近實(shí)際,首先,在用ANSYS模擬低周反復(fù)加載時(shí),梁的自重的大小對(duì)承載力的影響必須考慮進(jìn)去,并且在正向加載時(shí)對(duì)外荷載予以減小,反向加載時(shí)予以增加;其次,為保證CFRP加固梁在求解時(shí)能正常收斂,應(yīng)該設(shè)置合理的子步長(zhǎng),因?yàn)榛炷恋姆蔷€性分析中子步設(shè)置太大或太小都不能達(dá)到正常收斂[7];最后,為防治粘鋼加固梁鋼板在端部發(fā)生剝離破壞,影響試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置膨脹螺栓或箍板等措施進(jìn)行錨固。

[1]李文勝,王德玲.CFRP加固鋼筋混凝土梁的非線性有限元仿真分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,4(4):114-116.

[2]梁叢中,李思明.鋼筋混凝土梁粘鋼加固的抗震性能研究[J].遼寧高職學(xué)報(bào),1999,2(1):52-55.

[3]范毅.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土受彎構(gòu)件研究[D].上海:華東交通大學(xué),2005.

[4]鐘 偉,耿紀(jì)恩,黃慧峰.基于ANSYS的粘鋼加固鋼筋混凝土梁的應(yīng)力分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(1):124-126.

[5]GB50010—2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[6]李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

[7]郝文化,裕 明.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.