預應力碳纖維片材在結構加固中的應用研究——以其對鋼筋混凝土梁力學性能的增強為例

何 令

（重慶市萬州區城建工程管理處，重慶萬州 404100）

1 引 言

碳纖維布已廣泛應用于結構加固，但簡單的粘貼碳纖維布的方法存在以下一些問題：1.不能充分利用碳纖維高強度的特性；2.對結構物承載力的提高不明顯；3.碳纖維布用量較大.若需對以上情況進行改善，可以考慮對碳纖維布采取施加預應力的方式進行.為了驗證預應力碳纖維布的增強效果，可以采用大型商業有限元軟件ANSYS/Civil進行數值仿真，研究預應力碳纖維布增強混凝土結構的力學性能.

2 材料及單元特性

2.1 混凝土

混凝土本構關系根據《混凝土結構設計規范》（GB50010）采用：

其中：fc為混凝土的抗壓強度；ε0=0.002，εu=0.0033.

混凝土采用Soild65單元，破壞準則采用William-Warnke五參數強度準則，屈服準則采用多線性隨動強化模型（MKIN）[1].

2.2 鋼筋

鋼筋采用Link8單元，雙線性隨動強化模型（BKIN），鋼筋的應力—應變關系采用線性本構關系（圖1）[1].

2.3 碳纖維布

碳纖維布采用Shell41單元，理想彈性材料，在預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁時，其預應力的施加利用了升溫法[2]（碳纖維布線膨脹系數為負）.預應力大小的確定應遵守以下原則：1.碳纖維布與界面的剪應力不應超過粘接劑的抗剪強度；2.被加固的鋼筋混凝土梁頂部不能出現開裂[3-4].

圖1 鋼筋應力—應變關系

圖2 碳纖維布應力—應變關系

3 有限元模型的建立

有限元模型采用建立全模型的形式，網格劃分采用映射方式，通過控制結構外形尺寸來控制單元的尺寸.結構整體模型和部分單元模型分別見圖3.由于碳纖維布的預應力施加采用的是升溫法，因此要對碳纖維布的板單元的兩個縱向長邊處施加DX位移約束，由此引起的應力變化為X方向的應力變化，在結果中應忽略.另外，由于 Shell41單元大變形只能支持三角形單元，因此，對碳纖維布的 Shell41的單元劃分采用三角形單元.其中Soild65單元共990個，Link8單元共390個，Shelll41單元共282個.

圖3 有限元模型

4 有限元分析結果

現將通過有限元程序分析獲得的模型梁的結果（荷載—撓度曲線、鋼筋應力、碳纖維應力等）匯總如下，并與試驗結果進行對比分析.

4.1 撓度

圖4為試驗梁跨中截面撓度歷程數值分析結果曲線.計算結果表明，在相同荷載作用下，增強RC梁的撓度均小于普通RC梁，施加預應力的碳纖維布增強RC梁的撓度更小.構件破壞時，未加固梁的撓度達到25mm，而未施加預應力的碳纖維布加固梁的撓度在10mm左右，施加了預應力的碳纖維布加固梁撓度在 8mm左右.因此，粘貼碳纖維布在一定程度上能夠提高混凝土構件的抗彎剛度，并且碳纖維布施加預應力后的提高程度更大.

圖4 荷載—撓度關系圖

表1 有限元和試驗結果比較

4.2 結構變形、裂縫圖

不同構件在破壞荷載下的撓度如圖5所示.計算結果表明，經碳纖維布加固后的梁在破壞荷載下的撓度會減小，并且預應力碳纖維布加固的梁撓度比沒有施加預應力碳纖維布加固的梁更小.其中，未加固梁破壞時的撓度為24.53mm，粘貼碳纖維布加固梁破壞時的撓度為 9.96mm，預應力碳纖維布加固梁破壞時的撓度為7.98mm.

圖5 不同構件在破壞荷載下的撓度圖

不同構件在破壞荷載下的裂縫如圖6所示.計算結果表明，經碳纖維布加固的梁不能夠提高開裂荷載，但是經過預應力碳纖維布加固的梁夠提高開裂荷載.其中，未加固梁的開裂荷載為9KN左右，粘貼碳纖維布加固梁的開裂荷載也為9KN左右，預應力碳纖維布加固梁的開裂荷載為21KN左右.

圖6 不同構件在破壞荷載下的裂縫圖

4.3 鋼筋應力狀態

不同構件在10KN、20KN、破壞荷載下鋼筋的應力如圖7-9計算結果表明，在相同荷載下經過碳纖維布加固的梁鋼筋應力比未加固梁小，并且經過預應力碳纖維布加固的梁能夠在受拉鋼筋中儲存一定得壓應力，對改善梁體受力有積極的影響.

圖7 10KN荷載下不同梁的鋼筋應力圖

圖8 20KN荷載下不同梁的鋼筋應力圖

圖9 破壞荷載下不同梁的鋼筋應力圖

4.4 碳纖維布的應力

粘貼碳纖維布與預應力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁在荷載相同情況下的應力狀態如圖10-12結果表明，預應力碳纖維布中儲存了一定得拉應力，相同荷載情況下預應力碳纖維布的應力值較高，為鋼筋混凝土梁承擔了更多的外部荷載.在破壞情況下，預應力碳纖維布并沒有達到抗拉強度值，說明采用預應力碳纖維加固鋼筋混凝土梁能提高碳纖維布強度利用率，達到節省材料的目的.

圖10 10KN時的碳纖維布應力圖

圖11 20KN時的碳纖維布應力圖

圖12 破壞時的碳纖維布應力圖

5 結 論

有限元模擬分析的結果表明，粘貼碳纖維布能夠明顯地提高增強RC梁的承載能力，碳纖維布施加預應力后提高程度更為明顯.粘貼碳纖維布能夠降低增強RC梁破壞時的撓度，碳纖維布施加預應力后增強RC梁的撓度更小.粘貼碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁不能明顯的減小開裂荷載，而預應力碳纖維布加固的鋼筋混凝土梁開裂荷載明顯提高.由此可見，粘貼碳纖維布對鋼筋混凝土梁受力有利，而采用預應力碳纖維布加固的方法能夠更好地改善鋼筋混凝土梁的受力，因而，這是一種更經濟、更科學的碳纖維布加固方法.

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