嵌入式預應力CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的有限元分析

廖妮

摘 要：應用ANSYS有限元分析軟件對嵌入式預應力CFRP筋加固鋼筋混凝土梁的受力性能進行了有限元分析，給出了相應的荷載—撓度曲線，并與試驗結果進行對比分析，以期促進嵌入式預應力CFRP加固技術的研究。

關鍵詞：預應力；CFRP筋；嵌入式加固法；有限元

引言

碳纖維復合材料（CFRP）因為其具有輕質高強、現場施工便利且加固受損構件時不影響建筑物凈空等特點，近年來逐漸被廣泛應用于混凝土結構加固當中。施加了預應力的CFRP加固技術可以在結構受荷前就發揮CFRP一定強度，有效利用CFRP的高強性能，避免浪費材料，同時抑制了構建的變形和裂縫的發展。目前，CFRP加固技術主要有表面粘貼和嵌入式兩種，表面粘貼技術是最廣泛的加固方式，無論是在設計還是施工方面都很成熟。而嵌入式加固技術是近幾年才提出的加固技術，國內外很少應用實際工況中。文章在試驗研究的基礎上，應用ANSYS分析軟件對施加了預應力的CFRP筋嵌入式加固梁的受力性能進行了有限元分析，給出了相應的荷載—撓度曲線，并與試驗結果進行了對比分析。

1 試驗研究

文章數值模擬比對的試驗是文獻[1]中所做的集中荷載作用下五種不同工況下鋼筋混凝土梁的破壞試驗。在集中荷載作用下觀測五根鋼筋混凝土梁。矩形梁的橫截面尺寸為200mm（寬）*400mm（高），凈跨為5m。梁澆筑經28天養護以后，在梁的受拉區沿著長度方向開深度是25mm，寬22mm的槽，梁被倒置以方便開槽。開槽之后需要將其清理干凈并晾干，實驗梁需要在室溫下放置至少7天。CFRP錨固好以后還需放置7天，環氧膠放入槽中四分之三。固定好的帶有CFRP的錨固端放入槽中，然后繼續填滿環氧膠，接下來開始對CFRP施加預應力。CFRP的彈性模量取124GP，極限抗拉強度取2068MP，極限應變取0.017。

2 有限元分析模型的建立

通過試驗對比發現，施加了預應力的CFRP筋加固梁后，梁的鋼筋和混凝土之間粘結錨固良好，梁上混凝土裂縫寬度小、間距小，為了提高計算精度且更接近于實際，文章采用了分離式的建模方法。而CFRP筋與混凝土之間由于預應力的作用，破壞時CFRP筋與混凝土之間粘結良好，未發現明顯剝離破壞，因此，CFRP筋與混凝土共用節點。

2.1 單元選擇及材料屬性

（1）混凝土SOLID65單元。ANSYS中三維實體SOLID65單元能夠有效的模擬混凝土材料的受力特征和破壞過程，除了不能模擬鋼筋的剪切性能以外，混凝土塑性變形、蠕變徐變、開裂、壓碎及鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形均能很好的模擬出來；（2）鋼筋和CFRP筋Link8單元。在ANSYS中鋼筋和CFRP筋都可以用LINK8單元來模擬LINK8單元只能承受桿軸向的拉壓，不能承受彎矩，結點只有平動自由度。

2.2 網格劃分及邊界條件

本模型根據受力特點，取一半模型進行計算，集中荷載采用等效均布荷載加載，對稱面上采用對稱荷載約束，支座截面約束Y方向位移和X方向位移，模型建立完畢后進行非線性求解。文章采用完全的牛頓—拉夫森迭代法進行求解分析，分析選項打開大變形開關和自動時間步長選項，荷載子步數定位100。

3 結果對比分析

在加載初期（混凝土開裂前）各試件梁的荷載—撓度曲線相差很小，試件的荷載—撓度曲線基本呈線性關系，此時CFRP筋的應變還較小，還未發揮明顯的作用，對抗裂作用貢獻也不大。混凝土開裂后，由于截面有效高度減小，其剛度隨之降低，荷載—撓度曲線斜率減小，撓度增長加快，在鋼筋屈服前，同一試件荷載—撓度曲線斜率雖然隨著裂縫的開展不斷下降，但變化不大，以彈性變形為主。嵌入式CFRP施加預應力能夠明顯提高梁的“裂縫—屈服—荷載”三階段的荷載，加固后的梁正常工作時梁的撓度也有了明顯的減小。

ANSYS有限元計算結構與試驗結果對比發現，兩者所得荷載—跨中撓度曲線在鋼筋屈服以前均吻合的很好，鋼筋屈服后有所差異，最大的模擬誤差為8.9%，而有限元計算梁的剛度高于試驗梁，使得計算的撓度值，有限元值偏小，撓度最大誤差為12.4%。

4 結束語

通過對ANSYS計算結果和試驗數據的對比分析，可以得出以下結論：

（1）鋼筋混凝土梁采用預應力 CFRP筋的方法進行加固，梁的受力狀態和撓度有個極大的改善，切實有效，大幅度提高了梁的安全儲備，改善了梁的安全性能；（2）加固后的梁撓度明顯減小，承載力提高，但梁的延性降低，特別是當初始預應力達到60%工況下，梁發生超筋破壞現象，設計當中應當避免，初始預應力不應過高，文章建議初始預應力為CFRP筋張拉力的40%為宜；（3）嵌入式的加固

方式使得CFRP筋和混凝土之間有效的結合在一起，減少了剝離破壞的可能，并且CFRP筋可以錨固在與梁連接的構件中，減少了錨固端的預應力損失；（4）采用文章的有限元建模，所得的荷載—撓度變化趨勢與試驗結果基本一致，特別是在鋼筋屈服前，兩者誤差很小；（5）預應力CFRP筋加固有效抑制了裂縫的開展，外荷載作用

下，先要抵消初始預應力，再由混凝土和鋼筋、CFRP筋系統共同受力，大大延緩了裂縫的出現時間，發展也緩慢，CFRP筋強度高，梁的變形撓度小，可以有效避免集中裂縫的出現，提高梁的極限承載能力。

參考文獻

[1]Raafa El-Hacha，Mohamed Gaafar.Flexural strengthening of reinforced concrete beams using prestressed，near-surface-mounted CFRP bars[J].2011.

[2]宋中南.我國混凝土結構加固修復業技術現狀與發展對策[J].混凝土，2002，156（10）.