鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP的抗彎加固性能分析

劉堯遙

鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP的抗彎加固性能分析

劉堯遙

（吉林建筑大學城建學院 長春 130114）

本文通過有限元仿真對鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP進行抗彎承載力研究，主要分析CFRP加固混凝土結構后承載力的變化情況。通過結果可以發現，CFRP在加固鋼筋混凝土梁之后，不僅能提高鋼筋混凝土梁承載能力，還能夠有效延緩鋼筋混凝土梁表層裂縫開展，并且梁表面加固的層數越多，承載能力越高，但是加固一層的承載能力及經濟效益最為顯著。

CFRP加固；鋼筋混凝土梁；仿真分析

前言：

CFRP（碳纖維增強復合材料）具有高強度、輕質、施工簡便等優點，在工程加固中有著廣泛應用。現階段，在對鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP加固的抗彎承載能力試驗做了諸多研究，從數值層面對抗彎性能分析文獻數量十分有限。

1.計算采用的本構關系

1.1混凝土的本構關系

在對混凝土受壓應力分析研究中，主要通過鎮海建議公式進行計算，其本構關系表達式為：。在該本構關系表達式內，α為混凝土應力變化數值，在混凝土應力變化數值變化范圍為2到0.8。在對混凝土強度精確性判斷上，主要采取warnke5模型，在該模型內所應用的參數主要有兩個，分別為開裂與裂縫閉合截面剪切傳遞系數，根據我國建筑工程混凝土強度標準規定，開裂截面剪切傳遞系數為0.7，裂縫閉合截面剪切傳遞系數為0.9。

1.2鋼筋的本構關系

鋼筋本構關系由于受到混凝土本構關系的影響，鋼筋的應力應該小于應變。為保證有限元順利進行，減少不收斂情況的發生，將鋼筋簡化為雙折線的本構形式，鋼筋在進入塑性后，應力不變應變增加。

1.3碳纖維材料的本構關系

CFRP拉伸性能十分良好，能夠提高足夠的拉應力。碳纖維材料的本構關系

應該為：碳纖維材料應力在不斷提高之后，碳纖維應變也在不斷提高，主要為線性增長，當碳纖維材料受到的拉力超過極限拉應力，碳纖維就會出現拉斷情況[1]。

2.ANSYS計算分析

2.1分析模型和單元劃分

ANSYS在對鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP抗彎加固性能計算中，以簡支梁作為研究案例，通過構建三維實體單元有限元模型，按照鋼筋一般處理方法，將三維實體有限元模型分為整體式與分離式兩種。混凝土一共由8個階段與6個單元構成，通過Link8空間進行連接，在簡支梁地主底部通過shell41單元。模型內每一個單元都應用相同的節點，同時節點的位置能夠相互協調，這樣分離式模型一共劃分為984個單元。

2.2加載與邊界條件

實體模型在加載過程中，主要通過等效節點及分布落實的方式，實體模型在加載中需要混凝土節點的限制，同時還需要在簡支梁的支撐處添加一個鋼墊板，主要作用就是對約束力所產生的應力進行限制，防止支座周圍的混凝土突然之間出現破損情況。鋼板主要通過彈性模型進行連接，彈性模量為20gpa。

2.3有限元方程的求解

在對抗彎加固性能計算中，主要通過迭代法進行計算，計算結果存在一定容差數值，整個加載計算可以分為四個階段：首先，加載到開裂過程進行計算；其次，大量出現裂縫；再次，鋼筋出現變形；最后，梁出現較大變形。在對梁極限狀態判斷上，主要從兩種情況進行控制：首先，極限抗拉強度在超過碳纖維復合材料最強抗拉強度之后，會出現拉斷情況；其次，由于受到塑形變形因素的影響，梁產生變形，也就是在計算過程中出現迭代情況[2]。

3.實驗分析

3.1加固實驗

在加固實驗內，參考了《混凝土結構試驗方法標準》，對鋼筋混凝土梁的尺寸、配筋及加載形式進行確定，整個加固實驗一共分為三組，分別為不加固、一層加固及兩層加固，梁長統一為2m，，鋼筋混凝土跨度為1.9m。混凝土彈性模量E=3.0x105 MPa，鋼筋彈性模量為2.1x105MPa，CFRP彈性模量1.62x105MPa。

3.2理論計算分析

基本假定：在對CFRP加固鋼筋混凝土承載能力計算分析過程中，按照《混凝土結構設計規范》進行假定。與此同時，還需要滿足一定條件：首先，鋼筋混凝土在達到抗彎承載極限狀態下，碳纖維復合材料應拉應變通過應變三角形進行判斷，但是需要控制在碳纖維復合材料拉應變范圍之下；其次，在對二次應力考慮過程中，需要按照混凝土在加固狀態下的荷載，根據截面進行計算，對混凝土受拉區邊緣最為原始應變進行確定。

3.3ANSYS模擬分析結果

按照有關理論分析，對不加固、一層加固與兩層加固混凝土梁進行有限元分析之后可以發現，加固之后的鋼筋達到屈服應力或CFRP達到最大拉應力情況之后，整個計算才最終停止。

在對鋼筋應力及外力關系分析中，主要通過分離式模型進行研究，根據鋼筋應力及外力關系關系可以發現，鋼筋應力在不斷變化過程中，能夠充分體現出混凝土梁在不同受力狀態下所呈現出來的受力，進而在鋼筋屈服之后，能夠得到加固梁最大彎矩[3]。

4.ANSYS模擬結果與實驗值、理論值的對比分析

4.1破壞形式

在應用ANSYS模擬結果與實驗值、理論值分析研究之后能夠發現，一層加固梁與二層加固梁之所以出現破壞情況，主要受到CFRP拉斷影響，進而出現破壞情況。

4.2抗彎極限承載力

鋼筋混凝土抗彎極限承載力在計算過程中，計算數值與實驗數值之間存在一定差距。造成鋼筋混凝土抗彎極承載了計算數值與實驗數值存在偏差，主要是由于鋼筋混凝土材料自身存在離散性[4],同時并沒有考慮到嵌貼CFRP與混凝土間滑移的影響。

4.3彎矩-撓度關系曲線

在對鋼筋混凝土梁表層抗彎加固性能對比分析之后，ANSYS模擬分析結果與彎矩撓度曲線基本相同，進而能夠確定實驗結果十分精確。ANSYS模擬在對加固梁與未加固梁開裂彎矩計算過程中，加固梁與未加固梁開裂彎矩計算基本相同，開裂彎矩數值大約為5.50KN.m。所以，CFRP對提高鋼筋混凝土梁抗裂性能上面效果并不顯著，主要原因是由于CFRP較薄，在鋼筋混凝土受力較小變形不太顯著情況下，CFRP起不到有效抵抗開裂的加固作用。對ANSYS實驗數值分析能夠發現，CFRP在加固一層之后，鋼筋混凝土梁承載力顯著提高，但是CFRP在加固一層以上之后，雖然鋼筋混凝土梁承載力依舊提高，但是提高效果并不顯著，所以，CFRP加固一層，不僅能夠使混凝土梁承載力顯著提高，而且節約了材料的使用，降低了成本。

結論：

在對CFRP結構加固受力分析研究中，通過ANSYS模擬效果良好，能夠有效對鋼筋混凝土加固梁荷載特點、開裂及屈服進行近似計算，從而保證鋼筋混凝土實際數值與試驗結果相一致，達到理論分析的目的。通過有限元程序對碳纖維復合材料分析過程中，可以有效替代傳統試驗分析方法，能夠有效降低傳統試驗分析對人力物力投入，具有良好的應用效果。

[1]張智梅,張振波,黃海濤,張振凱,熊浩.表層嵌貼CFRP板加固RC梁的抗彎性能研究[J].上海大學學報(自然科學版),2017,:1-12.

[2]彭暉,張建仁,何賢鋒,蔣鑫.表層嵌貼預應力CFRP-strip加固鋼筋混凝土梁的受力性能研究[J].工程力學,2012,S1:79-85+91.

[3]洪一紅,李剛,閆有喜.表層嵌貼CFRP板條抗彎加固梁的有限元分析[J].浙江建筑,2015,05:13-16.

[4]何夕平,許前程,楊波,劉睿,羅宗禮.CFRP布加固鋼筋混凝土雙向板抗彎性能分析[J].天津城建大學學報,2014,01:1-7+23.

劉堯遙（1987.07---）助教，吉林長春，吉林建筑大學城建學院，長春市學建大路1111號，130114

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1007-6344（2017）03-0309-01