FRP 片材加固混凝土梁受力性能有限元分析

楊奔

（北海職業學院）

0 前言

我國經濟、社會在不斷發展，一些建筑隨著時間的飛逝在慢慢老化，變成了急需加固維修的危舊建筑。實踐表明，利用FRP 材料對危舊建筑進行加固是一種可行方案，而FRP 片材是常常用到的FRP 加固材料。常見的FRP 片材有FRP 布、FRP 薄板等。與FRP 棒材、FRP 格狀材等其它FRP 加固材料相比，FRP 片材具有方便粘貼于混凝土結構表面、在一定程度上能有效增強混凝土結構的抗彎強度等優點。FRP 布和FRP 板等FRP 片材常常用于加固混凝土梁、板結構。在實際過程中，采用有限元方法研究FRP 片材加固混凝土梁、板結構是一種可行的研究方法。本文以鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁為例，主要對FRP 片材加固鋼筋混凝土梁的受力性能進行有限元分析。

1 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

利用有限元軟件建立一個如圖1 所示的鋼筋混凝土梁的有限元模型，其中，鋼筋混凝土梁總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。為防止鋼筋混凝土梁發生局部受壓破壞，在支座和受力點處設置厚度為6mm 的鋼墊片。鋼筋混凝土梁的材料特性為：混凝土的抗壓強度fc為2.4×107N/m2，混凝土的抗拉強度ft為2.4×106N/m2；鋼筋的彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，鋼筋泊松比為0.3，鋼筋屈服強度fy為2.1×108N/m2；墊塊的彈性模量E墊為2.1×1012N/m2，墊塊泊松比為0.3。混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。鋼筋混凝土梁有限元模型如圖2 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁尺寸

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型

1.2 FRP 薄板的模擬

參照相關研究，FRP 薄板采用實體單元進行建模。FRP 薄板的材料屬性被設定為線彈性（Elastic），FRP 的彈性模量為237000MPa，泊松比為0.2。FRP 薄板的尺寸為長2000mm，寬110mm，厚10mm。

1.3 FRP- 混凝土界面的模擬

參照相關研究，鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型中，FRP 與混凝土之間的界面粘結單元采用非線性Spring2 單元進行模擬，所采用的非線性Spring2 單元的剛度K 取FRP-混凝土界面粘結-滑移關系曲線的一階導數：

1.4 荷載的施加及網格的劃分

鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型采用位移控制施加荷載。

進行鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型網格劃分時，網格單元形狀以四邊形為主，網格近似全局尺寸為10mm。

1.5 方案的對比與結果

本研究主要采用鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板與不貼FRP 薄板進行對比分析鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板對鋼筋混凝土梁受力性能的影響。

鋼筋混凝土梁有限元模型的損傷云圖如圖3 所示。

圖3 鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖

2 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

經過對鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板與不貼FRP 薄板時鋼筋混凝土梁受力性能進行對比分析，可以得出以下分析結果：

⑴鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板能在一定程度上增強鋼筋混凝土梁的抗彎性能等受力性能。

⑵鋼筋混凝土梁底的混凝土受拉導致出現彎曲裂縫，而彎曲裂縫在彎矩的作用下呈逐漸張開的趨勢，而跨越彎曲裂縫兩側的FRP 片材能一定程度上阻止彎曲裂縫的張開。

⑶在鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型加載過程中，剛開始加載時，在鋼筋混凝土梁底跨中附件，首先出現豎向裂縫；隨著荷載增加，陸續出現新的裂縫，直至裂縫基本出齊；繼續加大荷載，受FRP 薄板的影響，在一定時間內，梁底裂縫不再隨荷載增加而增加；當加載到一定程度后，梁底混凝土與FRP 薄板之間發生剝離，梁底裂縫迅速發展，直至梁承載力喪失。

3 結語

本文主要從FRP 片材加固混凝土梁有限元模型的建立、受力性能分析等方面，對FRP 片材加固混凝土梁受力性能進行了有限元分析，為相關人員提供一定的參考。