碳纖維布在橋梁結構中抗裂性能數值模擬

諶菊紅

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

黏碳纖維（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，簡稱CFRP）法是目前結構加固補強常用的方法之一，由于CFRP具有材料輕質、耐腐蝕、片材很薄、抗拉強度高以及施工方便等許多優良的性能，因此非常適用于土木工程加固領域[1]。隨著有限元理論的日趨完善以及計算機技術水平的快速發展，采用有限元方法對碳纖維布加固鋼筋混凝土構件進行研究，已經成為橋梁領域研究的熱點[2]。國內外學者對該方向進行了很多ANSYS數值模擬分析，同時作為一種新的結構加固修復技術，其在工程中也廣泛應用[3]，并且使用有限元分析的方法能解決普通解析方法分析不了的復雜的碳纖維布加固鋼筋混凝土構件的問題。目前，工程領域能使用的有限元程序已經有數百種。該文簡要介紹使用MIDAS軟件分析CFRP加固后的鋼筋混凝土構件的影響以及建模時單元選取、網格劃分、加載等方面需要注意的一些事項。對不同加固層，不同纖維布布置位置在不同荷載作用下梁、板的應力狀況進行分析。

1 模型的建立

1.1 模型尺寸及材料特性

定性定量地分析在不同荷載作用下，相同鋼筋混凝土簡支梁試件在不同纖維布布置位置和不同層數時對鋼筋混凝土梁抗裂加固效果的影響。建模模型為矩形截面鋼筋混凝土簡支梁，長度為2000 mm，截面尺寸為120 mm×240 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃30，保護層厚度為30 mm，梁的受壓鋼筋為2根直徑8 mm的HPB33級鋼筋，受拉鋼筋為2根直徑12 mmHPB335級鋼筋。在梁段1/3點位置進行分級對稱的加載。模型尺寸、加載位置如圖1所示。

圖1 模型尺寸及加載位置（單位：mm）

為了將加固材料和構件連接為整體，一般通過樹脂膠將纖維布固定在鋼筋混凝土梁底，這樣既不會影響試驗構件的力學性能，又能達到黏接的效果。結構各材料鋼筋、混凝土、樹脂膠及碳纖維布的材料性能見表1。

表1 材料特性

1.2 加載方式及模型建立

利用有限元軟件MIDAS建模，建模時混凝土為實體單元，受拉受壓鋼筋為桿單元，膠層和纖維布為板單元[4]。在使用MIDAS軟件進行計算時，集中荷載是直接加載到節點上，由于加載點處和支座處的荷載較大，在局部很可能產生應力集中的現象，并且可能使應力集中部位的混凝土單元被壓碎，從而導致計算發散，影響分析結果。為了使集中力位置受力更合理，在建模時，在加載位置劃分加密網格，模型如圖2所示。

該文主要分析碳纖維布位置和碳纖維布層數在不同等級荷載作用下對模型的影響，分別建立了4種受力模型[5]。模型一：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底兩側，布置一層；模型二：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底兩側，布置兩層；模型三：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底中間，布置一層；模型一：碳纖維布沿梁長度方向布置在梁底中間，布置兩層。如圖3所示。

圖3 4種受力模型（單位：mm）

因此分析纖維布位置對構件的影響時，碳纖維布層數是定量，碳纖維布位置是變量，模型一和模型三為同一組對比量文中以第一組模型命名，模型二和模型四為同一組對比量文中以第二組模型命名；分析碳纖維布層數對構件的影響時，碳纖維布位置是定量，碳纖維布層數是變量，模型一和模型二為同一組對比量文中以第三組模型命名，模型三和模型四為同一組對比量文中以第四組模型命名。

2 計算結果分析

按照模型圖纖維布的布置方式，分別對4種模型模擬相同靜力荷載工況下不同的集中力進行分析，分析構件在20kN～180kN的分級荷載之間實體單元和纖維布的變化情況，分析結果見表2、表3。

表2 實體單元SIG-XX應力圖

表3 板單元SIG-XX上緣應力圖

從表1的數據中可以看出，隨著集中荷載增加，構件內鋼筋的拉應力也隨之增大，并且將4個模型構件和不加纖維布的模型構件進行比較，在相同荷載下混凝土內的鋼筋拉應力變化較小，這說明布置在混凝土底部的碳纖維布對構件內鋼筋的拉應力影響不顯著。從表2的數據中可以看出布置了碳纖維布后，梁底的拉應力增大，這說明碳纖維布確實有抵抗拉應力的作用，并且變化較大。

2.1 碳纖維布位置對混凝土梁應力的影響

為了進一步分析碳纖維布對混凝土抗裂性的影響，接下來對4組對比模型進行數據分析，并對分析結果進行闡述。

圖4為實體單元應力圖，顯示的是不同模型鋼筋應力變化，同組對比模型碳纖維布層數一致，布置位置不同，圖4（a）為原模型和加固一層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的實體單元X方向應力圖，圖4（b）為原模型和加固兩層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的實體單元X方向應力圖；圖5為板單元應力圖，顯示的是不同模型碳纖維布應力變化，同組對比模型碳纖維布層數一致，布置位置不同，圖5（a）為加固一層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的板單元X方向應力圖，圖5（b）為加固兩層碳纖維布，碳纖維布位置分別在兩邊和中間的板單元X方向應力圖。

從圖4可以看出，在相同的荷載強度下，碳纖維布無論布置在梁底兩側還是梁底中間，實體單元和板單元的應力變化都差不多，碳纖維布的位置對梁內鋼筋應力影響較??；從圖5中可以看出，在相同荷載強度下，碳纖維布布置在梁底兩側的實體單元和板單元產生的應力比碳纖維布布置在梁底中間產生的應力小，說明碳纖維布布置在梁底兩側的效果比布置在梁底中間要好。

圖4 實體單元應力圖

圖5 板單元應力圖

2.2 碳纖維布層數對混凝土梁應力的影響

圖6為實體單元應力圖，顯示的是不同模型鋼筋應力變化，同組對比模型碳纖維布位置一致，布置層數不同，圖6（a）為原模型和碳纖維布布置在梁底兩側，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布實體單元X方向應力圖，圖6（b）為原模型和碳纖維布布置在梁底中間，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布實體單元X方向應力圖；圖7為板單元應力圖，顯示的是不同模型碳纖維布應力變化，同組對比模型碳纖維布位置一致，布置層數不同，圖7（a）為碳纖維布布置在梁底兩側，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布板單元X方向應力圖，圖7（b）為碳纖維布布置在梁底中間，分別加固一層碳纖維布和加固兩層碳纖維布板單元X方向應力圖。

圖7 板單元應力圖

從圖6可以看出，在相同的荷載強度下，碳纖維布無論布置一層還是兩層，實體單元和板單元的應力變化都差不多，碳纖維布的數量對梁內鋼筋應力影響較小；從圖7中可以看出，當荷載強度相同時，碳纖維布布置一層的實體單元和板單元產生的應力比碳纖維布布置兩層產生的應力小，說明碳纖維布布置兩層效果比布置一層要好。

3 結論

該試驗的主要目的是研究碳纖維布加固的理想效果，所以模擬了簡支梁進行軟件分析試驗，如果需要將研究結果應用到橋梁及其他領域，就應該設計相應足尺試件來進行試驗，以確認碳纖維布的實際加固效果。

該文分別對4種模型進行數值模擬，在混凝土強度等級不變的情況下，在構件的三分之一點施加20 kN～180 kN的集中荷載，得到以下結論：1）碳纖維布加固可顯著提高混凝土梁的動力性能，減少混凝土應力，充分提高混凝土的抗壓強度，減少截面開裂的情況，能有效控制裂縫的發展。2）碳纖維布層數和布置位置與加固效果密切相關，梁的第一主應力隨著碳纖維層數的增加而減少，即抗裂效果比較顯著。纖維布布置在梁底兩側比布置在梁底中間抗裂效果好。