碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土构件的分析

第３４卷第５期　２　０　０　８年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＧＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ　ｒＵＲＥ　Ｖｏｉ　３４　Ｎ０．５　Ｆｅｂ　２００８　・９７・　文章编号：１００９—６８２５（２００８）０５—００９７—０２　碳纤维与钢板复合加固钢筋混凝土构件的分析　韩宇平　摘要：在碳纤维布加固钢筋混凝土矩形梁抗弯试验的基础上，应用有限元方法对其进行了力学性能分析，并与试验结　果进行了对比，结果表明，碳纤维布与钢板复合加固后，梁的屈服荷载和极限荷载均有所增长，特别是梁的极限荷载提高　效果显著。　关键词：钢筋混凝土梁，碳纤维布，钢板，复合加固　中图分类号：ＴＵ３７５　文献标识码：Ａ　粘贴碳纤维布加固法及外粘钢板加固法是目前常用的两种　ＣＦＲＰ布为理想的弹性材料，故其应力一应变关系取理想弹性。　加固方法，两者在改善结构性能方面各有优缺点：粘贴碳纤维布　１．４建模　加固法具有强度重量比高、耐热及耐腐蚀性强、适用范围广等优　混凝土单元——ＳＯｌｉｄ６５：在大型有限元软件ＡＮＳＹＳ中，专门　点，但对碳纤维布加固构件无论其最后的破坏形式如何，加固后　设置了Ｓｏｌｉｄ６５单元来模拟混凝土或钢筋混凝土构，Ｓｏｌｉｄ６５单元　梁截面的延性大幅度降低，且破坏时具有一定的突然性；外粘钢　是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开　板加固法加固性能良好，节约使用空间、施工简便且材料消耗小，　发的单元，可以综合考虑塑性和徐变引起的材料非线性、大位移　粘钢加固构件由加载至破坏过程中均可保持较好的延性。因此，　引起的几何非线性及材料的拉裂和压溃引起的非线性。Ｓｏｌｉｄ６５　如采用在受拉区粘贴碳纤维布而在受压区粘贴钢板复合加固方　单元有８个节点，每个节点都具有沿ｘ，ｙ，Ｚ　３个方向的自由度，　式可弥补单一材料加固方法的不足，一方面能满足构件承载力提　在三维等参单元Ｓｏｌｉｄ４５的基础上，￣１ｉｄ６５单元增加了针对混凝　高的要求，另一方面也可以解决对碳纤维布材料的锚固，改善被　土的材料参数和组合式钢筋模型。ＳＪｏｌｉｄ６５允许每个单元有４种　加固构件的延性，使施工过程更便捷。ＡＮＳＹＳ是２０世纪７０年代　不同属性的材料，包括主要材料（如混凝土）和不同的钢筋材料　＂ｒＪｕ考虑徐变和塑性十牛能之外，混凝土节　由ＡＮＳＹＳ公司开发的工程分析软件，现已广泛应用于土木工程、　（最多不超过３种）。除；机械工程、航空工程等领域，可以模拟分析结构稳定性、动力响　点允许产生压碎和裂缝。　应、疲劳；特定条件下材料非线性、几何非线性问题。通过ＡＮ—　钢筋单元——Ｌｉｎｋ８：钢筋足一种单轴刚度的材料，钢筋单元　ｎｋ８来模拟，它能够承受弯矩并　ＳＹＳ对碳纤维布与钢板复合加固钢筋混凝土简支梁进行模拟分　采用ＡＮＳＹＳ中的空间杆单元Ｌｉ且应力在杆单元内均匀分布。采用杆单元来模拟纵筋，即采用分　析，论证了复合加固对于混凝土受弯构件是有效的。　１有限元分析　１．１基本假定　在ＡＮＳＹＳ分析中采用如下假定：１）ＣＦＲＰ布及钢板与混凝　土，混凝土与钢筋粘结良好，无相对滑移；２）在受力过程中，ＣＦＲＰ　离式的有限元模　。【　ｉｎｋ８可用于很多种工程应用，该单元可以　用来模拟桁架、吊索、链、弹簧等。这种三维杆单元在每个节点具　有３个自由度，在ｘ，ｙ，ｚ方向上的转动，并且是单轴受压的。　在结构的连接点不考虑单元的弯曲，包括塑性、蠕变、膨胀、硬化　和大变形能力。　布的应变与钢筋，混凝土的应变满足变形协调原理；３）梁在加固　前后的抗剪承载力足够；４）混凝土按初始各向同性的弹塑性材料　考虑，开裂后按向异性计算，且假设为连续均匀材料。　碳纤维单元——ｓｈｅｌｌ４１：ＡＮＳＹＳ分析过程中用膜单元　Ｓｈｅｌｌ４１来模拟碳纤维，碳纤维布本身很薄，因此，可以选用没有抗　１．２试验梁的制备　弯刚度的Ｓｈｅｌｌ４１膜结构单元。Ｓｈｅｌｌ４１既具有弯曲能力又具有膜　力，可以承受平面内荷载和法向荷载。单元Ｓｈｅｌｌ４１只能承受抗　采用４根试验梁，每个梁都是１２０　ＩＴＩ１ＴＩ×２５０　ＩＴＩ１ＴＩ×２　５００　ＩＴＩ１ＴＩ，　拉能力，但没有弯曲、抗压能力。材料各向异性，在垂直方向材料　受拉纵筋２中１６，受压纵筋２￣６，箍筋　＠１００。其中Ｉ根是未经　没有强度（实际取为１／１０），允许施加平面和标准载荷。本单元每　加固的试验梁，其余２根全为加固梁，钢板与碳纤维的宽度与梁　个节点具有６个自由度：沿节点坐标系ｘ，ｙ，Ｚ方向的平动和沿　宽相同都为１２０　ｍｍ，长度与梁长相同均为２　５００　ｍｍ，钢板的厚度　节点坐标系Ｘ，ｙ，Ｚ轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑　与碳纤维的层数见表１。　表１　钢板的厚度与碳纤维的层数　混凝土强度　（２５　Ｃ２５　在其中。因为碳纤维布和混凝土之间通过树脂粘贴，具有良好的　粘结界面。因此，可以不必考虑二者之间的错动，让纤维布和混　凝土之间共用节点，位移协调。　钢板单元——ＳＯｌｉｄ４５：￣１ｉｄ４５单元用于构造■维实体结构。　２ＩＸＩＩＩ１　ＣＦＲＰ粘贴情况　一层　一层　钢板粘贴情况　Ｃ２５　二层　单元通过８个节点来定义，每个节点有３个沿着　，ｙ，ｚ方向平　移的自由度。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大　应变能力。　１．３本构关系　１）混凝土的本构关系按现行ＧＢ　５００１０—２００２混凝土结构设　计规范采用；２）钢筋按理想弹塑性考虑，其关系采用双直线，极限　２试验与有限元计算结果分析　由ＡＮＳＹＳ计算得到的荷载情况与试验得到的荷载情况如表　拉应变取为０．００３　３；钢板的应力一应变关系取类似于钢筋的完　全弹塑性；３）ＣＦＲＰ布的本构关系为线弹性，在本次分析中认为　２所示。Ｐ　０和Ｐｕ０分别为计算梁屈服荷载和极限荷载的试验结　收稿日期：２００７．１０　２４　作者简介：韩宇平（１９８１．），男，河北理工大学建筑工程学院硕士研究生，河北唐山０６３００９　维普资讯 http://www.cqvip.com ・９８・　第３４卷第５期　２　０　０　８年２月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＩＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３４　ＮＯ．５　Ｆｅｂ．　２００８　文章编号：１００９—６８２５（２００８）０５—００９８—０３　区域约束混凝土在梁上的应用　王　坤　王晓斌　罗霄溢　摘要：介绍了混凝土结构的优缺点，指出了对混凝土施加约束可以极大地改善混凝土的力学性能，研究了区域约束混　凝土梁的受力性能、极限承载力及抗弯承载力的计算，以推广区域约束混凝土的应用。　关键词：混凝土，箍筋，承载力，有效空间　中图分类号：ＴＵ３１２　文献标识码：Ａ　在｝昆凝土结构中，梁是主要的承重构件之一，梁在受力过程　２７根混凝土强度为６０　ＭＰａ～１２０　ＭＰａ的轴压柱作了试验，在不　中通常以受弯为主，由于　昆凝土一般情况下带裂缝工作，？昆凝土　同的约束情况下，得到最大为２０倍的极限变形及１５０％的强度；　受压，钢筋受拉，在适量配筋的情况下，其承载力取决于？昆凝土的　胡海涛等＿３　Ｊ在２６根Ｃ３０，０５０约束混凝土轴压短柱的基础上总结　抗压强度和极限压应变。梁中一般会设置箍筋，但梁中箍筋主要　出强约束条件下混凝土极限强度提高到１２０％，极限变形达到　起架立和抗剪作用，并没有考虑它的约束作用对结构的影响。在　０．００９；Ｍ　Ｍ　Ａｔｔａｒｄ等也在试验的基础上给出了约束混凝土强度　《混凝土结构设计规范》中，受弯构件的混凝土极限应变ｓ　＝　及极限变形提高的计算式。　０．００３　３。实际上，在梁中由于箍筋的约束作用，可以提高混凝土　因此，考虑箍筋的约束作用，在梁中配置约束钢筋，改善受压　的极限应变及极限承载力。根据约束程度的不同，混凝土的极限　区混凝土的工作状况，将会提高梁的极限承载力，增加梁的刚度，　压应变及极限承载力会有不同程度的提高：Ｄａｎｉｅｌ　Ｃｕ，￣ｓｏｎ等　２　对　在一定的荷载条件下减小梁的高度，减轻白重，从而使房屋获得更　果；Ｐｖ１和Ｐ“１分别为计算梁屈服荷载和极限荷载的有限元结　混凝土加固梁荷载一跨中挠度及钢筋一碳纤维布荷载一应力一　果，由表３可以看出有限元计算结果与试验结果吻合较好，这说　应变曲线的试验结果曲线与有限元数值分析结果曲线基本吻合，　明有限元模型选取的合理正确性。同时还可以看出，加固后各梁　这些都说明所建立的材料非线性有限冗加固梁模型是合理的、可　的屈服荷载与极限荷载均有　同程度的增长，加固后梁的屈服荷　行的。３）采用文中提出的碳纤维布与钢板加固梁的有限元模型，　载与极限荷载均增大，特别是梁的极限荷载增大，幅度较大。　表２各梁的试验荷载与有限元计算结果　试件编号　ＴＬ１　ＴＩ２　可以方便地模拟丁程实际中不同截面形式、不同加载方式或约束　方式、不同碳纤维布粘贴方式以及不同材料性能的加固梁，对其　力学性能进行有效的分析，借以弥补理论研究方法与试验方法的　Ｐｙｏ　７２　８１　ＰＭＯ　８５　９８　１　７４．３５　８６　Ｐｕ１　８３　２７　９９．７　局限性，为工程加固设计提供参考。　参考文献：　［１］欧新新，张文华，王纪峰．钢筋混凝土梁粘钢加固受弯性能强　．ｒＩｊ　．Ｉ１　８４　８９　１０６　１０８　８４　６　９１　４　１０９．８　１０９　７　３结语　通过对碳纤维布与钢板加固钢筋混凝土梁的试验研究和有　限元分析，得到以下结论：　度研究［Ｊ］．浙江工业大学学报，１９９９（２７）：２３—２７．　［２］叶列平，崔卫，岳清瑞，等．碳纤维布加固混凝土构件正截面　受弯承载力分析［Ｊ］．建筑结构，２００１，３１（３）：３－１２．　１）碳纤维布加固后，梁的屈服荷载和极限荷载均有所增长，　特别是梁的极限荷载提高效果显著，同时所有加固梁在相同荷载　［３］博弈创作室．ＡＮＳＹＳ９．０经典产品基础教程与实例详解［Ｍ］．　北京：中国水利水电出版社，２００６．　作用下跨中挠度均有明显的降低，说明碳纤维布对提高梁的刚度　效果十分明显。通过对钢板加固混凝土梁后，对混凝土梁产生了　［４］郭非祥．在役建筑结构的鉴定与加固［Ｊ］．山西建筑，２００５，３１　（５）：３７　３８．　明显的约束作用，有效控制了梁的跨中挠度和弯曲变形。２）由试　验和有限元分析得到的屈服荷载及极限荷载吻合较好，同时钢筋　［５］赵彤，谢剑．碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯承载力实　验研究［Ｊ］．建筑结构，２０００，３０（７）：１１－１５．　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｅｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｒｅｈａｂｉｔｉｔａｔｉ０ｎ　ｗｉｔｈ　ｂｏｎｄｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ＨＡＮ　Ｙｕ－ｐｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ＲＣ　ｂｅａｍｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｂｙ　ＣＦＲＰ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐｅｒｆｏｍｌａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＡＮＳＹＳ，ｓｏｆｔ　ｗａｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ　ｃｏｍＩｘｘｓｉｔｅ　ｒｅｈａｂｉｔｉ—　ｒａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｂＯｒ１ｄｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ￣）ｌｙｍｅｒ　ａｎｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｙｉｅｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＲＣ　Ｔ—ｂｅａｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｂｅａｍ，ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｓｈｅｅｔｓ，ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｒｅｈａｂｉｔｉｔａｔｉｏｎ　收稿日期：２００７．１０—１３　作者简介：王坤（１９８０），男，贵州大学土木建筑工程学院硕士研究生，贵州贵阳５５０００３　５５０００３　５５０００３　王晓斌（１９７９一），男，贵州人学土木建筑工程学院硕十研究生，贵州贵阳罗霄溢（１９８１一），男，贵州大学土木建筑工程学院硕士研究生，贵州贵阳