浅谈碳纤维材料加固框架柱的作用

张　玮　裴利剑　金　晶　把石仓

[摘要]近年来，纤维增强复合材料代替钢材已成为建筑材料发展的趋势之一。通过ANSYS有限元分析的方法，对碳纤维材料加固框架柱的作用进行简单的分析。通过分析，得知当结构受到瞬时地震作用时，采用碳纤维材料对结构构件进行加固，可以提高构件吸收地震力，增强结构的延性性能。

[关键词]纤维增强复合材料 碳纤维 材料 加固 框架柱

中图分类号：TQ16 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0720092－01

近年来，世界各国学者对采用纤维增强复合材料（简称FRP）代替钢材的外贴FRP片材（包括布和板）加固技术进行了大量研究。

FRP材料由连续纤维和树脂基体复合而成，广泛应用于柱的外包加固技术。常用纤维种类包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维三种，常用树脂有环氧树脂、聚酯树脂和乙烯酯树脂。

一、碳纤维加固材料的性能

（一）碳纤维材料的特点。1．高强高效：由于碳纤维材料优异的物理力学性能，在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到高效加固的目的。2．耐腐蚀性能及耐久性：碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题。3．适用面广：碳纤维布是一种柔性材料，且可以任意地裁剪，所以这种加固技术可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位，且不改变结构形状及不影响结构外观。

（二）加固用碳纤维材料的基本要求。碳纤维加固材料由碳纤维与基体组成，加固用碳纤维应具有如下特性：1．高强度高模量，以提供有效的增强作用；2．单根纤维间强度变化小；3．在制造与处理过程中强度稳定并保持不变；

基体应保持如下功能：1．在使用寿命期内，将纤维紧密粘结在一起，保证纤维表面不受损伤；2．纤维能够均匀分散于基体中，能够阻止与延缓裂缝的产生；3．依靠胶结力与摩擦力将应力传递给纤维；4．纤维在化学性工艺与受热性能上相容。

二、ANSYS有限元分析

（一）混凝土单元－Solid65。Solid65单元是专门为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，它可以模拟混凝土中的加强钢筋（或玻璃纤维、型钢等），以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等参元Solid45的基础上，增加了针对混凝土的材性参数（强度准则）和由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型。

（二）钢筋单元－Link8。Link8单元是有着广泛的工程应用的杆单元，可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩，故钢筋通常利用Link8单元进行模拟。钢筋为弹塑性材料，弹性阶段E=2х105MPa，V=0.3，其塑性性能采用Von Mises模型，以初始单轴屈服应力fy=355.4MPa

来确定。

（三）碳纤维布单元－Shell41。高强度、高模量是碳纤维最重要的特性之一。根据试验测定碳纤维布是脆性材料，没有屈服强度，只有极限强度，在达到极限抗拉强度之前，应力应变关系为线弹性。

根据上面分析的特点，ANSYS中我们可采用Shell41单元。

在ANSYS中对Shell41模单元是这样描述的：只能承受拉力，没有弯曲、抗压能力。材料各向异性，在垂直方向材料没有强度，允许施加平面标准荷载。该单元每个节点都有六个自由度，在X，Y，Z方向上的位移和绕三轴的转动。

（四）基本假定。在有限元分析中，对计算模型采用一些简化有利于模型的计算，这些假设也是非常必要的。针对本算例，采用以下假设。

1．钢筋与混凝土之间，碳纤维布与混凝土之间有足够好的粘结，无相对滑移，变形协调，并由此而忽略粘结剂的影响。在对碳纤维布进行有限元建模时，在不考虑粘结层情况下，对碳纤维布材料直接划分单元，碳纤维单元节点与钢筋混凝土柱单元节点在受力方向上耦合；2．CFRP材料加固混凝土柱受压时，不考虑纤维布应变滞后，采用截面应变分布平截面假定；3．柱在达到受压承载力极限状态前，碳纤维布与混凝土之间不发生粘结、剥离破坏。

三、结论

根据已有的分析试验分析可知，采用碳纤维加固的框架柱刚度、强度都有一定提高，构件刚度提高可以改善结构的自振周期，从而提高结构在地震作用下的变形能力。根据以上有限元分析过程可以看出，当结构受到瞬时地震作用时，采用碳纤维材料对结构构件进行加固，可以提高构件吸收地震力，增强结构的延性性能。对于一般的框架结构当使用功能改变时，采用碳纤维布加固后，可以使正常框架具备一定的强度、延性储备，从某种程度上来说是对原框架所作的一种安全储备。

参考文献：

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