高强碳纤维布加固混凝土板的有限元分析

应蔚中 古增密

对于混凝土楼板，目前主要侧重于其支座和跨中的抗弯强度不足而采用碳纤维布进行加固，或因为楼板的局部开洞而采用补强加固[1]。使用碳纤维布来加固混凝土板，可以明显提高板的受弯承载力;提高板的屈服弯矩和极限弯矩;在同样荷载下减小板的挠度和裂缝宽度;同时，不影响构件的截面高度及自重，对空间的净高及建筑物的其他结构没有影响[2]。此外，高强碳纤维加固技术的特点是加固效率高、效果好、施工机具少、操作简单、施工周期短，有着十分广阔的应用前景[3]。

1 有限元ANSYS分析

1.1 模型的建立

模型采用整块板进行分析，钢筋和混凝土组合方式采用分离模型，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移，通过钢筋和混凝土之间共用节点来实现位移协调。

1.2 单元类型的选取

混凝土选用三维实体单元Solid65，由8节点组成，每个节点具有3个方向的自由度。钢筋选取三维Link8单元，该单元由2个节点组成，具有3个方向的自由度。碳纤维选用了多层壳单元Shell181。

1.3 本构关系模型的选取

本次分析中混凝土选择多线性随动强化(KINH)，钢筋选择经典双线性随动强化模型(BKIN)。混凝土应力—应变关系采用GB 50010-2002混凝土结构设计规范建议的Rusch应力—应变关系[4]。钢筋应力—应变关系采用Y.Hgashibata提出的钢筋应力—应变关系[5]曲线，不考虑屈服段。

2 建模与计算

本文的试验数据部分来源于文献[6]，并进行一定的改进(计算中记入板自重)。

2.1 试件设计与制作

试验板为矩形简支板(见图1)，截面尺寸为b×h=560 mm×100 mm，跨度 l=3 270 mm，净跨 l0=3 070mm，混凝土的设计强度等级为C30，纵筋采用热轧Ⅰ级钢筋φ 8@120，设计配筋率为0.45%。钢筋和混凝土的实测力学性能指标见表1。

表1 钢筋和混凝土的实测力学性能指标表 MPa

碳纤维布为高强度碳纤维布，其性能指标见表2。

表2 碳纤维布的性能指标表

2.2 加荷与加固方案

试验板的加荷方案为均布加载，试验板加固方案见表3。

表3 试验板编号和加固情况表

3 结果比较

3.1 试验板结果与ANSYS结果比较

试验板结果与ANSYS结果比较见表4。

3.2 试验板的挠度对比结果

从表4中可以看出计算值与试验吻合良好，产生的误差与直接在试验数据基础上加上混凝土板的自重有关。由于没有完整的试验数据，只是画出了用ANSYS计算的荷载位移曲线(见图2)。

4 结语

1)试验数据和有限元的分析结果共同验证了高强碳纤维加固混凝土板的优点，尤其是能在很大程度上提高板的极限承载力;

2)通过对试验数据和分析结果的互相比较，说明采用本文中提到的方法建立有限元模型能较好地模拟实际情况;

表4 试验板结果与ANSYS结果比较表

3)本文未对加固后的混凝土板的有限元模型特殊性进行分析，未找到能更好反映加固后混凝土和钢筋的应力—应变关系，有待在今后的研究工作中进一步深入。

[1] 娄 宇，王红庆，李如白.碳纤维加固技术及其工程应用[J].工业建筑，2000(10):40.

[2] 赵 彤，罗振彪，谢 剑，等.碳纤维布加固钢筋混凝土板受弯性能研究[J].建筑技术，2001，32(6):20-22.

[3] 邓友生.碳纤维加固板的应用研究[J].嘉应大学学报(自然科学)，2002，20(6):35-38.

[4] GB 50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

[5] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社，2003.

[6] 赵 彤，谢 剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津:天津大学出版社，2001:31-52.