预应力碳纤维片材在结构加固中的应用研究——以其对钢筋混凝土梁力学性能的增强为例

何 令

（重庆市万州区城建工程管理处，重庆万州 404100）

1 引 言

碳纤维布已广泛应用于结构加固，但简单的粘贴碳纤维布的方法存在以下一些问题：1.不能充分利用碳纤维高强度的特性；2.对结构物承载力的提高不明显；3.碳纤维布用量较大.若需对以上情况进行改善，可以考虑对碳纤维布采取施加预应力的方式进行.为了验证预应力碳纤维布的增强效果，可以采用大型商业有限元软件ANSYS/Civil进行数值仿真，研究预应力碳纤维布增强混凝土结构的力学性能.

2 材料及单元特性

2.1 混凝土

混凝土本构关系根据《混凝土结构设计规范》（GB50010）采用：

其中：fc为混凝土的抗压强度；ε0=0.002，εu=0.0033.

混凝土采用Soild65单元，破坏准则采用William-Warnke五参数强度准则，屈服准则采用多线性随动强化模型（MKIN）[1].

2.2 钢筋

钢筋采用Link8单元，双线性随动强化模型（BKIN），钢筋的应力—应变关系采用线性本构关系（图1）[1].

2.3 碳纤维布

碳纤维布采用Shell41单元，理想弹性材料，在预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁时，其预应力的施加利用了升温法[2]（碳纤维布线膨胀系数为负）.预应力大小的确定应遵守以下原则：1.碳纤维布与界面的剪应力不应超过粘接剂的抗剪强度；2.被加固的钢筋混凝土梁顶部不能出现开裂[3-4].

图1 钢筋应力—应变关系

图2 碳纤维布应力—应变关系

3 有限元模型的建立

有限元模型采用建立全模型的形式，网格划分采用映射方式，通过控制结构外形尺寸来控制单元的尺寸.结构整体模型和部分单元模型分别见图3.由于碳纤维布的预应力施加采用的是升温法，因此要对碳纤维布的板单元的两个纵向长边处施加DX位移约束，由此引起的应力变化为X方向的应力变化，在结果中应忽略.另外，由于 Shell41单元大变形只能支持三角形单元，因此，对碳纤维布的 Shell41的单元划分采用三角形单元.其中Soild65单元共990个，Link8单元共390个，Shelll41单元共282个.

图3 有限元模型

4 有限元分析结果

现将通过有限元程序分析获得的模型梁的结果（荷载—挠度曲线、钢筋应力、碳纤维应力等）汇总如下，并与试验结果进行对比分析.

4.1 挠度

图4为试验梁跨中截面挠度历程数值分析结果曲线.计算结果表明，在相同荷载作用下，增强RC梁的挠度均小于普通RC梁，施加预应力的碳纤维布增强RC梁的挠度更小.构件破坏时，未加固梁的挠度达到25mm，而未施加预应力的碳纤维布加固梁的挠度在10mm左右，施加了预应力的碳纤维布加固梁挠度在 8mm左右.因此，粘贴碳纤维布在一定程度上能够提高混凝土构件的抗弯刚度，并且碳纤维布施加预应力后的提高程度更大.

图4 荷载—挠度关系图

表1 有限元和试验结果比较

4.2 结构变形、裂缝图

不同构件在破坏荷载下的挠度如图5所示.计算结果表明，经碳纤维布加固后的梁在破坏荷载下的挠度会减小，并且预应力碳纤维布加固的梁挠度比没有施加预应力碳纤维布加固的梁更小.其中，未加固梁破坏时的挠度为24.53mm，粘贴碳纤维布加固梁破坏时的挠度为 9.96mm，预应力碳纤维布加固梁破坏时的挠度为7.98mm.

图5 不同构件在破坏荷载下的挠度图

不同构件在破坏荷载下的裂缝如图6所示.计算结果表明，经碳纤维布加固的梁不能够提高开裂荷载，但是经过预应力碳纤维布加固的梁够提高开裂荷载.其中，未加固梁的开裂荷载为9KN左右，粘贴碳纤维布加固梁的开裂荷载也为9KN左右，预应力碳纤维布加固梁的开裂荷载为21KN左右.

图6 不同构件在破坏荷载下的裂缝图

4.3 钢筋应力状态

不同构件在10KN、20KN、破坏荷载下钢筋的应力如图7-9计算结果表明，在相同荷载下经过碳纤维布加固的梁钢筋应力比未加固梁小，并且经过预应力碳纤维布加固的梁能够在受拉钢筋中储存一定得压应力，对改善梁体受力有积极的影响.

图7 10KN荷载下不同梁的钢筋应力图

图8 20KN荷载下不同梁的钢筋应力图

图9 破坏荷载下不同梁的钢筋应力图

4.4 碳纤维布的应力

粘贴碳纤维布与预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁在荷载相同情况下的应力状态如图10-12结果表明，预应力碳纤维布中储存了一定得拉应力，相同荷载情况下预应力碳纤维布的应力值较高，为钢筋混凝土梁承担了更多的外部荷载.在破坏情况下，预应力碳纤维布并没有达到抗拉强度值，说明采用预应力碳纤维加固钢筋混凝土梁能提高碳纤维布强度利用率，达到节省材料的目的.

图10 10KN时的碳纤维布应力图

图11 20KN时的碳纤维布应力图

图12 破坏时的碳纤维布应力图

5 结 论

有限元模拟分析的结果表明，粘贴碳纤维布能够明显地提高增强RC梁的承载能力，碳纤维布施加预应力后提高程度更为明显.粘贴碳纤维布能够降低增强RC梁破坏时的挠度，碳纤维布施加预应力后增强RC梁的挠度更小.粘贴碳纤维布加固的钢筋混凝土梁不能明显的减小开裂荷载，而预应力碳纤维布加固的钢筋混凝土梁开裂荷载明显提高.由此可见，粘贴碳纤维布对钢筋混凝土梁受力有利，而采用预应力碳纤维布加固的方法能够更好地改善钢筋混凝土梁的受力，因而，这是一种更经济、更科学的碳纤维布加固方法.

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