基于ANSYS的梁底钢板加固厚度对钢板剥离影响的仿真分析

2013-04-15黄晓兰

四川职业技术学院学报 2013年3期

关键词：本构主应力钢板

黄晓兰

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

基于ANSYS的梁底钢板加固厚度对钢板剥离影响的仿真分析

黄晓兰

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

本文根据粘钢加固混凝土梁各种组成材料的布置特点，选用分离式模型，建立粘钢加固梁的有限元模型,采用不同厚度的钢板粘贴混凝土梁进行有限元仿真分析.分析结果显示，相同外荷载作用下，钢板厚度增加，界面剥离破坏荷载增加，当厚度超过一定值时，剥离破坏先于弯曲破坏，也就说在没有充分发挥梁弯曲承载力的情况下，结构就发生了破坏了.

加固梁；钢板；厚度；剥离；粘结应力

1 前言

目前，已建建筑物的混凝土梁采用钢板进行加固是非常普遍的现象.但研究表明，梁底钢板的剥离问题没有得到实质性的解决，特别是钢板厚度对剥离的影响[1].钢材是一种非常昂贵的材料，使用的数量涉及到经济效益，若钢板太薄，达不到设计承载力，若钢板太厚，一方面可能会导致剥离的加速，另一方面将造成浪费.因此必须研究钢板厚度对钢板剥离的影响.

由于实体模型要耗费大量人力、物力、财力，且实验数据有离散性特点，故为了更加真实体现结构性质本文应用A N S Y S软件，依据有限元原理，建立有限元模型模拟钢板厚度对钢板的剥离影响来进行分析.

2 有限元模型建立

2.1 力学模型

本文模拟两根单跨简支梁模型，编号为L01，L02，截面为100mm×200mm，长为1500mm，钢板厚度分别为4mm、6mm.因只研究钢板厚度对剥离的影响，故忽略钢筋的作用，采用素混凝土梁.梁两端简支，对称加载，两根梁钢板的粘贴位置和尺寸均相同，见图1，力学性能见表1.

图1 素混凝土梁加固模型图

表1 材料的力学特性

2.2材料本构关系

(1)混凝土的本构关系[2]

受拉区混凝土采用线弹性模型.受压区混凝土采用E.Hognestad建议的模型，其上升段为二次抛物线，下降段为斜直线，如图2所示.

图2 受压区混凝土应力—应变图

(2)钢板的本构模型

钢板本构关系采用图3所示的曲线，假定在静荷载下，受压力钢板的力学特性等同于受拉钢板。

图3 钢筋应力—应变图

(3)胶层的本构关系

胶层是非弹性材料，且各向异性，目前尚无成熟的本构关系，本文假定其为各向同性的线性材料，应力应变曲线见图4.

图4 粘结层应力—应变图

2.3 有限元模型[3]

混凝土采用S OLI D65单元，钢材和粘结层均采用S OLI D45单元，输入相关参数，采用生死单元法，进行网格划分，最后加载求解.模拟过程中，材料之间不会发生移动，且变形协调一致.

图5 有限元梁的网格划分图

图5是有限元梁的网格划分图.本文忽略弯曲裂缝的影响，并对模型进行两个假定：一、假定两个模型的裂缝位置相同；二、梁弯曲裂缝产生在集中荷载截面处.

3 有限元分析

经A N S Y S求解，对其过程和结果数据分析发现如下几点内容：

（1）梁的中性轴，开裂后较开裂前有下移现场且其高度低于梁高的0.4倍，这符合S wamy[4]提倡的“中性轴高度不应大于0.4倍有效高度”的理论说明建立的有限元模型梁是合理的.

（2）根据表2的数据，本文比较了在同等荷载下，L01和L02的挠度和各材料应力值.数据显示L01的挠度和混凝土最大压应力大于L02，同时L01的界面混凝土主应力小于L02，这说明钢板厚度对其有一定的影响，钢板越厚，替混凝土分担的荷载就越多.数据又显示钢板应力基本一致，这说明钢板厚度对其影响甚微.根据表中数据可以得出，在相等的对称荷载作用下，钢板厚度从4mm至6mm，混凝土最大压应力减少了5.6%，但是界面混凝土主应力却增加了41.6%，故当钢板过厚，钢板贡献给梁的抗弯承载力还没充分发挥时，其贡献给界面的混凝土主应力就已经发挥到了极致，从而使混凝土梁断裂，钢板产生剥离破坏.

（3）表3比较了L01和L02在开裂荷载、弯曲破坏荷载下界面混凝土主应力值，其中弯曲破坏荷载是根据荷载规范计算的[7].数据表面上显示了钢板厚度越大，开裂荷载和弯曲破坏荷载提高的越多但是对它们的比值作比较，可以看出，在加固梁的弯曲过程中，L02从开裂到破坏较L02提前了1.71%，这说明钢板厚度增加，并不能延后混凝土的破坏，反而使其提前.同时，本文比较了两个梁界面混凝土主应力与混凝土抗拉强度的比值，结果显而易见，L02较L01提前了4.96%，由此说明，随着钢板厚度的增加，剥离破坏出现得越早.