芳纶纤维加固RC梁试验研究及有限元分析

蔡　斌　赵良龙　段文峰　邵士萍

(1：吉林建筑大学土木工程学院,长春　130118；　2：吉林大学机械工程学院，长春　130022)

芳纶纤维加固RC梁试验研究及有限元分析

蔡斌1,2赵良龙1段文峰1邵士萍1

(1：吉林建筑大学土木工程学院,长春130118；2：吉林大学机械工程学院，长春130022)

摘要：分析芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的工作性能，本文共制定6根钢筋混凝土梁，并采用试验与有限元模拟相结合的方法，对芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的基本力学性能进行对比分析，研究表明：芳纶纤维具有很好的加固作用，并且加固后RC梁的承载力随着芳纶纤维加固量的增加而增加，但不为线性关系，并对试验梁进行有限元模拟分析，模拟结果与试验比较吻合，验证了模拟的可行性.

关键词：芳纶纤维；钢筋混凝土梁；加固；有限元分析

随着建筑物投入使用时间的增加、环境对结构的腐蚀、自然灾害等外界因素的影响，导致必须对结构进行加固和修补[1].芳纶纤维(简称AFRP)具有较强的抗拉强度、抗冲击性和可塑性，且施工工艺简单更利于被应用到房屋、桥梁等建筑结构的加固中，具有很好的发展前景[2].

本文共制定了6根钢筋混凝土梁，通过试验结合有限元分析的方法，对芳纶纤维加固前后的钢筋混凝土梁进行加载试验和数值模拟分析，确定芳纶纤维的加固作用与工作性能，模拟结果与试验数据对比分析，证明模拟的可行性，为以后芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的研究和工程应用提供参考.

1试验概况及有限元模型

1.1　试验材料力学性能

试验所用材料为混凝土、钢筋和芳纶纤维布.混凝土型号为C30，混凝土保护层厚度为10mm，纵向受力钢筋为2ø6，受压钢筋为2ø6的不通长钢筋，芳纶纤维布由德国某厂家提供，试验材料具体体力学性能指标见表1.

表1 试验材料力学性能指标

试验梁截面尺寸、钢筋布置情况、AFRP布加固位置以及加载位置见图1所示.

图1 试验梁尺寸及配筋

1.2　有限元模型建立

有限元模型以试验梁为基础，混凝土采用三维非线性实体SOLID65单元，钢筋采用link8单元，AFRP布采用SHELL41单元[3-4]，钢筋和混凝土均采用理想性的弹塑性模型，混凝土单轴应力应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2011)[5]中规定，有限元模型见图2~图4.

图2 混凝土梁的有限元模型　　　　　　　图3 钢筋的有限元模型　　　　　　　　图4 芳纶纤维的有限元模型

图5 试验装置

1.3　试验方案

本次试验利用万能压力试验机对钢筋混凝土梁进行三点式弯曲加载试验，将6根试验梁分为三组，分别为两根未加固的参考梁、加一层1.5cmAFRP布和加两层1.5cmAFRP布的钢筋混凝土梁，利用万能压力机对每组试验梁加载，记录试验数据并与有限元模拟分析结果对比分析其加固作用，试验装置如图5所示.

2试验及有限元分析结果

2.1　试验结果

编号B1-B2为参考梁，编号B3-B4为加一层AFRP布的钢筋混凝土梁，B5-B6为加两层AFRP布的钢筋混凝土梁，试验结果数据见表2.

表2 试验梁荷载挠度试验数据

2.2　试验数据与有限元模拟结果对比

图6~图8为所有试验梁加载结果与有限元模拟分析荷载-挠度对比曲线图.从表2和图6~图8中我们可以明显看出，经芳纶纤维布加固后的钢筋混凝土梁极限承载力都提高了，并且混凝土梁跨中截面的裂缝宽度减小了4mm~7mm，这也充分说明芳纶纤维复合材料能够有效地增强结构的抗力，可以有效控制RC梁跨中截面挠度的发展.加一层芳纶纤维布钢筋混凝凝土梁的极限承载力比加二层芳纶纤维布钢筋混凝土梁的极限承载力提高幅度要低，加一层芳纶纤维布的钢筋混凝土梁承载力提高幅度较小，但粘贴二层AFRP布的RC梁承载力较参考梁承载力提高了114%,这表明加固后的钢筋混凝土梁承载力随芳纶纤维布加固量的增加而增加，但与芳纶纤维布的加固量不呈线性关系.

图6 参考梁跨中荷载-挠度对比曲线

图7 加一层AFRP布梁荷载-挠度对比曲线

图8 加二层AFRP布梁荷载-挠度对比曲线

图9 芳纶纤维布应力-位置有限元曲线

图9为有限元模拟分析芳纶纤维布的受力情况，反映了芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁工作时自身的受力情况.从图可知应力较大值出现在RC梁的支座附近和靠近梁跨中位置，是因为在梁跨中和支座处的弯矩和剪力最大，这表明芳纶纤维布能够承担部分应力，提高梁的抗弯刚度，具有一定的加固作用.

3结语

(1) 芳纶纤维布能够有效增强钢筋混凝土梁的极限承载力，随芳纶纤维布加固量的增加，承载力也随之增加，但承载力增强程度不与加固量呈线性关系.芳纶纤维能够有效控制结构的变形，对混凝土压碎和裂缝的展开有一定的约束作用；

(2) 试验结果与有限元模拟分析结果比较吻合，验证了模拟的可行性，但试验结果与ansys模拟分析结果还存在一定差别，这主要是由于钢筋混凝土梁在静力加载试验中混凝土材料的不均匀性有关，而且钢筋混凝土梁与芳纶纤维布之间的粘结力和与有限元分析存在差异，在有限元分析时把两种材料之间的粘贴视为完全粘结.

参考文献

[1] 段文峰,邵士萍,蔡斌.CFRP加固RC梁的非线性有限元仿真分析[J].吉林建筑工程学院学报,2014,31(5):8-10.

[2] 魏凝.芳纶纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究与理论分析[D].西安理工大学硕士学位论文,2007.

[3] 王新敏,李义强,许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].北京：人民交通出版社，2011：470-482.

[4] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：220-235.

[5] 《混凝土结构设计规范》(GB500110-2010)[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

Experimental Study of Aramid Fiber Reinforced RC Beams and Finite Element Analysis

CAI Bin1,2，ZHAO Liang-long1，DUAN Wen-feng1，SHAO Shi-ping1

(1:SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118;

2:CollegeofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun,China130022)

Abstract：Analysis of aramid fiber Reinforced concrete beams performance, paper is the development of six reinforced concrete beams, and the use of test and finite element simulation method of combining on the basic mechanical properties of aramid fiber reinforced concrete beams were analyzed to study show: aramid fiber reinforcement has a good effect, and the bearing capacity of RC beams reinforced with increasing amounts of aramid fiber and the increased reinforcement, but was not a linear relationship, and the test beam finite element analysis, simulation results trials comparing consistent verify the feasibility of the simulation.

Keywords:aramid fibers；reinforced concrete beam；reinforcement；finite element method

中图分类号：TU 375.1

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)06-0015-04

作者简介：蔡斌(1978~),男,吉林省长春市人,副教授，博士.

收稿日期：2015-03-11.