CFRP加固简支钢梁有限元分析

胡宗军(1974-)，男，山东日照人，副教授，研究生导师，从事工程力学研究。

CFRP加固简支钢梁有限元分析

苏世，胡宗军，张旭

(合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥230009)

摘要:主要研究了碳纤维复合材料粘贴到钢结构表面用于结构补强与加固的技术特点，并对不同加固方式下的碳纤维增强复合材料(CFRP)加固H型受弯钢梁进行有限元计算，得到了它们的荷载-挠度曲线，分析不同使用状态下的构件碳纤维加固对其承载力、刚度等方面的影响。结果表明，与未加固钢梁相比，采用CFRP加固后的钢梁的承载力、挠度得到显著改善。

关键词:CFRP；H型钢梁；加固；有限元分析

收稿日期：2015-03-06；修回日期：2015-03-12

基金项目：合肥工业大学基金(编号：2013HGXJ0407)

作者简介：苏世(1988-)，男，安徽安庆人，硕士生，从事钢结构加固研究；

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2015.02.001

中图分类号：TU391

The finite element analysis of the simple supported

steel beams strengthened with CFRP

SU Shi,HU Zong-jun,ZHANG Xu

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230069)

Abstract:The features of the technology using carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) to strengthen and reinforce the steel structures are mainly introduced in this paper. Furthermore, a H-shape steel simple supported beam reinforced with CFRP in different ways is analyzed by FEM . The relation curves of load-deflection are given and the effects of different reinforcement schemes on bearing capacity and the stiffness of the steel beam are discussed. As shown in the results, comparing with the beam without reinforcement, the bearing capacity and the stiffness of the steel beam reinforced with CFRP are improved obviously.

Key words: CFRP；H-shaped steel beam；strengthen and reinforce；finite element analysis

0　引　　言

由于生产、制造、施工和服役环境等因素的影响,在钢结构构件中不可避免地存在各种的缺陷和损伤,影响结构的安全。目前使用的加固方法主要有:粘钢加固法、加大截面加固法、外包钢材加固法、裂缝处理加固法、粘贴碳纤维加固法等。传统加固方法整体水平比较落后,施工方法和工艺比较复杂,受场地因素限制较多。而新兴的碳纤维增强复合材料(CFRP)由于具有强度高、耐疲劳、耐腐蚀等优势,被广泛应用于各类工程结构加固。在CFRP加固混凝土结构方面国内外已开展了大量的研究和实验,近年来CFRP加固钢结构也成为研究热点,并已经应用到一些工程实践。CFRP加固技术与一般加固技术相比,具有较大的优势,如不会大幅度增加构件的重量和尺寸,现场可操作性强,施工方便,不需要大型机械和重型设备,不用对结构构件钻孔,不会减少其受力面积,不会形成新的应力集中等。

钢结构中存在大量的受弯构件,如钢结构桥梁、钢框架梁等,由于长时间服役遭受腐蚀、疲劳等原因,其受拉翼缘容易出现损伤,截面削弱,造成安全隐患。国内CFRP加固钢结构的研究相对较少,由于没有一套较成熟的加固设计理论,特别是数值计算方面,多数工作都集中于试验,研究成本较高。本文对受弯钢梁在受拉翼缘外侧粘贴CFRP加固进行研究,通过有限元软件ANSYS对CFRP加固前后的钢梁进行对比分析,定量分析不同属性、长度及不同层数的CFRP布加固H型受弯钢梁的力学性能的增强效果。

1　简支H型钢梁CFRP加固方案

工程中结构修复加固常用的CFRP材料主要有CFRP布材和CFRP板材两种。CFRP布是直接由碳纤维编织而成,而CFRP板是将碳纤维浸渍树脂后在模具内固化并连续拉挤成型,厚度一般为1mm～1.6mm。CFRP布易于成型,适合于各种形状的表面加固。

本文有限元建模的简支H型钢梁采用Q235钢材,长度为2000mm,截面为120mm×72mm×8mm×10mm。对简支梁弯曲受拉侧翼缘板进行加固,加固模型如图1所示,CFRP与梁同宽,在受拉翼缘下部对称布置。所用碳纤维布、碳纤维板和粘结剂的材料参数如表1所列。

图1　试件加固及加载方式

材料厚度/mm拉伸强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/(%)碳纤维布0.16634002351.7碳纤维板1.428003001.7粘结剂/402.911.5

本文设计了5种加固方案进行计算结果对比,反映CFRP布和CFRP板层数以及加固区域大小对加固效果的影响。具体设计方案和试件编号、加固方式如表2所列。

2　有限元分析

2.1有限元模型

本文采用简化的接触关系建立模型,真实模拟基体、胶层和CFRP材料之间的相互作用,并应用ANSYS软件中的目标单元Target170和接触单元Conta174来模拟钢结构下翼缘下面与CFRP材料之间的绑定约束,以达到钢结构和CFRP材料之间位移协调。如图2所示,1点为H型钢下翼缘下表面某点,2点为与1点相对应的CFRP上点。当钢梁受载变形时,H型钢上的1点产生正应力σ1、切应力τ1和位移u1,而CFRP材料相应产生了正应力σ2、切应力τ2和位移u2,则钢梁和CFRP材料单元节点间应力和位移有如下关系有限元建模时H型钢梁采用实体单元solid45,CFRP布采用壳单元shell181模拟。钢材为各向同性材料,弹性模量Eb=206GPa,泊松比Vb=0.3。CFRP布采用正交各向异性材料,弹性模量Ep1=Ep2=10GPa,Epa=310GPa,泊松比Vp12=0.3,Vp13=Vp13=Vp23=0.0058,剪切模量G12=3.7GPa,G13=G23=26.5GPa。网格划分应用映射法,H型钢梁划分为六面体单元,CFRP布划分为四边形单元, H型钢梁和CFRP材料网格对应,节点的重合,并对重合节点建立耦合关系,以保证钢梁和CFRP材料两者之间粘结,无相对滑移。模型中在梁端支座处和加载处加设刚性垫块以防止应力集中。整体有限元模型如图3所示。

图2　目标单元点和接触单元点应力示意图

图3钢梁模型图

2.2计算结果分析

计算加载采用逐级加载方式,每个加载点加载10kN,分为10个子步递增,每个子步增加1kN。对两端支座施加约束,限制其UX,UY,UZ 3个方向的平动自由度。有限元计算结果如表3所列。

表3　有限元计算结果

由表3中数据可以看出,经过CFRP布加固的钢梁,其屈服荷载和极限荷载都有明显的提高,其中屈服荷载的提高幅度达到10.3%～14.7%,极限荷载的提高幅度达到10.6%～21.7%。用CFRP板加固的钢梁,其屈服荷载和极限荷载有更为显著的提高,其中屈服荷载的提高幅度达到20.4%,极限荷载的提高幅度达到21.7%。

图4为简支钢梁的荷载——跨中挠度曲线。从图中可以看出,相对于未加固组,另外5组的跨中挠度均有明显的提高,但FB1,FB2,FB3,FB4四组荷载——跨中挠度曲线差别不大,说明单纯增加CFRP布层数对跨中挠度改善效果不明显,而FB5组荷载——跨中挠度曲线明显区别于其他组,说明CFRP板对跨中挠度改善效果比CFRP布要明显。主要原因是:CFRP布抗拉性能较好而抗剪性能相对不足,当组合构件达到一定挠度时,CFRP布分担构件剪应力和限制构件位移的能力有限;而CFRP板抗剪性能相对较好,厚度和弹性模量较大,能较好的限制构件挠度,提高极限荷载。

图5为简支钢梁极限荷载提高率与不同加固长度CFRP的层数关系曲线,图中可以看出,钢梁的极限荷载随着CFRP布层数的增加而提高,但是当应用单层CFRP布加固时,800mm长度的CFRP布与1400mm长度的CFRP布对钢梁极限荷载提高幅度影响差别不大;但当应用两层及以上CFRP布加固时,CFRP布长度对钢梁极限荷载提高幅度的影响较大,长的CFRP布加固效果明显。

图4　荷载-跨中挠度曲线 图5 极限荷载提高率-不同长度CFRP布层数曲线

3　结　　论

本文通过对不同加固方式的CFRP加固简支H型钢梁进行有限元计算,并对计算结果做了对比分析,就加固效果得到如下结论:

(1)H型钢梁通过。CFRP布和CFRP板加固,其承载力和刚度有所提高,但单纯增加CFRP布层数对跨中挠度改善效果不明显,而CFRP板对跨中挠度改善效果比CFRP布好。

(2)钢梁的极限荷载。随着CFRP布层数的增加而提高。当应用单层CFRP布加固时,钢梁极限荷载提高幅度不受CFRP布长度影响,当应用多层CFRP布加固时,CFRP布长度对钢梁极限荷载提高幅度的影响较大,长的CFRP布加固效果明显。

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(责任编辑陈化钢)