嵌入式预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的有限元分析

廖妮

摘 要：应用ANSYS有限元分析软件对嵌入式预应力CFRP筋加固钢筋混凝土梁的受力性能进行了有限元分析，给出了相应的荷载—挠度曲线，并与试验结果进行对比分析，以期促进嵌入式预应力CFRP加固技术的研究。

关键词：预应力；CFRP筋；嵌入式加固法；有限元

引言

碳纤维复合材料（CFRP）因为其具有轻质高强、现场施工便利且加固受损构件时不影响建筑物净空等特点，近年来逐渐被广泛应用于混凝土结构加固当中。施加了预应力的CFRP加固技术可以在结构受荷前就发挥CFRP一定强度，有效利用CFRP的高强性能，避免浪费材料，同时抑制了构建的变形和裂缝的发展。目前，CFRP加固技术主要有表面粘贴和嵌入式两种，表面粘贴技术是最广泛的加固方式，无论是在设计还是施工方面都很成熟。而嵌入式加固技术是近几年才提出的加固技术，国内外很少应用实际工况中。文章在试验研究的基础上，应用ANSYS分析软件对施加了预应力的CFRP筋嵌入式加固梁的受力性能进行了有限元分析，给出了相应的荷载—挠度曲线，并与试验结果进行了对比分析。

1 试验研究

文章数值模拟比对的试验是文献[1]中所做的集中荷载作用下五种不同工况下钢筋混凝土梁的破坏试验。在集中荷载作用下观测五根钢筋混凝土梁。矩形梁的横截面尺寸为200mm（宽）*400mm（高），净跨为5m。梁浇筑经28天养护以后，在梁的受拉区沿着长度方向开深度是25mm，宽22mm的槽，梁被倒置以方便开槽。开槽之后需要将其清理干净并晾干，实验梁需要在室温下放置至少7天。CFRP锚固好以后还需放置7天，环氧胶放入槽中四分之三。固定好的带有CFRP的锚固端放入槽中，然后继续填满环氧胶，接下来开始对CFRP施加预应力。CFRP的弹性模量取124GP，极限抗拉强度取2068MP，极限应变取0.017。

2 有限元分析模型的建立

通过试验对比发现，施加了预应力的CFRP筋加固梁后，梁的钢筋和混凝土之间粘结锚固良好，梁上混凝土裂缝宽度小、间距小，为了提高计算精度且更接近于实际，文章采用了分离式的建模方法。而CFRP筋与混凝土之间由于预应力的作用，破坏时CFRP筋与混凝土之间粘结良好，未发现明显剥离破坏，因此，CFRP筋与混凝土共用节点。

2.1 单元选择及材料属性

（1）混凝土SOLID65单元。ANSYS中三维实体SOLID65单元能够有效的模拟混凝土材料的受力特征和破坏过程，除了不能模拟钢筋的剪切性能以外，混凝土塑性变形、蠕变徐变、开裂、压碎及钢筋的拉伸、压缩、塑性变形均能很好的模拟出来；（2）钢筋和CFRP筋Link8单元。在ANSYS中钢筋和CFRP筋都可以用LINK8单元来模拟LINK8单元只能承受杆轴向的拉压，不能承受弯矩，结点只有平动自由度。

2.2 网格划分及边界条件

本模型根据受力特点，取一半模型进行计算，集中荷载采用等效均布荷载加载，对称面上采用对称荷载约束，支座截面约束Y方向位移和X方向位移，模型建立完毕后进行非线性求解。文章采用完全的牛顿—拉夫森迭代法进行求解分析，分析选项打开大变形开关和自动时间步长选项，荷载子步数定位100。

3 结果对比分析

在加载初期（混凝土开裂前）各试件梁的荷载—挠度曲线相差很小，试件的荷载—挠度曲线基本呈线性关系，此时CFRP筋的应变还较小，还未发挥明显的作用，对抗裂作用贡献也不大。混凝土开裂后，由于截面有效高度减小，其刚度随之降低，荷载—挠度曲线斜率减小，挠度增长加快，在钢筋屈服前，同一试件荷载—挠度曲线斜率虽然随着裂缝的开展不断下降，但变化不大，以弹性变形为主。嵌入式CFRP施加預应力能够明显提高梁的“裂缝—屈服—荷载”三阶段的荷载，加固后的梁正常工作时梁的挠度也有了明显的减小。

ANSYS有限元计算结构与试验结果对比发现，两者所得荷载—跨中挠度曲线在钢筋屈服以前均吻合的很好，钢筋屈服后有所差异，最大的模拟误差为8.9%，而有限元计算梁的刚度高于试验梁，使得计算的挠度值，有限元值偏小，挠度最大误差为12.4%。

4 结束语

通过对ANSYS计算结果和试验数据的对比分析，可以得出以下结论：

（1）钢筋混凝土梁采用预应力 CFRP筋的方法进行加固，梁的受力状态和挠度有个极大的改善，切实有效，大幅度提高了梁的安全储备，改善了梁的安全性能；（2）加固后的梁挠度明显减小，承载力提高，但梁的延性降低，特别是当初始预应力达到60%工况下，梁发生超筋破坏现象，设计当中应当避免，初始预应力不应过高，文章建议初始预应力为CFRP筋张拉力的40%为宜；（3）嵌入式的加固

方式使得CFRP筋和混凝土之间有效的结合在一起，减少了剥离破坏的可能，并且CFRP筋可以锚固在与梁连接的构件中，减少了锚固端的预应力损失；（4）采用文章的有限元建模，所得的荷载—挠度变化趋势与试验结果基本一致，特别是在钢筋屈服前，两者误差很小；（5）预应力CFRP筋加固有效抑制了裂缝的开展，外荷载作用

下，先要抵消初始预应力，再由混凝土和钢筋、CFRP筋系统共同受力，大大延缓了裂缝的出现时间，发展也缓慢，CFRP筋强度高，梁的变形挠度小，可以有效避免集中裂缝的出现，提高梁的极限承载能力。

参考文献

[1]Raafa El-Hacha，Mohamed Gaafar.Flexural strengthening of reinforced concrete beams using prestressed，near-surface-mounted CFRP bars[J].2011.

[2]宋中南.我国混凝土结构加固修复业技术现状与发展对策[J].混凝土，2002，156（10）.