碳纤维布加固简支梁数值模拟研究

2016-12-12陈超张鹏

公路与汽运 2016年6期

关键词：简支挠度碳纤维

陈超，张鹏

（1.江西省建科工程技术有限公司，江西南昌 330046；2.江西赣粤高速公路工程有限责任公司，江西南昌 330025）

碳纤维布加固简支梁数值模拟研究

陈超1，张鹏2

（1.江西省建科工程技术有限公司，江西南昌 330046；2.江西赣粤高速公路工程有限责任公司，江西南昌 330025）

碳纤维布加固因其几乎不增加原结构重量、适应性良好、施工简便、加固效果好、耐久和耐腐蚀性好等优点，在桥梁加固工程中得到广泛应用。文中利用ANSYS有限元软件建立某简支梁桥实体模型，分析不同结构损伤下梁桥的承载能力，并对碳纤维布加固前后桥梁的性能指标进行对比，结果表明碳纤维布加固能有效提高结构承载能力。

桥梁；简支梁；碳纤维布加固；承载能力

随着国民经济的快速发展，大、重型车辆的增加，对交通运输的要求大大提高，相应对公路桥涵等构造物的考验也越来越严峻。现有桥梁构造物大部分为建国后修建，一大批龄期40年左右的桥梁仍在使用，病害尚未到大量暴露期，但已有不少桥梁发生老化、破损、裂缝现象，危桥逐年增多，荷重能力明显下降。各项加固技术应运而生，其中碳纤维布加固在常温下用环氧树脂胶将碳纤维布粘贴于砼结构表面，使二者作为一个新的整体共同受力，其强度高、防水效果好、重量轻、不受形状限制，是一种非常简单且优良的被动加固补强方法。该文结合某简支梁，利用ANSYS分析碳纤维布的加固效果。

1 有限元模型的建立

1.1 模型参数分析

采用有限元分析软件ANSYS建立某简支梁桥中梁的分离式模型，砼采用八节点三维非线性实体单元Solid65，钢筋采用Link8杆单元，并考虑二者的本构关系；碳纤维布采用Shell41单元。为简化计算，不考虑钢筋与砼之间的粘结滑移。由于高强树脂的强度远高于砼强度，建模过程中不考虑砼与碳纤维布间的相对位移，将3块碳纤维布横向合并为一整块，而其他方向均不变。加固材料为C-30高强度碳纤维布，设计厚度0.167 mm，抗拉强度3 400 MPa，弹性模量2.3×105MPa，泊松比0.21。

1.2 设计荷载等级

按照JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》中公路-Ⅰ级车道荷载进行验证，取均布荷载标准值为10.5 k N／m，集中荷载为210 k N。为避免较大集中荷载导致应力集中影响计算结果，将集中力等效为均布荷载施加到模型上。

1.3 有限元模型

建立有限元实体模型，截面单元尺寸划分很重要，太大会影响精度，过小则计算量很大且影响收敛性。经不断调试，确定单元大小为30 mm×30 mm ×100 mm。划分单元后简支梁有限元模型见图1。

图1 某简支梁有限元模型

2 结果分析

2.1 桥梁无病害分析

（1）挠度。桥梁结构刚度是其承载能力的一个重要衡量标准，刚度越大，承载能力也越大。而桥梁结构刚度可通过挠度来反映，挠度越小，刚度越大。无病害状态时该简支梁中梁在自重及汽车荷载作用下的挠度见图2。从中可见，钢筋砼简支梁的挠度

最大为7.075 49 mm。

图2 简支梁中梁无病害状态时结构挠度云图（单位：mm）

（2）钢筋应力。在荷载作用下，底板各钢筋的受力状态近乎相同，且在纵向具有对称性，故取半跨某钢筋的应力（见图3）。由图3可知：钢筋在端部的应力最小，主要是由于端部无约束，不产生弯矩，钢筋应力近似认为等于零；端部到跨中的钢筋应力逐渐增加，跨中最大钢筋应力为44.8 MPa，结构在受力上表现为跨中的弯矩最大，且钢筋应力的增加速率从端部到跨中逐渐递减，即端部的增长速率最高，跨中附近增长速率最低。

图3 简支梁中梁无病害状态时钢筋应力

（3）极限承载能力。为得到桥梁无病害时的极限承载力，在有限元分析模拟时，通过定义钢筋砼的非线性施加一个面荷载，并设定多个子步，将荷载分解成多个小的荷载施加到模型上，得到无病害桥梁承载力荷载与跨中挠度曲线（见图4）。从中可见，中梁在跨中挠度为18.8 mm，荷载为277 k N时梁体开始屈服，此后荷载几乎不再增加，而挠度迅速增大，最终破坏。

图4 简支梁中梁无病害时荷载与跨中挠度曲线

2.2 桥梁带病害状态分析

受早期设计、施工不足及车辆超载等因素的影响，许多在役桥梁的荷载标准偏低，未达到使用基准期就出现不同程度损坏。分别考虑桥梁整体刚度下降为0.95、0.9、0.8和0.7等4种情况，对各类病害对桥梁结构承载力的影响进行对比分析。

（1）挠度。各病害状态时半跨各节点挠度见图5。由图5可以看出：中梁的整体刚度降低为95%、90%、80%、70%时，跨中最大挠度分别为7.433 2、 7.848、8.829、10.09 mm，相对于正常状态时的跨中最大挠度7.075 49 mm，各病害状态时的增幅分别为5.06%、10.92%、24.78%、42.6%。可见，随着刚度的降低，挠度的增幅越来越大。

图5 简支梁中梁各病害状态时半跨各节点挠度

（2）钢筋应力。随着刚度的减少，跨中最大挠度增大，钢筋和砼的应变相应增大，因而应力也增大。简支梁中梁各病害状态时钢筋各截面的应力见图6。由图6可知：跨中位置钢筋应力最大，当结构整体刚度下降为100%、95%、90%、80%、70%时，钢筋的最大应力分别为43.44、44.69、46.35、49.29、52.74 MPa，增幅为2.88%、6.70%、13.47、21.41%。

图6 简支梁中梁各病害状态时钢筋应力

（3）承载能力。不同病害情况下，结构的承载能力亦有所降低。由表1可知：桥梁病害越严重，跨中最大位移相应增大，但增幅不大，而极限荷载急剧下降，下降幅度很大。

表1 简支梁中梁各病害状态时最大位移与极限荷载

2.3 桥梁加固后的状态分析

通过粘贴碳纤维布，充分利用碳纤维抗拉强度极好的特性提高桥梁结构的强度、刚度、抗裂性和延性，

控制裂缝和挠度的继续发展。每片中梁底板处粘贴3块碳纤维布，碳纤维布尺寸为200 mm×11 960 mm ×0.167 mm，梁的两端500 mm范围内不加固，碳纤维布间距为75 mm。碳纤维加固实体模型见图7。

图7 碳纤维加固实体模型

（1）挠度。分析发现碳纤维加固对自重和汽车荷载作用下挠度的改善作用不明显，这是因为碳纤维很薄，截面面积很小，虽然弹性模量很大，但对整个截面刚度的改善作用不明显，加上在汽车荷载作用下梁底板的裂缝深度和宽度都很小，碳纤维的拉伸作用不很明显。但碳纤维布加固对极限荷载作用时挠度的影响很大。

（2）钢筋应力。粘贴碳纤维后，碳纤维将随梁底板一起受拉，此时钢筋的拉应力将部分由碳纤维承受。自重和车道荷载作用下，加固后梁钢筋应力见图8～11。

（3）碳纤维布应力。在荷载作用下，碳纤维会随着梁底缘砼产生应变，分析不同病害状态时碳纤维的应力很有必要。各病害状态时简支梁中梁在自重和汽车荷载作用下碳纤维的应力见图12。从总的走势来看，在各截面处，碳纤维的应力比对应位置钢筋的应力稍大，这是由于碳纤维的弹性模量比钢筋大；砼底缘处的应变比钢筋的应变大。由于碳纤维的起始位置距梁端500 mm，而砼在该处的应变不为零，因而该处的碳纤维应力增长较快。