预应力CFRP加固RC梁的受力性能仿真分析

2019-10-25陈翊文李春良张洪铭张笑宇

吉林建筑大学学报 2019年4期

陈翊文，李春良，张洪铭，张笑宇

吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春 130118

0 引言

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer/plastic,英文缩写为CFRP)加固是目前较为先进的结构加固技术.对比加大截面积、增设体外预应力等传统的桥梁加固方法,CFRP加固法具有轻、薄、强度高、施工便捷和适用不同外形的结构等优势.而预应力CFRP对比未施加预应力的CFRP,在加固效果上,结构的抗压、抗弯和抗剪等性能有显著提高.同时,预应力CFRP加固在其本身的利用率方面,要高于未施加预应力的CFRP加固.

Garden等[1]在试验中研究了预应力 CFRP 布加固后梁的承载力和受弯性能.结果表明,预应力碳纤维片材加固可以增强构件刚度,减小构件变形,改善构件正常使用阶段的性能.

Saadatmanesh和Ehsanj[2]通过对已产生裂缝的梁进行预应力碳纤维布加固,发现一些裂缝产生了闭合,大大提高了梁正常使用阶段的工作性能.

孔琴[3]通过试验研究得出:预应力CFRP用于钢筋混凝土结构的加固既发挥了其本身的高强性能,又提高了加固构件的受力性能.

张庆涛[4]通过实验结果和理论分析,总结出了CFRP中的预应力 - 承载力关系曲线、预应力 - 挠度曲线,并将分析结果用于实际工程.

肖骁[5]用桥梁验证预应力碳纤维板加固法的加固效果,对原设计、实际施工以及加固后等三种情况做了对比分析,得出预应力碳纤维板的加固效果具有工程实用价值.

本文拟建立钢筋混凝土(Reinforced concrete,英文缩写为RC)梁、CFRP加固的RC梁和预应力CFRP加固的RC梁等不同工况的ANSYS模型[6],进行受力分析,并与文献[7]的试验结果进行对比,研究预应力CFRP加固RC梁的受力性能.

1 预应力CFRP加固RC梁的数值模拟

1.1 单元的选择

(1) 选用SOLID 65单元模拟混凝土梁. SOLID 65单元具有8个节点,3个自由度,可模拟出混凝土的开裂、压碎和应力释放等非线性特点,真实地反映混凝土的材料性能.

(2) 选用LINK 8单元模拟钢筋. LINK 8单元具有2个节点,3个自由度,可真实模拟钢筋的工况.

(3) 选用SHELL 41单元模拟CFRP. SHELL 41单元具有4个节点,3个自由度,有仅拉选项,可模拟出外贴CFRP仅承受面内拉力的工况,符合实际受力特点.

1.2 材料属性的定义

(1) 选用C 40混凝土,其抗压强度为26.8 MPa,抗拉强度为2.39 MPa,弹性模量为32.5 GPa.本构关系按下式表达：

(1)

式中,σ为混凝土应力,MPa;σ0为混凝土峰值应力,MPa,其值按0.85fck计取,fck为混凝土标准圆柱体抗压强度，MPa,0.85为折减系数;ε为混凝土应变;ε0为混凝土极限应力所对应的应变,εcu为混凝土极限压应变,根据《结构设计原理》[8]按ε0=0.002,εcu=0.003 5计取.本构关系如图1所示.

(2) 选用HRB 335钢筋,其屈服强度为335 MPa,弹性模量为200 GPa.本构关系按下式表达:

(2)

式中,σs为钢筋应力,MPa;εs为钢筋应变;Es为钢筋的弹性模量,GPa;εy为钢筋屈服应变;σy为钢筋屈服强度,MPa.本构关系如图2所示.

(3) CFRP为接近理想的线弹性材料,其极限强度为3 500 MPa,弹性模量为235 GPa.本构关系如图3所示.

图1 混凝土本构关系Fig.1 Constitutive relationshipof concrete 图2 钢筋本构关系Fig.2 Constitutive relationshipof reinforced steel 图3 CFRP本构关系Fig.3 Constitutive relationship ofcarbon fiber reinforced polymer

1.3 模型的建立

钢筋混凝土梁长3.00 m,计算跨径2.50 m,宽0.12 m,高0.24 m,受拉钢筋为2ø12,梁内配置足够多的箍筋,碳纤维厚度0.167 mm,结构如图4所示.

图4 钢筋混凝土梁结构示意图(mm)Fig.4 Structural sketch of reinforced concrete beam(mm)

本文用ANSYS模拟如下4种工况:

(1) 未粘贴CFRP的RC梁L 1(对比梁);

(2) 粘贴无预应力CFRP加固的RC梁L 2;

(3) 粘贴施加1 t预应力CFRP加固的RC梁L 3;

(4) 粘贴施加2 t预应力CFRP加固的RC梁L 4.

3种材料用公用节点法进行连接,有限元模型如图5所示.

(a) RC梁(a) RC beam (b) 梁内钢筋(b) Reinforced steels in beam (c) 预应力CFRP(c) Pre-stressed CFRP图5 有限元模型Fig.5 Finite element model

1.4 梁的加载方式

图6 加载方式(mm)Fig.6 Load type(mm)

1.5 预应力的施加

CFRP热膨胀系数取值-0.74×10-51/K[9],由于为值负,故采用升温法模拟CFRP的预应力.CFRP升温收缩,使其粘结的RC梁底受拉区产生预压应力,形成反拱.施加完预应力后,用ANSYS重启动来完成二次受力分析.

2 非线性计算收敛分析及处理方法

由于模型含有非线性材料,计算结果的不收敛在预应力CFRP加固RC梁的非线性分析中是很常见的.采用如下4种措施来解决计算不收敛的问题:

(1) 控制加载量. 采用逐步施加荷载的方法来达到极限荷载.荷载的增量过大,计算精度会下降,易发生不收敛；荷载的增量过小,计算时间就越长.本次计算采取自动时间步长取值,每步增量1 kN,子步个数为20个.

(2) 调整网格大小. 网格的大小往往会影响计算的收敛,过大的网格会导致计算结果误差较大，过密网格会导致计算时间过长,同时发生应力集中,导致计算不收敛.综合考虑,网格的大小取0.05 m.

(3) 收敛精度的设置. 适当调节收敛精度,可以放宽收敛条件,加快收敛速度.

(4) 关闭混凝土压碎功能. 不考虑混凝土压碎,计算更容易收敛.由于本次模拟是研究混凝土的抗弯性能,所以建模时关闭压碎检查,提高计算的收敛性.

3 计算结果与试验对比

将ANSYS模拟计算所得出的梁跨中挠度-荷载关系、压应变-荷载关系,与试验所得的结果,进行绘制,得到如图7～图8所示的对比曲线.

图7 跨中挠度-荷载曲线Fig.7 Deflection-load curve in mid-span

图7为跨中挠度 - 荷载关系曲线,ANSYS模拟值与试验值基本吻合,结果均体现出,相同荷载作用下,跨中挠度值L 1梁大于L 2梁大于L 3梁、L 4梁;图8为混凝土梁顶压应变 - 荷载关系曲线,ANSYS模拟值与试验值同样吻合良好,结果均显示,相同荷载作用下,跨中RC梁顶压应变L 1梁大于L 2梁大于L 3梁、L 4梁.

CFRP加固能提高RC梁的抗弯性能.施加预应力的CFRP对比未施加预应力的CFRP,RC梁的抗弯性能进一步提高,CFRP自身的利用率也同时得到提高.同为预应力CFRP加固的RC梁,对CFRP施加的预应力越大,梁的使用性能提升越大.所以,预应力CFRP加固RC梁的加固方法有显著的加固效果.

由图7～图8可见,ANSYS计算结果与试验结果吻合情况较好,其揭示出的规律也与试验一致，表明ANSYS模型建立正确、预应力施加合理、控制收敛措施有效.ANSYS软件可用于试验的模拟及实际工程的预测.