FRP 片材加固混凝土梁受力性能有限元分析

2020-03-30杨奔

广东建材 2020年2期

杨奔

（北海职业学院）

0 前言

我国经济、社会在不断发展，一些建筑随着时间的飞逝在慢慢老化，变成了急需加固维修的危旧建筑。实践表明，利用FRP 材料对危旧建筑进行加固是一种可行方案，而FRP 片材是常常用到的FRP 加固材料。常见的FRP 片材有FRP 布、FRP 薄板等。与FRP 棒材、FRP 格状材等其它FRP 加固材料相比，FRP 片材具有方便粘贴于混凝土结构表面、在一定程度上能有效增强混凝土结构的抗弯强度等优点。FRP 布和FRP 板等FRP 片材常常用于加固混凝土梁、板结构。在实际过程中，采用有限元方法研究FRP 片材加固混凝土梁、板结构是一种可行的研究方法。本文以钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板加固钢筋混凝土梁为例，主要对FRP 片材加固钢筋混凝土梁的受力性能进行有限元分析。

1 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 钢筋混凝土梁有限元模型的建立

利用有限元软件建立一个如图1 所示的钢筋混凝土梁的有限元模型，其中，钢筋混凝土梁总长度为2500mm，总宽度为150mm，总高度为300mm。为防止钢筋混凝土梁发生局部受压破坏，在支座和受力点处设置厚度为6mm 的钢垫片。钢筋混凝土梁的材料特性为：混凝土的抗压强度fc为2.4×107N/m2，混凝土的抗拉强度ft为2.4×106N/m2；钢筋的弹性模量E钢为1.9×1011N/m2，钢筋泊松比为0.3，钢筋屈服强度fy为2.1×108N/m2；垫块的弹性模量E垫为2.1×1012N/m2，垫块泊松比为0.3。混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型。钢筋混凝土梁有限元模型如图2 所示。

图1 钢筋混凝土梁尺寸

图2 钢筋混凝土梁有限元模型

1.2 FRP 薄板的模拟

参照相关研究，FRP 薄板采用实体单元进行建模。FRP 薄板的材料属性被设定为线弹性（Elastic），FRP 的弹性模量为237000MPa，泊松比为0.2。FRP 薄板的尺寸为长2000mm，宽110mm，厚10mm。

1.3 FRP- 混凝土界面的模拟

参照相关研究，钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板加固钢筋混凝土梁的有限元模型中，FRP 与混凝土之间的界面粘结单元采用非线性Spring2 单元进行模拟，所采用的非线性Spring2 单元的刚度K 取FRP-混凝土界面粘结-滑移关系曲线的一阶导数：

1.4 荷载的施加及网格的划分

钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板加固钢筋混凝土梁的有限元模型采用位移控制施加荷载。

进行钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板加固钢筋混凝土梁的有限元模型网格划分时，网格单元形状以四边形为主，网格近似全局尺寸为10mm。

1.5 方案的对比与结果

本研究主要采用钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板与不贴FRP 薄板进行对比分析钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板对钢筋混凝土梁受力性能的影响。

钢筋混凝土梁有限元模型的损伤云图如图3 所示。

图3 钢筋混凝土梁有限元模型损伤云图

2 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

经过对钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板与不贴FRP 薄板时钢筋混凝土梁受力性能进行对比分析，可以得出以下分析结果：

⑴钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板能在一定程度上增强钢筋混凝土梁的抗弯性能等受力性能。

⑵钢筋混凝土梁底的混凝土受拉导致出现弯曲裂缝，而弯曲裂缝在弯矩的作用下呈逐渐张开的趋势，而跨越弯曲裂缝两侧的FRP 片材能一定程度上阻止弯曲裂缝的张开。

⑶在钢筋混凝土梁底贴FRP 薄板加固钢筋混凝土梁的有限元模型加载过程中，刚开始加载时，在钢筋混凝土梁底跨中附件，首先出现竖向裂缝；随着荷载增加，陆续出现新的裂缝，直至裂缝基本出齐；继续加大荷载，受FRP 薄板的影响，在一定时间内，梁底裂缝不再随荷载增加而增加；当加载到一定程度后，梁底混凝土与FRP 薄板之间发生剥离，梁底裂缝迅速发展，直至梁承载力丧失。