基于有限元模拟的FRP 筋加固混凝土梁受力性能浅析

杨奔

（北海职业学院）

0 前言

FRP 材料（纤维增强复合材料）在现在的土木建筑工程中应用得越来越广泛。FRP 材料具有抗拉性强、质量轻、耐腐蚀等优点。在土木建筑工程中采用FRP 材料能够有效增强建筑的受力性能。常见的FRP 主要包括FRP 筋材、FRP 片材、FRP 筒材等。FRP 筋是由碳纤维等多股连续纤维通过环氧树脂等基材进行胶合后，采用特殊的模具进行挤压并拉拔成型，由于FRP 筋抗拉性能比钢筋好，故FRP 筋可以在一定条件下在一定程度上替代钢筋受拉且效果较好。而在土木建筑工程实际施工前，可以采用有限元软件对FRP 筋加固混凝土梁受力性能进行建筑信息化有限元仿真模拟，提前发现一些可能在土木建筑工程实际施工出现的问题，从而提前寻找解决方法，进而节省工程经费，提高工程质量。本文以混凝土梁添加FRP 筋为例，主要对FRP 筋加固混凝土梁的受力性能进行有限元分析。

1 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元软件参照实际建筑混凝土梁构件建立一个如图1 所示的FRP 筋混凝土梁的有限元模型，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，混凝土梁的总长度为2500mm，总宽度为150mm，总高度为300mm。其中，混凝土梁中混凝土的材料特性为：弹性模量E混为3.25×1010N/m2，泊松比为0.2，抗压强度fc为2.4×107N/m2，抗拉强度ft为2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型。

图1 FRP 筋混凝土梁尺寸

1.2 FRP 筋的模拟

参照FRP 材料相关研究资料，FRP 筋采用桁架单元进行建模。FRP 筋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。

1.3 FRP- 混凝土界面的模拟

参照FRP 材料相关研究资料，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，FRP 与混凝土之间连接处的界面粘结单元采用非线性Spring2 单元进行模拟，其刚度K 由FRP-混凝土界面粘结-滑移关系曲线的一阶导数得出：

1.4 荷载的施加及网格的划分

FRP 筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷载。

进行FRP 筋混凝土梁有限元模型网格划分时，网格单元采用六面体单元，网格近似全局尺寸为10mm。

加载中的FRP 筋混凝土梁有限元模型受载后的损伤云图如图2 所示。为了更好呈现受载后FRP 筋混凝土梁的内部、外部受力性能，加载中的FRP 筋混凝土梁有限元模型损伤云图采用局部剖视法进行呈现。

图2 加载中的FRP 筋混凝土梁有限元模型损伤云图（局部剖视）

2 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

经过对FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能进行分析，并与相关研究进行对比，可以得出以下分析结果：

⑴由于FRP 筋抗拉性能比钢筋好，故FRP 筋混凝土梁的梁底抗拉性能比相应的钢筋混凝土梁的梁底抗拉性能好。

⑵由于FRP 筋抗弯性能较钢筋差，故FRP 筋混凝土梁的整体抗弯性能不如相应的钢筋混凝土梁。因此，纯FRP 筋混凝土梁的整体受力性能不如部分FRP 筋的钢筋混凝土梁。FRP 筋加固混凝土梁时，只需将部分钢筋替换为相应FRP 筋即可。

3 结语

本文主要从FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立、受力性能分析等方面，对FRP 筋加固混凝土梁的受力性能进行了有限元分析，为相关的工程技术人员人员提供一定的参考。