碳纤维布在桥梁结构中抗裂性能数值模拟

谌菊红

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

黏碳纤维（Carbon Fiber Reinforced Ploymer，简称CFRP）法是目前结构加固补强常用的方法之一，由于CFRP具有材料轻质、耐腐蚀、片材很薄、抗拉强度高以及施工方便等许多优良的性能，因此非常适用于土木工程加固领域[1]。随着有限元理论的日趋完善以及计算机技术水平的快速发展，采用有限元方法对碳纤维布加固钢筋混凝土构件进行研究，已经成为桥梁领域研究的热点[2]。国内外学者对该方向进行了很多ANSYS数值模拟分析，同时作为一种新的结构加固修复技术，其在工程中也广泛应用[3]，并且使用有限元分析的方法能解决普通解析方法分析不了的复杂的碳纤维布加固钢筋混凝土构件的问题。目前，工程领域能使用的有限元程序已经有数百种。该文简要介绍使用MIDAS软件分析CFRP加固后的钢筋混凝土构件的影响以及建模时单元选取、网格划分、加载等方面需要注意的一些事项。对不同加固层，不同纤维布布置位置在不同荷载作用下梁、板的应力状况进行分析。

1 模型的建立

1.1 模型尺寸及材料特性

定性定量地分析在不同荷载作用下，相同钢筋混凝土简支梁试件在不同纤维布布置位置和不同层数时对钢筋混凝土梁抗裂加固效果的影响。建模模型为矩形截面钢筋混凝土简支梁，长度为2000 mm，截面尺寸为120 mm×240 mm。混凝土强度等级为C30，保护层厚度为30 mm，梁的受压钢筋为2根直径8 mm的HPB33级钢筋，受拉钢筋为2根直径12 mmHPB335级钢筋。在梁段1/3点位置进行分级对称的加载。模型尺寸、加载位置如图1所示。

图1 模型尺寸及加载位置（单位：mm）

为了将加固材料和构件连接为整体，一般通过树脂胶将纤维布固定在钢筋混凝土梁底，这样既不会影响试验构件的力学性能，又能达到黏接的效果。结构各材料钢筋、混凝土、树脂胶及碳纤维布的材料性能见表1。

表1 材料特性

1.2 加载方式及模型建立

利用有限元软件MIDAS建模，建模时混凝土为实体单元，受拉受压钢筋为杆单元，胶层和纤维布为板单元[4]。在使用MIDAS软件进行计算时，集中荷载是直接加载到节点上，由于加载点处和支座处的荷载较大，在局部很可能产生应力集中的现象，并且可能使应力集中部位的混凝土单元被压碎，从而导致计算发散，影响分析结果。为了使集中力位置受力更合理，在建模时，在加载位置划分加密网格，模型如图2所示。

该文主要分析碳纤维布位置和碳纤维布层数在不同等级荷载作用下对模型的影响，分别建立了4种受力模型[5]。模型一：碳纤维布沿梁长度方向布置在梁底两侧，布置一层；模型二：碳纤维布沿梁长度方向布置在梁底两侧，布置两层；模型三：碳纤维布沿梁长度方向布置在梁底中间，布置一层；模型一：碳纤维布沿梁长度方向布置在梁底中间，布置两层。如图3所示。

图3 4种受力模型（单位：mm）

因此分析纤维布位置对构件的影响时，碳纤维布层数是定量，碳纤维布位置是变量，模型一和模型三为同一组对比量文中以第一组模型命名，模型二和模型四为同一组对比量文中以第二组模型命名；分析碳纤维布层数对构件的影响时，碳纤维布位置是定量，碳纤维布层数是变量，模型一和模型二为同一组对比量文中以第三组模型命名，模型三和模型四为同一组对比量文中以第四组模型命名。

2 计算结果分析

按照模型图纤维布的布置方式，分别对4种模型模拟相同静力荷载工况下不同的集中力进行分析，分析构件在20kN～180kN的分级荷载之间实体单元和纤维布的变化情况，分析结果见表2、表3。

表2 实体单元SIG-XX应力图

表3 板单元SIG-XX上缘应力图

从表1的数据中可以看出，随着集中荷载增加，构件内钢筋的拉应力也随之增大，并且将4个模型构件和不加纤维布的模型构件进行比较，在相同荷载下混凝土内的钢筋拉应力变化较小，这说明布置在混凝土底部的碳纤维布对构件内钢筋的拉应力影响不显著。从表2的数据中可以看出布置了碳纤维布后，梁底的拉应力增大，这说明碳纤维布确实有抵抗拉应力的作用，并且变化较大。

2.1 碳纤维布位置对混凝土梁应力的影响

为了进一步分析碳纤维布对混凝土抗裂性的影响，接下来对4组对比模型进行数据分析，并对分析结果进行阐述。

图4为实体单元应力图，显示的是不同模型钢筋应力变化，同组对比模型碳纤维布层数一致，布置位置不同，图4（a）为原模型和加固一层碳纤维布，碳纤维布位置分别在两边和中间的实体单元X方向应力图，图4（b）为原模型和加固两层碳纤维布，碳纤维布位置分别在两边和中间的实体单元X方向应力图；图5为板单元应力图，显示的是不同模型碳纤维布应力变化，同组对比模型碳纤维布层数一致，布置位置不同，图5（a）为加固一层碳纤维布，碳纤维布位置分别在两边和中间的板单元X方向应力图，图5（b）为加固两层碳纤维布，碳纤维布位置分别在两边和中间的板单元X方向应力图。

从图4可以看出，在相同的荷载强度下，碳纤维布无论布置在梁底两侧还是梁底中间，实体单元和板单元的应力变化都差不多，碳纤维布的位置对梁内钢筋应力影响较小；从图5中可以看出，在相同荷载强度下，碳纤维布布置在梁底两侧的实体单元和板单元产生的应力比碳纤维布布置在梁底中间产生的应力小，说明碳纤维布布置在梁底两侧的效果比布置在梁底中间要好。

图4 实体单元应力图

图5 板单元应力图

2.2 碳纤维布层数对混凝土梁应力的影响

图6为实体单元应力图，显示的是不同模型钢筋应力变化，同组对比模型碳纤维布位置一致，布置层数不同，图6（a）为原模型和碳纤维布布置在梁底两侧，分别加固一层碳纤维布和加固两层碳纤维布实体单元X方向应力图，图6（b）为原模型和碳纤维布布置在梁底中间，分别加固一层碳纤维布和加固两层碳纤维布实体单元X方向应力图；图7为板单元应力图，显示的是不同模型碳纤维布应力变化，同组对比模型碳纤维布位置一致，布置层数不同，图7（a）为碳纤维布布置在梁底两侧，分别加固一层碳纤维布和加固两层碳纤维布板单元X方向应力图，图7（b）为碳纤维布布置在梁底中间，分别加固一层碳纤维布和加固两层碳纤维布板单元X方向应力图。

图7 板单元应力图

从图6可以看出，在相同的荷载强度下，碳纤维布无论布置一层还是两层，实体单元和板单元的应力变化都差不多，碳纤维布的数量对梁内钢筋应力影响较小；从图7中可以看出，当荷载强度相同时，碳纤维布布置一层的实体单元和板单元产生的应力比碳纤维布布置两层产生的应力小，说明碳纤维布布置两层效果比布置一层要好。

3 结论

该试验的主要目的是研究碳纤维布加固的理想效果，所以模拟了简支梁进行软件分析试验，如果需要将研究结果应用到桥梁及其他领域，就应该设计相应足尺试件来进行试验，以确认碳纤维布的实际加固效果。

该文分别对4种模型进行数值模拟，在混凝土强度等级不变的情况下，在构件的三分之一点施加20 kN～180 kN的集中荷载，得到以下结论：1）碳纤维布加固可显著提高混凝土梁的动力性能，减少混凝土应力，充分提高混凝土的抗压强度，减少截面开裂的情况，能有效控制裂缝的发展。2）碳纤维布层数和布置位置与加固效果密切相关，梁的第一主应力随着碳纤维层数的增加而减少，即抗裂效果比较显著。纤维布布置在梁底两侧比布置在梁底中间抗裂效果好。