碳纤维加固简支梁的有限元分析.docx

碳纤维加固简支梁的有限元分析张丽丽， 玄伟， 陈洋（山东科技大学，山东 青岛 266590）摘 要：针对碳纤维布加固混凝土梁进行非线性有限元分析，对比分析加固前后的内力与变形，阐明碳纤维对混凝土简支梁的作用.关键词：碳纤维； 有限元； 加固； 简支梁中图分类号：tu 3751文献标识码：afinite element analysis of reinforced beams strengthened with cfrpzhang lili， xuan wei， chen yang（shandong university of science and technology，qingdao 266590，shandong china）abstract: the nonlinear finite element analysis of concrete beams strengthened with cfrp was carried out. theresults of stress and deformation before and after reinforcement were compared，then we clarify the effect of cfrpon concrete beamskey words: cfrp； finite element； reinforcement； concrete beam碳纤维布加固混凝土梁构件设计的方法大多都基于大量试验数据上的经验公式，一般都是按线弹性理论对其进行分析. 本文针对碳纤维布加固混凝土梁进行非线性有限元分析，对比分析加固前后的内力与变 形，阐明碳纤维的作用机理与效果 .有限元单元采用 ansys 结构静力分析模块，利用直接建模法采用分离式钢筋混凝土模型建立有限元模型，利用 solid65 模拟混凝土单元1，采用 beam188 单元模拟钢筋单元，采用 shell41 空间膜单元模拟碳纤维布单 元，该单元可以较好地模拟碳纤维布单向受力性能.1碳纤维加固混凝土梁有限元模型的建立2模型尺寸2 . 试验梁为矩形截面简支梁，截面尺寸为 200 mm300 mm，跨度 30 m，净跨 27 m，纵向底筋采用 214，架立钢筋 28，箍筋 8120，全长配箍，钢筋的保护层厚度为为 30 mm，梁底粘贴单层单向碳 纤维布，碳纤维布宽度 200 mm，厚度 0167 mm .材料性能参数 . 钢筋均为一级，钢筋弹性模量 e21e5 mpa，泊松比 v03，钢筋的应力一应变关系3采用双直线（完全弹塑性模型）进行模拟. 碳纤维布弹性模量 e23e5 mpa，碳纤维布是一种线弹性材料，破坏 前认为其始终处于弹性工作阶段. 混凝土采用 c45，抗拉强度 251 mpa，混凝土弹性模量 e325e4 mpa，泊松比 v02，裂缝张开与闭合剪力传递系数分别为 05 和 09 .试验通过两点加载，在模型上施加节点载荷，对加固前后的梁施加相同的载荷，大小为 1500 n，将集中 力等效分配在有限元模型的节点上，以有效的降低应力集中产生的影响 . 建立有限元模型 . solid65 混凝 土单元与钢筋单元分别建模，钢筋与混凝土共用节点，不采用耦合的形式.采用自下向上实体建模，先建立整个钢筋混凝土的实体，然后利用 ansys 中的布尔操作，根据钢筋混收稿日期: 2013-06-09作者简介: 张丽丽（1987-），女，山东日照人，硕士研究生，研究方向为建筑结构工程.河 南科 学第 31 卷 第 9 期-1448-凝土中钢筋的位置进行切割，我们将单元网格尺寸划分为 50 mm，切割时混凝土的保护层厚度可适当 增大. 通过交线形成混凝土的纵向钢筋和箍筋. 假 定各材料之间有良好的黏结，不产生相对滑移，建 立模型时，直接将重合的各单元节点压缩为一个节 点，使它们共同受力，产生相同的变形. 将 solid65 单元划分为六面体单元，并在加载点与支座处建立 以 solid45 为单元的弹性垫块，以提高计算精度 . 网格划分后有限元模型如图 1 .block3005050support图 1 混凝土梁有限元模型fig1 finite element model of concrete beam有限元结果分析通过对比简支梁在粘贴碳纤维布前后的应力、应变及竖向位移的结果分析，总结出碳纤维加固简支梁 的效果. 以下为加固梁与未加固梁的有限元分析结果4 . 位移单位为 mm，力的单位为 n，应力单位为 mpa .31位移分析由于混凝土与钢筋共用节点，始终共同工作，有相同的位移与变形，故可用钢筋的位移代替混凝土梁的 位移进行分析. 为了便于观看，此处只取加固前后底部纵向受拉钢筋结果数据，如图 2 和图 3 所示.3step=1may 9 2013time=5.178z-.150 126-.105 471-.060 815-.016 16.028 496图 2 加固前简支梁受力后钢筋 y 方向位移图fig2 before the reinforcemeng y direction displacement of beam reinforcement图 3 加固后简支梁受力后钢筋 y 方向位移图fig3 after the reinforcemeng y direction displacement of beam reinforcement由图 2 和图 3 可以看出，施加 y 方向的负向荷载后，加固前后钢筋的位移均是中间大，然后向两端逐渐递减，这与力的加载方向是一致的 . 而加固前后，梁端部会出现局部翘起，也是与实际情况在距离梁边缘一 定距离处设立支座相符合的.由计算结果显示，最大位移均出现在梁跨中，加固前 y 方向最大位移为0336 mm，在进行碳纤维加固后，y 方向最大位移为0172 mm，加固前后 y 方向最大位移减小 488 .由此可见，经碳纤维加固后的简支梁，其竖向位移有了明显的减小，说明，在荷载作用下，即使钢筋未达 到其屈服荷载，碳纤维布也能有效地减小梁的位移变形.32应力分析钢筋应力. 为了更明显地观察钢筋应力图，这里根据钢筋的材料号提取具体的底部纵筋与上部受压钢 筋进行分析，而不是取所有钢筋进行观察 . 由图 4 和图 5 可以看出，梁在受力后其钢筋应力变化规律为，上 部受压构造钢筋与底部受拉纵筋，其应力大小都是从中间向两端逐步递减，这与实际情况是相吻合的 . 由 图4 和图 5 可看出梁在加固前后，其底部纵向钢筋所受最大拉应力分别为 9088 n/mm2 和 463 n/mm2，减小4905 . 此外，上部受压构造钢筋最大压应力加固前后分别为928 n/mm2 和478 n/mm2，减小约 485 .即加固后，梁内钢筋的应力水平均得到了明显的改善 . 这是由于粘贴碳纤维布后相当于增加受拉钢筋 面积，使得抗拉能力提高，在原配筋率不变时提高梁的极限承载力.1nodal solutionsub=1010:01:10uy （avg）rsys=0dmx=.174 829smn=-.172 454smx=-.028 496yxmn-.172 454-.127 798-.083 143-.038 487.006 1681nodal solutionstep=1may 8 2013sub=1518:40:34time=10uy （avg）rsys=0dmx=.341 2smn=-.336 556smx=-.055 9yz xmnmx-.336 556-.249 344-.162 131-.074 919.122 93-.292 95-.205 737-.118 525-.031 313.055 92013 年 9月张丽丽，等： 碳纤维加固简支梁的有限元分析-1449-nodal solutionsub=1010:20:57sx （avg）dmx=.190 145smx=4.63z-3.734-1.643.448 122.5394.63图 5 加固后简支梁受力钢筋 x 方向应力图fig5 after the reinforcemeng x direction stress of beam reinforcement图 4 加固前简支梁受力钢筋 x 方向应力图fig4 before the reinforcemeng x direction stress of beam reinforcement混凝土应力. 提取混凝土单元，观察其应力云图. 图 6 和图 7 分别为施加相同荷载加固前后混凝土 x 方向的应力云图 . 位于加固前后梁上部中间部位为最大压应力区域，加固前压应力范围27322188 n/mm2， 加固后压应力范围14071128 n/mm2 . 即加固后梁上部受压区混凝土压应力急剧减小约 485，这是由于加固后中和轴下移，压区混凝土高度增大，有利于混凝土梁抗弯承载力的增长 . 而梁下部中间部位表示混凝土受拉区最大拉应力，对比其值也可看出加固后梁下部混凝土拉应力也明显减小 . 故而可知，经碳纤维 布加固后能提高梁的开裂荷载.10:03:19sx （avg）z7-.848 553-.289 936.268 681.827 299图 7 加固后简支梁受力后混凝土 x 方向应力图fig7 after the reinforcemeng x direction stress of beam concrete图 6 加固前简支梁受力后混凝土 x 方向应力图fig6 before the reinforcemeng x direction stress of beam concrete结语41）碳纤维加固混凝土的方法效益高，施工方便，断面增加很小，应用日益扩大 . 2）碳纤维加固后梁的挠度和变形明显变小. 3）粘贴碳纤维后，相当于增加了受拉钢筋面积，极大地提高了梁的抗弯承载能力. 4）粘 贴碳纤维后，中和轴下移，压区混凝土高度增加，也提高了抗弯承载能力 . 5）碳纤维加固后，梁下部应力减小，即提高了混凝土梁的开裂荷载 .参考文献:1234刘世忠 基于 ansys 的钢筋混凝土结构非线性有限元分析j 四川建筑，2006，6（2）：9295徐福泉 碳纤维布加固钢筋混凝土梁静载性能研究d 上海：中国科学院上海冶金研究院，2001：1155. 中华人民共和国住房和城乡建设部 gb 500102010 混凝土结构设计规范s 北京：中国建筑工业出版社，2011. 杜海强 碳纤维布加固混凝土梁抗弯承载力研究d 湖南：中南大学，2007：190.（编辑张松林）1nodal soluti step=1sub=10time=5.178rsys=0dmx=.175 159smn=-1.407smx=1.107onmay 9 2013yx-1.128 -.569 244-.010 627.547 991.107-1.401nodal solutionstep=1may 8 2013sub=1518:58:27time=10sx （avg）rsys=0dmx=.341 46smn=-2.732smx=2.168yz xmx-2.732 -1.643 -.554 486.534 5191.624-2.188 -1.099 -.009 9831.0792.1