1、第 34 卷第 32 期山西建筑Vol. 34 No. 32! 85 !2 0 0 8 年 1 1 月SHANXI ARCH ITECTURENov. 2008文章编号: 1009 6825( 2008) 32 0085 02碳纤维加固建筑的应用及其有限元分析张冠青摘 要: 分析了碳纤维加固方法, 并应用有限元软件 AN SY S 仿真模拟了碳纤维加固钢筋混凝土梁的工作性能, 建立了数值分析模型。分析表明, 应用碳纤维加固梁后, 梁的跨中挠度和裂缝明显变小且分布均匀。关键词: 碳纤维增强聚合物, 加固, 有限元分析, 钢筋混凝土梁中图分类号: T U 746. 3文献标识码: A随着大量建筑达
2、到或超过使用寿命, 或者是使用功能发生改变以及相当数量的新建建筑出现质量问题, 对建筑结构进行加固越来越成为建筑领域的一个重要分支。目前, 对建筑物的加固方法有许多种, 其中碳纤维增强聚合物 ( Carbon Fiber Reinforced Polymer, 简称 CFR P) 用于加固是一项正在发展中的新技术 1 。 A NSYS 是 20 世纪 70 年代由 A NSYS 公司开发的工程分析软件,现已广泛应用于土木工程、机械工程、航空工程等领域, 可以模拟分析结构稳定性、动力响应、疲劳以及特定条件下材料非线性、几何非线性问题。在此采用分层梁单元理论对加固后梁在 A NSYS 中进行非线性
3、有限元全过程分析 2 , 对碳纤维布在混凝土结构加固中的设计有一定的借鉴意义。1 碳纤维加固1. 1碳纤维加固的原理将高强度或者高弹性模量的碳纤维材料用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构受拉表面时,采用单向排列成束或者双排成束的方式, 使碳纤维与原结构形成新的受力整体, 让碳纤维材料与钢筋混凝土结构共同承受荷载,增强结构的抗拉和抗剪能力, 提高强度、刚度、抗裂性和结构的延性, 从而使结构达到加固和补强的效果 3 。1. 2碳纤维加固的技术优势CFR P 适用范围广, 加固效率高, 可用于不同类型( 如板、梁) 、不同材料( 如钢、混凝土) 的构件加固; 高强度( 大约是
4、钢筋强度的10 倍) 和高弹性模量、有很强的抗腐蚀性能和耐久性能、附加荷载轻不增加自重和断面的尺寸、柔性材料施工非常方便、快捷; 碳纤维复合材料厚度最多仅为几毫米, 基本上不改变原结构的设计尺寸 , 同时对建筑美观影响不大; 其质量易保证, 应用的时间较长,就总体而言, 相比其他加固方法其综合造价较低。2 有限元分析2. 1基本假定在 A NSYS 分析中采用如下假定 4 : 1) CF RP 布与混凝土, 混凝土与钢筋粘结良好, 无相对滑移; 2) 在受力过程中, CFR P 布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理; 3) 梁在加固前后的抗剪承载力足够; 4) 混凝土按初始各向同性的弹
5、塑性材料考虑 , 开裂后按各向异性计算, 且假设为连续均匀材料; 5) 假定混凝土单元里面的任何一个节点都能产生裂缝, 不考虑时间( 龄期) 和环境温湿度的作用。2. 2分析方案如图 1 所示的钢筋混凝土梁 5 , 横截面尺寸为 bh= 200 mm400 mm, 梁的跨度为 L = 3. 0 m, 支座宽度为 250 mm, 采用 C20 混凝土, 梁内受拉纵筋为 3 20, 架立筋采用 2 12, 箍筋采用 6 150, 钢筋保护层厚度为 25 mm。对于梁中所有钢筋, 弹性模量为 2. 1105 M Pa, 抗拉强度设计值为 210 M Pa, 密度为 7. 8103 kg/ m3 ,
6、泊松比为 0. 3。根据GB 50010, 混凝土的弹性模量为 2. 55104 MPa,轴心抗压强度设计值为9. 6 M Pa, 轴心抗拉强度设计值为1. 10 M Pa, 相应于峰值压应力的应变以及极限压应变分别为 0. 002 和0. 003 3。CFRP 布的单层厚度 0. 11 mm, 弹性模量 2. 5103 MPa,1) 对于变截面连续梁特别是大跨径应布置纵向弯束, 同时应 力钢束, 这能有效地避免由于温差应力引起地梁体裂缝。尽可能靠近腹板布置, 并根据受力( 应计入径向力) 要求配置足够 参考文献:的箱梁横向底板钢筋及防崩钢筋。2) 竖向预应力钢筋尽量布置 1范立础. 预应力混
7、凝土连续梁桥 M . 北京: 人民交通出版在腹板中心线上, 有时为了便于纵向腹板钢束的通行, 可将竖向社, 1988.钢筋对称于腹板中心线布置。3) 由于墩顶箱梁受到支反力产生 2JT G D60 2004, 公路桥涵设计通用规范 S .很大的横向弯矩, 并将导致箱梁顶板出现较大的拉应力, 因而应 3JT J 023 85, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土 S .在箱梁上端施加用于平衡支反力的横向预应力。4) 应根据新规 4刘文韬. 预应力混凝土刚构 连续梁桥的设计探讨 J . 山范梯度温度计算地箱梁截面上下缘的拉压应力, 配置足够的预应西建筑, 2007, 33( 30) : 316 317.
8、Brief discussion on noticed problems in the design of changed section continual beamLIU HuiSUN Yi huiAbstract: Combining w ith extensive application of changed sect ion prestressed concrete continual box beam, it t horoughly discusses noticed problems in changed section continual beam design aiming
9、at the actuality of big span entire prestressed concrete continual box beam appearing cracks universally , and puts for ward correlated opinions, consequently reaches the purpose of prev enting box beam cracks.Key words: prestressed, continual box beam, design, cr ack收稿日期: 2008 06 18作者简介: 张冠青( 1976
10、) , 男, 工程师, 中冶赛迪工程技术股份有限公司, 重庆400013! 86 !第 34 卷第 32 期2 0 0 8 年 1 1 月山 西 建 筑抗拉强度 3 000 M Pa, 泊松比 0. 22, CFRP 的本构关系为线弹性,即 cf = Ecf cf 。采用三根相同的梁进行分析, 图 1 中 L1 是未加碳纤维的梁, L 2 是在受拉区粘贴一层 CF RP 的梁, L 3 是在受拉区粘贴两层 CFR P 的梁。采用三分点加载。支座附近剪力较大, 所以 CFRP 布等效应变的最大值出现在跨中和支座附近; 距离跨中和支座较远处应变较小。加固后, 梁跨中截面应力应变与未加固时相比均有减
11、小, 应变变化较明显; 截面中线处应力应变均较小, 离中线较远处, 应力应变取值均变大。2. 3模拟材料选择采用 Solid65 来模拟混凝土, Solid65 是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元, 可以考虑塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性及材料的拉裂和压溃引起的非线性。该单元是三维实体单元, 有 8 个节点,每个节点都有沿着 X , Y , Z 三个方向的自由度, 单元能够发生塑性变形, 可以在 3 个正交方向开裂和压碎。采用L ink8 单元来模拟钢筋, 该单元为三维空间实体, 有2 个节点, 每个节点具有 3 个自由度, 在 X , Y ,
12、 Z 方向上的转动, 承受单轴压力和拉力, 在结构的连接点不考虑单元的弯曲, 包括塑性、蠕变、膨胀、硬化和大变形能力。采用 Shell41 单元模拟 CF RP 布, CF RP 布的材料性能可以通过定义 Shell41 单元的输入参数来定义。Shell41 是平面单元, 考虑平面内刚度, 不考虑平面外刚度, 即弯曲刚度, 适用单元的弯曲属于次要因素的壳结构。由于纤维布的厚度很小, 通常忽略其弯曲刚度, 因此采用 Shell41 单元来模拟 6 。可以在指定面上定义单元, 不考虑相互错动, 把混凝土和纤维布相邻的节点合并就可以实现混凝土和纤维布的位移协调。2. 4ANSYS 建模根据以上的材料
13、参数, 在 AN SY S 中建立有限元模型如图 2 所示。3 模型分析结果通过以上的ANSYS 建模和计算, 最终得到的位移图, 从 ANSYS 得出的变形图可知: 随着碳纤维的粘贴方式的不同, 其挠度或者应变是不同的。没有加碳纤维的梁其挠度变化较大, 并且有一定的裂缝, 裂缝分布较稀疏, 但裂缝的宽度比较大; 当受拉面上粘贴碳纤维时, 其跨中挠度明显降低, 裂缝细小且分布较均匀, 说明加固梁受拉边的裂缝开展受到碳纤维的约束作用; 受拉面粘贴双层碳纤维时, 其挠度很小, 裂缝分布均匀, 并且都是十分细小的裂缝 , 这说明碳纤维抑制了裂缝的进一步发展, 有效提高了梁的刚度, 对结构的加固和保护
14、起到了一定的作用。对于 CF RP 布加固的钢筋混凝土简支梁, 在跨中弯矩较大, 在4 结语在荷载相同的情况下, 加碳纤维比不加碳纤维的挠度小, 而且在一定的厚度范围内, 碳纤维的厚度越大, 梁的挠度越小, 变形越小, 裂缝就越小, 并且比较均匀。但是, 不是无限的增大碳纤维量,较大的加固量可以提高梁的承载能力, 同时也降低了梁的延性。目前, 对 CFRP 加固后结构的各种性能的研究还不够深入,本文应用大型通用有限元软件 AN SY S 来仿真模拟碳纤维加固混凝土梁, 弥补了传统内力计算带来的不足, 为确定合理的加固法提供了依据, 对类似方案的加固和维修有一定的参考价值。参考文献: 1吕西林.
15、 建筑结构加固设计 M . 北京: 科学出版社, 2001. 2 张 磊. 碳纤维加固钢筋混凝土梁正截面承载力计算和有限元分析 D . 天津: 天津大学建筑工程学院, 2005. 3廖 文. CFRP 复合材料在加固混凝土结构中的应用现状 J . 科技资讯, 2006( 25) : 223 224. 4 王连英. 桥梁结构碳纤维加固及其 A NSYS 仿真模拟 J . 四川建筑, 2006( 5) : 101 102. 5 叶列平, 崔 卫, 岳清瑞, 等. 碳纤维布加固混凝土构件正截面受弯承载力分析 J . 建筑结构, 2001, 31( 3) : 3 12. 6 郝文化. A NSYS 土
16、木工程应用实例 M . 北京: 中国水利水电出版社, 2005. 7乔伟力, 王 迎. CF RP 在加固工程中的应用 J . 山西建筑,2007, 33( 22) : 70 71.Application of carbon fiber reinforced construction and finite element method analysisZHANG Guan qingAbstract: It analyses the carbon fiber reinforcement methods and apply the finite element software AN SY S t
17、o simulate the wor k of the carbon fiber reinforced concrete beam reinfo rcement w ith the establishment of a numerical model. T he results show s that after the applicatio n of carbo n fiber r einforced beam, the deflection and the cross cr acks of the beam become obv iously smaller and distr ibuted ev enly. Key words: Carbon Fiber Reinforced Poly mer, reinfor cement, finite element method analysis, reinfo rced concrete beam
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