碳纤维布加固钢筋混凝土梁非线性分析

[摘要]利用ANsYs有限元分析软件，根据已有的试验数据，建立混凝土梁的非线性有限元分析模型，模拟分析碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯破坏的全过程。详细说明了分析过程中影响有限元模型收敛的参数取值。对比分析表明，基于ANsYs的有限元分析结果与试验分析结果符合较好。

碳纤维布是一种高强轻质材料，其耐腐蚀性和耐久性相对于钢材具有明显的优越性，用碳纤维布加固结构具有施工方便、适用广泛、质量易于保证、附加荷载轻的特点，已经广泛应用于土木工程领域的加固中。然而碳纤维布是一种线弹性材料，其弹性模型与钢材相差不大，但其极限抗拉强度是钢筋的10倍左右，在碳纤维布加固钢筋混凝土梁的过程中，由于二次受力以及碳纤维布端部黏接锚固的问题，常会影响碳纤维布的加固效果。作为一种新的混凝土结构加固技术，由于具有鲜明的特点，许多研究者对碳纤维布加固混凝土梁进行了大量的试验研究，Raafat El—Hacha对预应力碳纤维布加固混凝土梁的工艺及在常温和低温下的受弯性能进行了试验研究¨引；尚守平¨J、江胜华H 3进行了预应力碳纤维布加固混凝土梁的受弯性能试验研究；徐福泉、廖娟、董江峰等对碳纤维布加固混凝土梁的受弯、受剪性能进行了试验研究”41，取得了有价值的成果，但是相关的试验成本高，试验数据的离散性在很大程度上限制了研究工作。ANSYS作为一种大型的通用有限元程序，已被广泛用于结构分析和内力计算过程。尚守平使用ANsYs软件数值模拟了预应力碳纤维布加固混凝土梁受弯性能哺1，叶列平对U形FRP加固钢筋混凝土梁受剪剥离性能进行了有限元分析"1。曾祥荣利用杀死和激活单元的方法，数值模拟了不卸载时预应力碳纤维布加固混凝土梁的受弯性能¨01。大量有限元研究分析表明，用ANsYS有限元软件能够成功地模拟各种工况下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受力特性。
1 有限元分析模型的建立
1．1基本假定
1)垂直于杆件轴线的各平截面(即杆的横截面)在杆件受拉伸、压缩或纯弯曲变形后仍然为平面，并且同变形后的杆件轴线垂直。
2)不考虑钢筋与混凝土问的相对滑移，认为碳纤维布与混凝土黏结良好，无相对变形。
3)在加载直到梁破坏的整个过程中，碳纤维布与钢筋混凝土梁保持一个整体，不发生剥离现象。
4)碳纤维布有足够的强度，构件破坏前，碳纤维布不断裂。
1．2材料的应力一应变关系
1)钢筋的应力一应变关系曲线按照理想弹塑性材料计算，极限拉应变取0．叭。
2)混凝土的应力．应变关系采用《混凝土结构设计规范》GB50010—2010推荐的曲线。
3)碳纤维布的应力．应变关系为线弹性关系，其极限强度为：
1．3混凝土梁设计
为了论证有限元分析的可靠性，以文献[12]试验方案为基础，建立有限元分析模型，混凝土梁的配筋如图1所示。

混凝土梁长3 200mm，截面宽200mm，高300mm。梁底部配置钢筋2尘12，顶部配置钢筋2咖8，箍筋采用咖6．5。钢筋混凝土梁的支座处放置200mm×200mm×50mm钢垫块，荷载作用位置放置100mm×200mm×50mm钢垫块，以防止混凝土应力集中而过早开裂。在混凝土梁底部粘贴2 800mm×100mm碳纤维布，单层碳纤维布厚0．11mm。进行有限元分析时各项参数设置均与文献[12]所提供的参数一致。各材料的物理力学性能指标如表1所示。

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