預(yù)加載對(duì)AFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響

黃曉蘭

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

目前，大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)加固研究都是在零預(yù)加載情況下進(jìn)行的，而實(shí)際工程中，混凝土構(gòu)件都是承受了一定的荷載，故試驗(yàn)和實(shí)際存在一定的差異。為了更好的接近實(shí)際，本文考慮二次受力即預(yù)加載的影響，利用ANSYS10.0有限元分析軟件，以文獻(xiàn)［1］試驗(yàn)為基礎(chǔ)建立有限元仿真模型，研究AFRP加固梁的抗彎性能。

1 基本假定及本構(gòu)關(guān)系

1.1 基本假定

(1)加固梁必須符合平截面假定。

(2)混凝土各向同性，開(kāi)裂后不考慮受拉區(qū)混凝土的作用。

(3)混凝土和鋼筋，混凝土和AFRP粘結(jié)牢固，不發(fā)生相對(duì)滑移，變形協(xié)調(diào)一致。重合界面采用耦合約束或共用結(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳力。

(4)忽略粘結(jié)層的影響，不考慮結(jié)構(gòu)的剝離破壞。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

1.2.1 混凝土

混凝土本文考慮美國(guó)Hognestand建議的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系式［2］:

圖1 混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線

應(yīng)力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線如圖1所示。

1.2.2 鋼筋和剛性墊塊

本文采用圖2作為鋼筋和剛性墊塊的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線圖［2］。

圖2 鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.2.3 FRP復(fù)合材料、纖維及樹(shù)脂

FRP復(fù)合材料是一種各向異性材料，對(duì)于它們的本構(gòu)關(guān)系很復(fù)雜，目前尚無(wú)比較成熟的研究，在本文中，假定它們?yōu)楦飨蛲缘木€性材料，其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系［3］見(jiàn)圖3所示。

圖3 FRP應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2 有限元模型

2.1 模型參數(shù)及對(duì)比方案

有限元模型梁承受對(duì)稱集中荷載，兩端簡(jiǎn)支;梁長(zhǎng)1400 mm，截面尺寸120 mm×200 mm，墊塊尺寸40 mm×33 mm×20 mm，縱筋采用螺紋鋼筋，箍筋采用光圓鋼筋，保護(hù)層厚度30 mm，混凝土強(qiáng)度 C30，F(xiàn)RP長(zhǎng)1200 mm，厚0.182 mm，粘貼在梁底進(jìn)行加固。具體如圖4所示:

圖4 簡(jiǎn)支梁模型

有限元模型中各單元材料參數(shù)如表1所示:

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本文建立了5根有限元模型梁，對(duì)其中3根梁施加了不同程度的預(yù)加載，分別為未加固梁極限荷載的40%、60%、80%。如表2所示。

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2.2 單元選取及劃分

混凝土選用SOLID65單元，采用六面體八結(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分;鋼筋選用LINK8單元，由于鋼筋截面面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土面積，故單元?jiǎng)澐謺r(shí)采用線單元;墊塊選取SOLID45單元，AFRP選取SHELL41單元，兩者都采用六面體八結(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行劃分。

2.3 生死單元

本文對(duì)預(yù)加載的模擬采用生死單元法則，在ANSYS中，單元的生死功能是通過(guò)修改單元?jiǎng)偠鹊姆绞綄?shí)現(xiàn)的。為了達(dá)到讓單元死掉的效果，ANSYS程序并不是真正去掉“死”的單元，而是通過(guò)給單元?jiǎng)偠瘸艘砸粋€(gè)很小的系數(shù)，此系數(shù)系統(tǒng)默認(rèn)為1.0E－6，而且可以通過(guò)ESTIF進(jìn)行修改。在計(jì)算之前，先“Kill”AFRP單元，等荷載施加到達(dá)預(yù)加載程度時(shí)，激活A(yù)FRP單元，加固開(kāi)始，然后進(jìn)行下一步計(jì)算分析。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 與試驗(yàn)結(jié)果的比較

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如表3所示，梁的撓度誤差偏大，極限荷載偏差不是很大，這是由于有限元模擬過(guò)程中假設(shè)了鋼筋與混凝土，F(xiàn)RP與混凝土界面不發(fā)生滑移，保持一致，加載初期，有限元模擬結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果還是一致的，但是鋼筋屈服后，有限元模擬梁和實(shí)際試驗(yàn)梁的延性出現(xiàn)了偏差，以致?lián)隙戎党霈F(xiàn)跳躍，和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果造成了一定誤差。故總體上來(lái)說(shuō)有限元模擬結(jié)果和實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果是基本吻合的。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 主要仿真試驗(yàn)結(jié)果

各仿真梁的極限荷載和最大撓度的主要試驗(yàn)結(jié)果列于表4?？梢钥闯?，極限承載力方面B－2、B－3、B－4以及B－5梁相對(duì)于B－1梁極限荷載明顯的增加，但提高程度不同。在相同加固方式下，B－2的極限承載力提高程度最大56.25%，B－5最小 12.50%，B－3、B－4居中分別為37.50%和18.75%。零預(yù)加載情況下，加固效果比較明顯，隨著預(yù)加載程度的提高，加固效果越來(lái)越不理想，特別是B－5其極限承載力只是略微的提高6 kN，與B－2的提高程度相差40%之多。試驗(yàn)結(jié)果表明，在二次受力情況下，AFRP相對(duì)于鋼筋產(chǎn)生了不同的滯后應(yīng)變，預(yù)加載越大，滯后應(yīng)變?cè)酱?，AFPR在共同抗拉受力中起的作用就越小，承載力提高也越小，故加固效果也越不明顯。對(duì)于最大撓度，B－2、B－3、B－4以及B－5梁相對(duì)于B－1梁都有所下降，各自的提高程度分別為20.19%、35.50%、33.77%、31.75%;對(duì)于預(yù)加載的三根梁，其提高程度相差無(wú)幾，非常接近，故由此表明，相同加固條件下，預(yù)加載程度的大小對(duì)梁的變形影響不大。

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3.2.2 荷載－撓度曲線

各仿真梁的荷載－撓度關(guān)系曲線如圖5所示，與B－1梁相比，其他四根梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載、極限荷載均有提高，最大撓度都略有降低。圖中B－3、B－4、B－5梁曲線在B－1和B－2梁曲線之間，說(shuō)明預(yù)先施加了一定荷載再進(jìn)行加固，最后加固梁得到的極限承載力小于預(yù)先未施加荷載的加固梁，而上述3根梁施加了不同的預(yù)加載，圖中三條曲線從上到下依次排列為梁B－3、B－4、B－5。由此可以得出，隨著預(yù)加載程度的增加，相同加固方式得到的加固效果反而越不明顯;從圖中還可以看出B－3、B－4及B－5梁的最大撓度相差不大，它們和B－1、B－2梁的最大撓度有一定的差距，由此可以得出預(yù)加載會(huì)對(duì)加固梁的變形產(chǎn)生一定的作用，但預(yù)加載程度大小對(duì)加固的梁變形無(wú)多大影響。

圖5 荷載－撓度曲線

4 結(jié)論

(1)有限元計(jì)算得到的結(jié)果和實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。有限元軟件能準(zhǔn)確的模擬梁的受彎經(jīng)過(guò)以及應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，其分析是可行的。

(2)相比一次受力，二次受力對(duì)加固梁的極限荷載、撓度值影響比較大。預(yù)加載的存在，對(duì)加固效果有著明顯的影響。

(3)AFRP的滯后應(yīng)變對(duì)鋼筋混凝土梁在二次受力下的加固效果起著決定性的作用。相同條件下，預(yù)加載程度越大，AFRP的滯后應(yīng)變?cè)酱?，極限承載力提高就越小。

［1］魏凝.芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究與理論分析［D］.西安理工大學(xué)，2006

［2］張譽(yù).混凝土結(jié)構(gòu)基本原理［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000

［3］王文煒.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

［4］徐蕓，徐德新，潘芬芬.碳纖維板加固梁一次受力和二次受力的試驗(yàn)研究［G］∥第二屆全國(guó)土木工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)應(yīng)用技術(shù)論文集.清華大學(xué)出版社，2002:329－332

［5］葉列平，崔衛(wèi)，胡孔國(guó)，等.碳纖維布加固鋼筋混凝土板二次受力試驗(yàn)研究［G］∥中國(guó)首屆纖維增強(qiáng)塑料(FRP)混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2000:83－91