芳綸纖維加固RC梁試驗(yàn)研究及有限元分析

蔡　斌　趙良龍　段文峰　邵士萍

(1：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118；　2：吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022)

芳綸纖維加固RC梁試驗(yàn)研究及有限元分析

蔡斌1,2趙良龍1段文峰1邵士萍1

(1：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春130118；2：吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

摘要：分析芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁的工作性能，本文共制定6根鋼筋混凝土梁，并采用試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合的方法，對(duì)芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁的基本力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究表明：芳綸纖維具有很好的加固作用，并且加固后RC梁的承載力隨著芳綸纖維加固量的增加而增加，但不為線(xiàn)性關(guān)系，并對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行有限元模擬分析，模擬結(jié)果與試驗(yàn)比較吻合，驗(yàn)證了模擬的可行性.

關(guān)鍵詞：芳綸纖維；鋼筋混凝土梁；加固；有限元分析

隨著建筑物投入使用時(shí)間的增加、環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕、自然災(zāi)害等外界因素的影響，導(dǎo)致必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修補(bǔ)[1].芳綸纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)AFRP)具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性和可塑性，且施工工藝簡(jiǎn)單更利于被應(yīng)用到房屋、橋梁等建筑結(jié)構(gòu)的加固中，具有很好的發(fā)展前景[2].

本文共制定了6根鋼筋混凝土梁，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的方法，對(duì)芳綸纖維加固前后的鋼筋混凝土梁進(jìn)行加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，確定芳綸纖維的加固作用與工作性能，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明模擬的可行性，為以后芳綸纖維加固鋼筋混凝土梁的研究和工程應(yīng)用提供參考.

1試驗(yàn)概況及有限元模型

1.1　試驗(yàn)材料力學(xué)性能

試驗(yàn)所用材料為混凝土、鋼筋和芳綸纖維布.混凝土型號(hào)為C30，混凝土保護(hù)層厚度為10mm，縱向受力鋼筋為2?6，受壓鋼筋為2?6的不通長(zhǎng)鋼筋，芳綸纖維布由德國(guó)某廠家提供，試驗(yàn)材料具體體力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 試驗(yàn)材料力學(xué)性能指標(biāo)

試驗(yàn)梁截面尺寸、鋼筋布置情況、AFRP布加固位置以及加載位置見(jiàn)圖1所示.

圖1 試驗(yàn)梁尺寸及配筋

1.2　有限元模型建立

有限元模型以試驗(yàn)梁為基礎(chǔ)，混凝土采用三維非線(xiàn)性實(shí)體SOLID65單元，鋼筋采用link8單元，AFRP布采用SHELL41單元[3-4]，鋼筋和混凝土均采用理想性的彈塑性模型，混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2011)[5]中規(guī)定，有限元模型見(jiàn)圖2~圖4.

圖2 混凝土梁的有限元模型　　　　　　　圖3 鋼筋的有限元模型　　　　　　　　圖4 芳綸纖維的有限元模型

圖5 試驗(yàn)裝置

1.3　試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)利用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行三點(diǎn)式彎曲加載試驗(yàn)，將6根試驗(yàn)梁分為三組，分別為兩根未加固的參考梁、加一層1.5cmAFRP布和加兩層1.5cmAFRP布的鋼筋混凝土梁，利用萬(wàn)能壓力機(jī)對(duì)每組試驗(yàn)梁加載，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與有限元模擬分析結(jié)果對(duì)比分析其加固作用，試驗(yàn)裝置如圖5所示.

2試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果

2.1　試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào)B1-B2為參考梁，編號(hào)B3-B4為加一層AFRP布的鋼筋混凝土梁，B5-B6為加兩層AFRP布的鋼筋混凝土梁，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)梁荷載撓度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比

圖6~圖8為所有試驗(yàn)梁加載結(jié)果與有限元模擬分析荷載-撓度對(duì)比曲線(xiàn)圖.從表2和圖6~圖8中我們可以明顯看出，經(jīng)芳綸纖維布加固后的鋼筋混凝土梁極限承載力都提高了，并且混凝土梁跨中截面的裂縫寬度減小了4mm~7mm，這也充分說(shuō)明芳綸纖維復(fù)合材料能夠有效地增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗力，可以有效控制RC梁跨中截面撓度的發(fā)展.加一層芳綸纖維布鋼筋混凝凝土梁的極限承載力比加二層芳綸纖維布鋼筋混凝土梁的極限承載力提高幅度要低，加一層芳綸纖維布的鋼筋混凝土梁承載力提高幅度較小，但粘貼二層AFRP布的RC梁承載力較參考梁承載力提高了114%,這表明加固后的鋼筋混凝土梁承載力隨芳綸纖維布加固量的增加而增加，但與芳綸纖維布的加固量不呈線(xiàn)性關(guān)系.

圖6 參考梁跨中荷載-撓度對(duì)比曲線(xiàn)

圖7 加一層AFRP布梁荷載-撓度對(duì)比曲線(xiàn)

圖8 加二層AFRP布梁荷載-撓度對(duì)比曲線(xiàn)

圖9 芳綸纖維布應(yīng)力-位置有限元曲線(xiàn)

圖9為有限元模擬分析芳綸纖維布的受力情況，反映了芳綸纖維布加固鋼筋混凝土梁工作時(shí)自身的受力情況.從圖可知應(yīng)力較大值出現(xiàn)在RC梁的支座附近和靠近梁跨中位置，是因?yàn)樵诹嚎缰泻椭ё幍膹澗睾图袅ψ畲螅@表明芳綸纖維布能夠承擔(dān)部分應(yīng)力，提高梁的抗彎剛度，具有一定的加固作用.

3結(jié)語(yǔ)

(1) 芳綸纖維布能夠有效增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的極限承載力，隨芳綸纖維布加固量的增加，承載力也隨之增加，但承載力增強(qiáng)程度不與加固量呈線(xiàn)性關(guān)系.芳綸纖維能夠有效控制結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)混凝土壓碎和裂縫的展開(kāi)有一定的約束作用；

(2) 試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬分析結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了模擬的可行性，但試驗(yàn)結(jié)果與ansys模擬分析結(jié)果還存在一定差別，這主要是由于鋼筋混凝土梁在靜力加載試驗(yàn)中混凝土材料的不均勻性有關(guān)，而且鋼筋混凝土梁與芳綸纖維布之間的粘結(jié)力和與有限元分析存在差異，在有限元分析時(shí)把兩種材料之間的粘貼視為完全粘結(jié).

參考文獻(xiàn)

[1] 段文峰,邵士萍,蔡斌.CFRP加固RC梁的非線(xiàn)性有限元仿真分析[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014,31(5):8-10.

[2] 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)碩士學(xué)位論文,2007.

[3] 王新敏,李義強(qiáng),許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011：470-482.

[4] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：220-235.

[5] 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500110-2010)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

Experimental Study of Aramid Fiber Reinforced RC Beams and Finite Element Analysis

CAI Bin1,2，ZHAO Liang-long1，DUAN Wen-feng1，SHAO Shi-ping1

(1:SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118;

2:CollegeofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun,China130022)

Abstract：Analysis of aramid fiber Reinforced concrete beams performance, paper is the development of six reinforced concrete beams, and the use of test and finite element simulation method of combining on the basic mechanical properties of aramid fiber reinforced concrete beams were analyzed to study show: aramid fiber reinforcement has a good effect, and the bearing capacity of RC beams reinforced with increasing amounts of aramid fiber and the increased reinforcement, but was not a linear relationship, and the test beam finite element analysis, simulation results trials comparing consistent verify the feasibility of the simulation.

Keywords:aramid fibers；reinforced concrete beam；reinforcement；finite element method

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 375.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2015)06-0015-04

作者簡(jiǎn)介：蔡斌(1978~),男,吉林省長(zhǎng)春市人,副教授，博士.

收稿日期：2015-03-11.