FRP 片材加固混凝土梁受力性能有限元分析

楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)在不斷發(fā)展，一些建筑隨著時(shí)間的飛逝在慢慢老化，變成了急需加固維修的危舊建筑。實(shí)踐表明，利用FRP 材料對(duì)危舊建筑進(jìn)行加固是一種可行方案，而FRP 片材是常常用到的FRP 加固材料。常見的FRP 片材有FRP 布、FRP 薄板等。與FRP 棒材、FRP 格狀材等其它FRP 加固材料相比，F(xiàn)RP 片材具有方便粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面、在一定程度上能有效增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。FRP 布和FRP 板等FRP 片材常常用于加固混凝土梁、板結(jié)構(gòu)。在實(shí)際過程中，采用有限元方法研究FRP 片材加固混凝土梁、板結(jié)構(gòu)是一種可行的研究方法。本文以鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁為例，主要對(duì)FRP 片材加固鋼筋混凝土梁的受力性能進(jìn)行有限元分析。

1 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

利用有限元軟件建立一個(gè)如圖1 所示的鋼筋混凝土梁的有限元模型，其中，鋼筋混凝土梁總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。為防止鋼筋混凝土梁發(fā)生局部受壓破壞，在支座和受力點(diǎn)處設(shè)置厚度為6mm 的鋼墊片。鋼筋混凝土梁的材料特性為：混凝土的抗壓強(qiáng)度fc為2.4×107N/m2，混凝土的抗拉強(qiáng)度ft為2.4×106N/m2；鋼筋的彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，鋼筋泊松比為0.3，鋼筋屈服強(qiáng)度fy為2.1×108N/m2；墊塊的彈性模量E墊為2.1×1012N/m2，墊塊泊松比為0.3。混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。鋼筋混凝土梁有限元模型如圖2 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁尺寸

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型

1.2 FRP 薄板的模擬

參照相關(guān)研究，F(xiàn)RP 薄板采用實(shí)體單元進(jìn)行建模。FRP 薄板的材料屬性被設(shè)定為線彈性（Elastic），F(xiàn)RP 的彈性模量為237000MPa，泊松比為0.2。FRP 薄板的尺寸為長2000mm，寬110mm，厚10mm。

1.3 FRP- 混凝土界面的模擬

參照相關(guān)研究，鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型中，F(xiàn)RP 與混凝土之間的界面粘結(jié)單元采用非線性Spring2 單元進(jìn)行模擬，所采用的非線性Spring2 單元的剛度K 取FRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的一階導(dǎo)數(shù)：

1.4 荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型采用位移控制施加荷載。

進(jìn)行鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格單元形狀以四邊形為主，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

1.5 方案的對(duì)比與結(jié)果

本研究主要采用鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板與不貼FRP 薄板進(jìn)行對(duì)比分析鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能的影響。

鋼筋混凝土梁有限元模型的損傷云圖如圖3 所示。

圖3 鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖

2 FRP 片材加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

經(jīng)過對(duì)鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板與不貼FRP 薄板時(shí)鋼筋混凝土梁受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下分析結(jié)果：

⑴鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板能在一定程度上增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的抗彎性能等受力性能。

⑵鋼筋混凝土梁底的混凝土受拉導(dǎo)致出現(xiàn)彎曲裂縫，而彎曲裂縫在彎矩的作用下呈逐漸張開的趨勢(shì)，而跨越彎曲裂縫兩側(cè)的FRP 片材能一定程度上阻止彎曲裂縫的張開。

⑶在鋼筋混凝土梁底貼FRP 薄板加固鋼筋混凝土梁的有限元模型加載過程中，剛開始加載時(shí)，在鋼筋混凝土梁底跨中附件，首先出現(xiàn)豎向裂縫；隨著荷載增加，陸續(xù)出現(xiàn)新的裂縫，直至裂縫基本出齊；繼續(xù)加大荷載，受FRP 薄板的影響，在一定時(shí)間內(nèi)，梁底裂縫不再隨荷載增加而增加；當(dāng)加載到一定程度后，梁底混凝土與FRP 薄板之間發(fā)生剝離，梁底裂縫迅速發(fā)展，直至梁承載力喪失。

3 結(jié)語

本文主要從FRP 片材加固混凝土梁有限元模型的建立、受力性能分析等方面，對(duì)FRP 片材加固混凝土梁受力性能進(jìn)行了有限元分析，為相關(guān)人員提供一定的參考。