表层内嵌CFRP板条加固梁的有限元分析

表层内嵌CFRP板条加固梁的有限元分析

樊韬

长沙理工大学土木与建筑学院湖南长沙410004

摘要：在内嵌CFRP板条加固钢筋混凝土梁的基础上，考虑钢筋和混凝土材料非线性行为，采用ANSYS有限元模拟加固梁的受弯试验，研究不同参数下的加固梁模型开裂、屈服、极限荷载值以及跨中扰度，分析粘结长度这个参数对加固梁的抗弯性能的影响。结果表明，在钢筋屈服之前，CFRP加固梁刚度几乎不受粘结长度这个参数的影响，但在钢筋屈服之后，随着粘结长度的增加而增大；当粘结长度从L200到L320，极限荷载值大大提高，CFRP材料性能利用率大大增加。

关键词：FRP内嵌；钢筋混凝土梁；抗弯性能；有限元分析

目前，利用纤维复合材料加固混凝土结构主要包括外贴纤维增强材料（FRP）和表层内嵌FRP加固技术，而表层内嵌FRP是在混凝土表面开槽后，嵌入结构内部，这种加固方式具有材料利用率高、耐久性好、防火防冻等诸多优势，应用前景十分广阔[1-2]。本文通过对FRP加固梁的有限元模拟，分析混凝土强度、粘结长度这两个参数对加固梁受弯性能的影响。

1.预应力CFRP内嵌加固混凝土梁的有限元分析

在ANSYS有限元模型中采用1/4模拟梁，混凝土梁尺寸为3500mm*150mm*350mm，其中净跨为3300mm，保护层厚度30mm，主筋采用HRB335，槽深及槽宽度分别为20mm、10mm，FRP板条截面尺寸为16mm*4mm。采用1/3净跨处加载，为了加固梁在受弯过程中，支座处混凝土不提前发生破坏，在端部采用U型箍加固。具体配筋及加固梁尺寸如图1。

2、有限元模型的选取

CFRP板破坏往往是脆性的，在设计有限元模型时，材料特性采用试验数据，同时避免碳板的提前破坏，故没有考虑CFRP板的受力破坏。为了更好的模拟碳板，采用SHELL63单元CFRP板单元。利用LINK8模拟钢筋和SOLID65模拟混凝土来建立分离式模型，采用共用节点方式来模拟钢筋混凝土连接。ANSYS程序运行过程中，由于力与力矩超过收敛值，导致结构分析结果不理想。所以，通过调节一些参数，使其满足收敛要求，混凝土SOLID65单元属性具体如表3所示。

陆新征等人在ANSYS有限元模型中，采用弹簧单元来模拟FRP与混凝土之间的界面关系，在共用的节点处输入试验测得的粘结滑移本构关系。在ANSYS单元手册里面，从COMBIN39弹簧单元属性可知，可以通过输入力-位移的关系来确定界面的本构关系，同时还可以通过设置单元自由度选项来决定弹簧模拟的界面滑移方向，FRP板滑移通过切向模拟，界面的剥离通过法向来控制。

3、有限元分析结果

3.1预应力CFRP内嵌加固混凝土梁的有限元分析结果

在模型计算收敛后，从ANSYS后处理中提取荷载-挠度关系和开裂、屈服、极限荷载值。以混凝土强度C40，粘结长度280cm为例，验证有限元模型的可行性。

通过模型与试验的结果对比分析，表明预应力CFRP加固梁的各项基本指标与试验情况吻合度较高，误差在10%以内，满足精度要求。误差，具体如表4所示。

3.2粘结长度的影响

在标准试件C40L280有限元模型的基础上，调整CFRP与混凝土的粘结长度，从模型分析结果中提取计算开裂、屈服、极限荷载值以及荷载-挠度曲线，如图5、图6所示。

4、结论

（1）对于ANSYS加固梁模型，依据从标准试件MC40L280模型中提取计算的开裂、屈服、极限荷载值，误差都控制在10%，故模型可行。

（2）在钢筋屈服以前，CFRP加固梁刚度几乎不受粘结长度的影响，但在钢筋屈服之后，随着粘结长度的增大而增大。

（3）粘结长度的增加，极限承载力增大，最终跨中挠度也越大。粘结长度从L200到L320，极限荷载值提高了43.9%，CFRP材料性能利用率大大提高。

参考文献：

[1]任慧韬.纤维增强复合材料加固混凝土结构基本力学性能和长期受力性能研究[D]；大连理工大学；2003年

[2]柯敏勇，张新民，金初阳.纤维增强塑料在桥梁加固工程中的应用[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2002，2（3），49-54