论文部分内容阅读
摘要：结合碳纤维布加固PC空心板的受力特点及破坏模式，以非线性有限元理论为基础，对碳纤维布加固PC空心板受力性能进行仿真分析，研究不同碳纤维布粘贴方式对空心板受力性能的影响。
关键词：预应力混凝土；空心板；碳纤维布加固；非线性有限元方法
1 概 述
碳纤维布是近年来广泛应用于加固工程的一种新型材料。与传统加固方法相比，碳纤维布加固技术具有[1]：①高强高效；②耐腐蚀性能及耐久性；③加固构件自重及体积增加少等优点。国内外对碳纤维布加固钢筋混凝土结构的受力性能进行了大量的试验研究，但是随着有限元理论的发展，采用有限元计算方法对钢筋混凝土结构进行仿真分析，已经受到土木界越来越广泛的重视[2]。
碳纤维布加固空心板全过程受力计算的有限元方法
选用整体式与分离式二者相结合的模式：将普通钢筋弥散于混凝土中，按整体式建立钢筋混凝土空心板有限元模型，再将预应力钢筋和碳纤维布按各自特点选择单元，与混凝土单元共节点，组成分离式与整体式相结合的碳纤维布加固预应力混凝土空心板有限元模型。
混凝土材料采用Solid65单元来模拟，预应力钢筋采用Link8单元来模拟，碳纤维布采用壳单元Shell41来模拟，在加载点和支座处设置弹性垫块，弹性垫块采用Solid45单元来模拟。建立有限元模型时，预应力钢筋杆单元与混凝土实体单元共节点、CFRP壳单元与混凝土实体单元共节点。
混凝土应力—应变关系上升段为二次抛物线，直线段为水平线，如图2.1所示。
预应力钢筋应力—应变关系采用双折线模型，见图2.2。
碳纤维布应力—应变为线性关系[3]，仅有极限强度。
支座通过支座垫块节点上的约束来模拟，荷载通过施加在加载垫块上的面荷载来模拟。垫块应力—应变关系按线性考虑。本文处理裂縫的方式为弥散裂缝模式[4]。
图2.1 混凝土应力—应变曲线 图2.2 预应力钢筋应力—应变曲线
本文采用增量迭代混合法来求解非线性问题。关于碳纤维布应力滞后问题的处理在ANSYS中是通过单元的生死来实现[5]。采用降温法对预应力钢筋降温收缩，使混凝土产生压应力[6][7]。
碳纤维布加固钢筋砼空心板试验及有限元计算验证
本课题组于2008年5月完成了碳纤维布加固4片钢筋混凝土空心板试验[8]。同时利用有限元软件ANSYS建立碳纤维布加固钢筋混凝土空心板有限元模型。
通过ANSYS计算结果与试验结果的对比[8]，结果十分吻合，证明采用上述有限元方法分析碳纤维布加固钢筋混凝土空心板是正确可靠的。
碳纤维布布设方案的影响分析
基于上述分析的正确，本文采用有限元软件ANSYS继续对碳纤维布加固20m预应力混凝土空心板进行分析。
4.1 预应力混凝土空心板碳纤维布加固分析
在碳纤维布加固量相同的情况下，本文选取了两种不同的碳纤维布粘贴方式，分析不同粘贴方式对空心板受力性能的影响。第一种加固方式(KXB-1)如图4.1所示，粘贴一层碳纤维布，粘贴宽度为空心板板宽，第二种加固方式(BSB-2)如图4.2所示，粘贴二层碳纤维布，但是粘贴宽度减半，总量不变。
图4.1 第一种加固方式
图4.2 第二种加固方式
碳纤维布加固预应力混凝土空心板的加载方式按照公路桥梁规范布置，均布荷载和集中荷载按固定比例同步施加，逐渐提高，如图4.3所示
图4.3 碳纤维布加固预应力混凝土空心板加载示意图
按图4.3所示加载方式和表4.1所示加载步骤施加荷载，结果见表4.2：
表4.1 KXB-1和BSB-2开裂弯矩和极限弯矩对比表
开裂弯矩(kN·m) 极限弯矩(kN·m) 最终破坏形式
KXB-1 2425 3333 正截面破坏
BSB-2 2427 3398 正截面破坏
碳纤维布加固量相同，布设方案不同的空心板跨中荷载—挠度曲线如图4.4所示，碳纤维布荷载—应力曲线如图4.5所示：
图4.4 空心板跨中截面A点荷载—挠度曲线图
图4.5 空心板跨中截面B点碳纤维布荷载—应力曲线图
由表4.1可知，碳纤维布加固量相同，布设方案不同，对空心板开裂荷载的没有影响，对极限荷载略有提高，BSB-2的极限弯矩相对于KXB-1提高了1.95%。
由图4.4可以看出，两种方案的荷载—挠度曲线基本一致，说明粘贴方式不同对空心板的刚度影响不大；
由图4.5可以看出，当空心板的预应力钢筋屈服以后，外荷载产生的拉应力全部由碳纤维布承担，这时碳纤维布不同粘贴方式的荷载—应力曲线开始出现不同：在相同外荷载作用下时，BSB-2碳纤维布应力小于KXB-1碳纤维布应力，即BSB-2碳纤维布的应变小于KXB-1碳纤维布。因此当最终受压区混凝土压碎破坏时，其能够承受的极限弯矩比KXB-1略高。
因此，在锚固措施可靠的情况下，预应力混凝土空心板采用方案二(BSB-2)碳纤维布粘贴方式能够获得更好的加固效果。
结论
本章在有限元软件ANSYS模拟碳纤维布加固钢筋混凝土空心板受力全过程正确可靠的基础上，采用ANSYS建立20m预应力混凝土空心板有限元模型，研究了碳纤维布加固量相同，布设方案不同对预应力混凝土空心板受力性能的影响。研究结果表明：如果加固施工中碳纤维布粘贴宽度较宽，在不改变碳纤维布加固量且锚固措施可靠的情况下，可采用宽度减半，粘贴二层的贴布方式，加固效果更好。
注:文章内的图表及公式请到PDF格式下查看
关键词：预应力混凝土；空心板；碳纤维布加固；非线性有限元方法
1 概 述
碳纤维布是近年来广泛应用于加固工程的一种新型材料。与传统加固方法相比，碳纤维布加固技术具有[1]：①高强高效；②耐腐蚀性能及耐久性；③加固构件自重及体积增加少等优点。国内外对碳纤维布加固钢筋混凝土结构的受力性能进行了大量的试验研究，但是随着有限元理论的发展，采用有限元计算方法对钢筋混凝土结构进行仿真分析，已经受到土木界越来越广泛的重视[2]。
碳纤维布加固空心板全过程受力计算的有限元方法
选用整体式与分离式二者相结合的模式：将普通钢筋弥散于混凝土中，按整体式建立钢筋混凝土空心板有限元模型，再将预应力钢筋和碳纤维布按各自特点选择单元，与混凝土单元共节点，组成分离式与整体式相结合的碳纤维布加固预应力混凝土空心板有限元模型。
混凝土材料采用Solid65单元来模拟，预应力钢筋采用Link8单元来模拟，碳纤维布采用壳单元Shell41来模拟，在加载点和支座处设置弹性垫块，弹性垫块采用Solid45单元来模拟。建立有限元模型时，预应力钢筋杆单元与混凝土实体单元共节点、CFRP壳单元与混凝土实体单元共节点。
混凝土应力—应变关系上升段为二次抛物线，直线段为水平线，如图2.1所示。
预应力钢筋应力—应变关系采用双折线模型，见图2.2。
碳纤维布应力—应变为线性关系[3]，仅有极限强度。
支座通过支座垫块节点上的约束来模拟，荷载通过施加在加载垫块上的面荷载来模拟。垫块应力—应变关系按线性考虑。本文处理裂縫的方式为弥散裂缝模式[4]。
图2.1 混凝土应力—应变曲线 图2.2 预应力钢筋应力—应变曲线
本文采用增量迭代混合法来求解非线性问题。关于碳纤维布应力滞后问题的处理在ANSYS中是通过单元的生死来实现[5]。采用降温法对预应力钢筋降温收缩，使混凝土产生压应力[6][7]。
碳纤维布加固钢筋砼空心板试验及有限元计算验证
本课题组于2008年5月完成了碳纤维布加固4片钢筋混凝土空心板试验[8]。同时利用有限元软件ANSYS建立碳纤维布加固钢筋混凝土空心板有限元模型。
通过ANSYS计算结果与试验结果的对比[8]，结果十分吻合，证明采用上述有限元方法分析碳纤维布加固钢筋混凝土空心板是正确可靠的。
碳纤维布布设方案的影响分析
基于上述分析的正确，本文采用有限元软件ANSYS继续对碳纤维布加固20m预应力混凝土空心板进行分析。
4.1 预应力混凝土空心板碳纤维布加固分析
在碳纤维布加固量相同的情况下，本文选取了两种不同的碳纤维布粘贴方式，分析不同粘贴方式对空心板受力性能的影响。第一种加固方式(KXB-1)如图4.1所示，粘贴一层碳纤维布，粘贴宽度为空心板板宽，第二种加固方式(BSB-2)如图4.2所示，粘贴二层碳纤维布，但是粘贴宽度减半，总量不变。
图4.1 第一种加固方式
图4.2 第二种加固方式
碳纤维布加固预应力混凝土空心板的加载方式按照公路桥梁规范布置，均布荷载和集中荷载按固定比例同步施加，逐渐提高，如图4.3所示
图4.3 碳纤维布加固预应力混凝土空心板加载示意图
按图4.3所示加载方式和表4.1所示加载步骤施加荷载，结果见表4.2：
表4.1 KXB-1和BSB-2开裂弯矩和极限弯矩对比表
开裂弯矩(kN·m) 极限弯矩(kN·m) 最终破坏形式
KXB-1 2425 3333 正截面破坏
BSB-2 2427 3398 正截面破坏
碳纤维布加固量相同，布设方案不同的空心板跨中荷载—挠度曲线如图4.4所示，碳纤维布荷载—应力曲线如图4.5所示：
图4.4 空心板跨中截面A点荷载—挠度曲线图
图4.5 空心板跨中截面B点碳纤维布荷载—应力曲线图
由表4.1可知，碳纤维布加固量相同，布设方案不同，对空心板开裂荷载的没有影响，对极限荷载略有提高，BSB-2的极限弯矩相对于KXB-1提高了1.95%。
由图4.4可以看出，两种方案的荷载—挠度曲线基本一致，说明粘贴方式不同对空心板的刚度影响不大；
由图4.5可以看出，当空心板的预应力钢筋屈服以后，外荷载产生的拉应力全部由碳纤维布承担，这时碳纤维布不同粘贴方式的荷载—应力曲线开始出现不同：在相同外荷载作用下时，BSB-2碳纤维布应力小于KXB-1碳纤维布应力，即BSB-2碳纤维布的应变小于KXB-1碳纤维布。因此当最终受压区混凝土压碎破坏时，其能够承受的极限弯矩比KXB-1略高。
因此，在锚固措施可靠的情况下，预应力混凝土空心板采用方案二(BSB-2)碳纤维布粘贴方式能够获得更好的加固效果。
结论
本章在有限元软件ANSYS模拟碳纤维布加固钢筋混凝土空心板受力全过程正确可靠的基础上，采用ANSYS建立20m预应力混凝土空心板有限元模型，研究了碳纤维布加固量相同，布设方案不同对预应力混凝土空心板受力性能的影响。研究结果表明：如果加固施工中碳纤维布粘贴宽度较宽，在不改变碳纤维布加固量且锚固措施可靠的情况下，可采用宽度减半，粘贴二层的贴布方式，加固效果更好。
注:文章内的图表及公式请到PDF格式下查看