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【摘 要】 本文重点分析了碳纤维片材补强混凝土梁界面温度应力分布理论，解决补强方面的一些工程应用问题。本文主要完成了以下几个方面的研究工作：首先，研究了在载荷作用下界面应力分布，通过经典的4点弯曲实验，对在载荷作用下的界面应力进行了分析，给出了碳纤维片材发生断裂破坏时的极限承载力表达式，综合考虑温度和载荷共同作用下界面应力分布问题。通过对温度和载荷共同作用下界面应力分析，得出二者共同作用碳纤维片材补强混凝土梁的界面应力的分布形式；其次，通过有限元方法对碳纤维在不同的温差下的界面应力进行了分析。与实验结果比较后得出：通过建立正确的分析模型，有限元分析可以有效地模拟碳纤维片材补强混凝土梁的力学性能。最后通过应力云图和应力曲线分布图，可以对界面的应力分布有个微观的认识。
【关键词】 碳纤维片材；混凝土；热膨胀系数；界面温度应力；有限元
1、引言
现代建筑中，钢筋混凝土建筑物在其正常使用年限内，常常由于结构的耐久性、化学腐蚀、使用载荷的增加、以及设计与施工的缺陷等一些原因，要求对混凝土结构进行补强加固。工程实践表明，开展建筑物补强加固新技术的研究开发是非常必要的。近些年来，在补强方面取得的研究成果虽然越来越多，但目前在建筑工程中使用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：粘钢加固、预应力加固、钢筋混凝土外套加固和外包钢加固等。然而，这些补强加固方法存在不同的缺陷，除了常见的化学腐蚀外，象粘钢加固法还存在着增加自重、接点不易处理等矛盾。随着玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维应用于民用行业，纤维加固混凝土结构技术随之出现。与原有的混凝土结构补强加固方法相比，各种纤维的加固技术具有明显的优点，既补强效果好、施工技术简单、耐腐蚀等。工程实践表明，碳纤维复合材料能够适应现代工程结构大跨、高耸、重载、高强和轻质的发展趋势，并能适应恶劣环境变化，符合现代施工技术的工业化要求，正被越来越广泛的应用于各类民用建筑、桥梁、海洋建筑及地下工程中。
2、实验方案及结果分析
2.1 实验材料
本次实验所用材料性能如下表1，主要给出了所用纤维的基本参数和基体材料的参数，表2给出了粘结材料的物理性能。
表2 粘结材料的物理性能
2.2 试样的制备
混凝土梁的制备：将水泥和砂石准备好，把搅拌机的内壁用水润湿，然后把准备好的砂石和水泥按比例倒入搅拌机，再放入水和减水剂，搅拌一段时间后把混合料倒入模具中成型，养护28天后，对其表面进行打磨处理。
碳纤维片材制备：把所用纤维用纤维编制机编织为单向纤维布。最后将打磨过的混凝土梁进行表面处理，涂抹环氧树脂，再把准备好的碳纤维片材按轴向方向粘结到混凝土表面，然后待树脂完全固化后，在端部粘贴应变片，试样尺寸为100cm×10cm×20cm。
本实验设计制作了如图1所示试件，其中图1a）为纤维片材补强混凝土试件，考虑在补强片材端部剪应力集中的因素，在端部附近应变片分布较密集，为保证设定温度时试件内部温度与恒温恒湿控制箱内温度一致，在試件内部设置热电偶，以控制恒温时间。图1b为单向复合材料试件，用于测试无约束纤维片材复合材料的变形和热膨胀系数。图1c所示补偿试件，是在热膨胀系数微小的石英玻璃板上粘贴应变片，以测试基底材料无应变状态时，温差对应变片读数的影响。
图1 碳纤维补强混凝土试件
图2 碳纤维补强混凝土试件表面应力
变化规律
2.3 实验结果分析
如图2所示，实测得到的界面剪应力引起的补强复合材料表面应变变化规律和理论计算曲线进行比较。其中界面剪应力引起的实测应变是由纤维片材补强混凝土试件的应变片读数减去同种纤维片材的单向复合材料试件在相同温差下的自由膨胀应变读数得到。其中，图2a为三层碳纤维片材补强混凝土试件在不同温差时片材表面应变分布规律，可见温差越大，界面剪应力引起的应变也越大，根据应力应变关系，可知端部的应力也越大。图2b 为相同层数的三种不同纤维片材补强混凝土试件的纤维片材表面应变分布规律，可见片材热膨胀系数与混凝土的热膨胀系数相差越大，片材端部应变集中程度也越大。从图2的试验结果与理论计算结果比较可以看出试验实测应变变化规律与理论计算曲线吻合良好，可以证明计算理论的合理性。
3 有限元分析
3.1 有限元建模
图3 碳纤维补强混凝土试件在温度作用下有限元分析实体云图
利用ANSYS软件对碳纤维片材补强混凝土梁进行有限元分析。通过ANSYS软件建立碳纤维片材补强混凝土梁模型，把混凝土单元看成为一个整理单元即Solid65，在考虑温度场的情况下给出了碳纤维片材补强混凝土梁界面温度应力云图，如图3，温度差为10℃，清楚的说明了碳纤维片材补强混凝土梁的界面应力分布。通过云图的直观表现，我们可以清楚的了解界面温度应力的变化。
由于在温度和荷载共同作用下的应力分布与位移变化情况没有实验验证，因此，通过有限元法分析了在温度和载荷共同作用的情况，主要参数为，均布荷载为6000N，试件尺寸为100cm×50cm×50cm，温差为40℃，补强材料为碳纤维3层。图3给出了在2种约束情况下，整体位移变化云图，通过云图可以清楚了解碳纤维补强混凝土在界面的端部及在混凝土的支座处会产生应力集中，受均布荷载作用时混凝土梁内部的应力变化和界面的应力变化。
3.2 有限元解与实验解对比分析
图4为解析值与实验值的分析对比。其中有限分析在温差40℃时和实验得到的相同温差和厚度的情况下的对曲线，可看出实验解的可靠性。通过实验和有限元的分析对比，可很好的推出理论的合理性，另外通过有限元分析，可以得出界面的应力分布，并证明了理论的实用性。
图4 碳纤维补强混凝土试件界面温度应力实验解与数值解的比较
4、结论
本文通过实验分析，得出了碳纤维比其他纤维具有更好性价比，且力学性能优良，重点分析了碳纤维补强混凝土梁界面的温度应力，并从基底和补强材料两方面进行了对比，从而对补强放案有了很好的指导作用。利用ANSYS软件分析了在混凝土表面施加6000N的均布荷载，和温差40℃的碳纤维片材补强混凝土梁的界面应力分布情况。通过分析，可得出在两种因素的共同作用下，界面应力分布情况，也为工程实践提供了参考。
参考文献
[1] 赵彤， 谢剑， 戴自强等. 碳纤维织物补强加固混凝土结构研究.天津大学土木工程系中国腐蚀与防护学会.合成树脂及玻璃钢.化学工业出版社， 1995： 40～46
[2] 胡成， 曹三鹏. 碳纤维片材加固混凝土梁温度应力的计算与分析.合肥工业大学学报.2004，27（10）：10～12
[3] 叶见曙. 结构设计原理.北京， 人民交通出版社， 1996
[4] 殷惠光， 赵启林. 碳纤维增强混凝土结构的温度应力.Industrial Construction 2003，33（11）：22～25
[5] 陈小兵， 李荣. 碳纤维加固混凝土结构设计原则及国外设计标准.工业建筑 2001，31（4）：17～54
【关键词】 碳纤维片材；混凝土；热膨胀系数；界面温度应力；有限元
1、引言
现代建筑中，钢筋混凝土建筑物在其正常使用年限内，常常由于结构的耐久性、化学腐蚀、使用载荷的增加、以及设计与施工的缺陷等一些原因，要求对混凝土结构进行补强加固。工程实践表明，开展建筑物补强加固新技术的研究开发是非常必要的。近些年来，在补强方面取得的研究成果虽然越来越多，但目前在建筑工程中使用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：粘钢加固、预应力加固、钢筋混凝土外套加固和外包钢加固等。然而，这些补强加固方法存在不同的缺陷，除了常见的化学腐蚀外，象粘钢加固法还存在着增加自重、接点不易处理等矛盾。随着玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维应用于民用行业，纤维加固混凝土结构技术随之出现。与原有的混凝土结构补强加固方法相比，各种纤维的加固技术具有明显的优点，既补强效果好、施工技术简单、耐腐蚀等。工程实践表明，碳纤维复合材料能够适应现代工程结构大跨、高耸、重载、高强和轻质的发展趋势，并能适应恶劣环境变化，符合现代施工技术的工业化要求，正被越来越广泛的应用于各类民用建筑、桥梁、海洋建筑及地下工程中。
2、实验方案及结果分析
2.1 实验材料
本次实验所用材料性能如下表1，主要给出了所用纤维的基本参数和基体材料的参数，表2给出了粘结材料的物理性能。
表2 粘结材料的物理性能
2.2 试样的制备
混凝土梁的制备：将水泥和砂石准备好，把搅拌机的内壁用水润湿，然后把准备好的砂石和水泥按比例倒入搅拌机，再放入水和减水剂，搅拌一段时间后把混合料倒入模具中成型，养护28天后，对其表面进行打磨处理。
碳纤维片材制备：把所用纤维用纤维编制机编织为单向纤维布。最后将打磨过的混凝土梁进行表面处理，涂抹环氧树脂，再把准备好的碳纤维片材按轴向方向粘结到混凝土表面，然后待树脂完全固化后，在端部粘贴应变片，试样尺寸为100cm×10cm×20cm。
本实验设计制作了如图1所示试件，其中图1a）为纤维片材补强混凝土试件，考虑在补强片材端部剪应力集中的因素，在端部附近应变片分布较密集，为保证设定温度时试件内部温度与恒温恒湿控制箱内温度一致，在試件内部设置热电偶，以控制恒温时间。图1b为单向复合材料试件，用于测试无约束纤维片材复合材料的变形和热膨胀系数。图1c所示补偿试件，是在热膨胀系数微小的石英玻璃板上粘贴应变片，以测试基底材料无应变状态时，温差对应变片读数的影响。
图1 碳纤维补强混凝土试件
图2 碳纤维补强混凝土试件表面应力
变化规律
2.3 实验结果分析
如图2所示，实测得到的界面剪应力引起的补强复合材料表面应变变化规律和理论计算曲线进行比较。其中界面剪应力引起的实测应变是由纤维片材补强混凝土试件的应变片读数减去同种纤维片材的单向复合材料试件在相同温差下的自由膨胀应变读数得到。其中，图2a为三层碳纤维片材补强混凝土试件在不同温差时片材表面应变分布规律，可见温差越大，界面剪应力引起的应变也越大，根据应力应变关系，可知端部的应力也越大。图2b 为相同层数的三种不同纤维片材补强混凝土试件的纤维片材表面应变分布规律，可见片材热膨胀系数与混凝土的热膨胀系数相差越大，片材端部应变集中程度也越大。从图2的试验结果与理论计算结果比较可以看出试验实测应变变化规律与理论计算曲线吻合良好，可以证明计算理论的合理性。
3 有限元分析
3.1 有限元建模
图3 碳纤维补强混凝土试件在温度作用下有限元分析实体云图
利用ANSYS软件对碳纤维片材补强混凝土梁进行有限元分析。通过ANSYS软件建立碳纤维片材补强混凝土梁模型，把混凝土单元看成为一个整理单元即Solid65，在考虑温度场的情况下给出了碳纤维片材补强混凝土梁界面温度应力云图，如图3，温度差为10℃，清楚的说明了碳纤维片材补强混凝土梁的界面应力分布。通过云图的直观表现，我们可以清楚的了解界面温度应力的变化。
由于在温度和荷载共同作用下的应力分布与位移变化情况没有实验验证，因此，通过有限元法分析了在温度和载荷共同作用的情况，主要参数为，均布荷载为6000N，试件尺寸为100cm×50cm×50cm，温差为40℃，补强材料为碳纤维3层。图3给出了在2种约束情况下，整体位移变化云图，通过云图可以清楚了解碳纤维补强混凝土在界面的端部及在混凝土的支座处会产生应力集中，受均布荷载作用时混凝土梁内部的应力变化和界面的应力变化。
3.2 有限元解与实验解对比分析
图4为解析值与实验值的分析对比。其中有限分析在温差40℃时和实验得到的相同温差和厚度的情况下的对曲线，可看出实验解的可靠性。通过实验和有限元的分析对比，可很好的推出理论的合理性，另外通过有限元分析，可以得出界面的应力分布，并证明了理论的实用性。
图4 碳纤维补强混凝土试件界面温度应力实验解与数值解的比较
4、结论
本文通过实验分析，得出了碳纤维比其他纤维具有更好性价比，且力学性能优良，重点分析了碳纤维补强混凝土梁界面的温度应力，并从基底和补强材料两方面进行了对比，从而对补强放案有了很好的指导作用。利用ANSYS软件分析了在混凝土表面施加6000N的均布荷载，和温差40℃的碳纤维片材补强混凝土梁的界面应力分布情况。通过分析，可得出在两种因素的共同作用下，界面应力分布情况，也为工程实践提供了参考。
参考文献
[1] 赵彤， 谢剑， 戴自强等. 碳纤维织物补强加固混凝土结构研究.天津大学土木工程系中国腐蚀与防护学会.合成树脂及玻璃钢.化学工业出版社， 1995： 40～46
[2] 胡成， 曹三鹏. 碳纤维片材加固混凝土梁温度应力的计算与分析.合肥工业大学学报.2004，27（10）：10～12
[3] 叶见曙. 结构设计原理.北京， 人民交通出版社， 1996
[4] 殷惠光， 赵启林. 碳纤维增强混凝土结构的温度应力.Industrial Construction 2003，33（11）：22～25
[5] 陈小兵， 李荣. 碳纤维加固混凝土结构设计原则及国外设计标准.工业建筑 2001，31（4）：17～54