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摘要：通过对不同玄武岩纤维布层数的加固木梁的有限元模拟分析，比较了在不同粘贴层数下加固木梁的极限荷载情况，结果表明，随着BFRP粘贴层数的增加，木梁的极限荷载逐渐增加，为加固设计和工程应用提供参考。
关键词：玄武岩纤维布 木梁 极限荷载 粘贴层数
木材是一种取材容易，加工简便的结构材料，在中国传统建筑中被广泛应用。鉴于在保留传统木建筑历史风貌方面的优势，纤维布越来越广泛的应用于传统木结构的维修加固工程，而玄武岩纤维布又以其具有较高抗拉强度和弹性模量，同时还有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点在工程加固方面逐渐显示出优越性。玄武岩纤维布在一定程度上可以代替各种纤维增强材料制品，但成本却更低，更适宜采用。本文利用通用有限元软件ANSYS12.0对不同粘结层数的加固木梁进行有限元分析，建立了相应的有限元模型，比较了不同粘结层数下木梁的极限荷载情况，为木梁设计提供参考依据。
1 BFRP加固木梁有限元模型的建立
1.1 模型及材料参数 选取木材为樟子松，建立了对比木梁及三根不同粘贴层的简支木梁的有限元模型，其基本物理力学性能如表1所示。玄武岩纤维布厚度为0.111mm，其他基本物理力学性能见表1。
对比梁及加固梁均为矩形截面b×h=100mm×200
mm，跨度1500mm。模型方案及编号见表2。
1.2 单元选择 木材和垫块均选用Solid45单元，Solid45单元用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有三个沿着xyz方向平移的自由度。该元素有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变和模拟各向异性等能力，并提供带有沙漏控制的缩减选项。BFRP采用Solid46空间实体单元进行模拟。Solid46单元为8节点3D实体单元Solid45的一种分层形式单元，该单元用于模拟分层壳或着实体。它的每个结点有3个自由度，可以用来建立叠层壳体或实体的有限元模型，每个单元允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层，同样允许有250层的等厚度材料层。Solid46单元的另一个优点是对多于250层的复合材料可以用几个单元叠加的方式来建立模型，并允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，而且用户也可以输入自定义的本构矩阵。该单元有一个等效的横向刚度，允许横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。与8节点壳单元相比，其单元的阶次要低。
1.3 建立有限元模型 为了保证木梁和垫块两者的节点可以变形协调，采用先划分单元，然后将节点合并的方法，并采用相同的加载方式对其进行模拟分析。长度方向用边界长度为50mm的单元来划分网格，其他方向采用25mm的单元进行划分。建成后的模型如图1所示。
2 模拟结果及分析
经过ANSYS程序的有限元计算，得到对比梁及BFRP约束木梁的最终应力云图，如图2～图5所示。最终得到极限荷载模拟值如表3所示。
从模拟的应力图及数值对比可知，利用玄武岩纤维布进行加固并非粘结层数越多越好。加固后木梁的承载力相对未加固的木梁有所提高，粘结两层BFRP布的提高幅度比粘结一层的高，虽然加固木梁的承载力随着粘结层数的增加而逐步增大，但是增加幅度并非与玄武岩纤维布的增加层数成正比，而是趋于平缓。对与实际结构受力构件，其受弯时，木材木节处往往有应力集中，使其破坏时多没达到木材的极限承载力，对木材的性能不易得到较准确的认识。本模型模拟时为均匀模型，排除了木节等缺陷对试验结果的影响，其在达到受弯承载力极限状态前，BFRP与木材试件之间粘结可靠，不发生相对滑移，保持应变协调。
3 结论
本文分别对粘贴不用层数玄武岩纤维布的木梁进行抗弯加固模拟，根据其破坏形态及极限承载力结果的分析得到以下结论：玄武岩纤维布粘贴层数越多，构件承载力提高幅度越大，但并不是与粘贴层数成正比。随着玄武岩纤维布层数的增加，纤维布与加固构件之间的有效粘结长度没有增加，且构件上部受压强度一定，极限承载力提高幅度增长率降低。因此，在实际应用中，应根据具体加固需要，并考虑经济性，合理选择纤维布的层数。
参考文献：
[1]蒋湘闽，胡平，马建勋.碳纤维布加固木梁受弯承载力理论分析[J].FRP与结构补强，2009.3：23～27.
[2]杨会峰，刘伟庆等.FRP加固木梁的受弯性能研究[J].建筑材料学报，2008.11：591～597.
[3]汪健根，杨勇新，胡玲，庄荣忠.玄武岩纤维布与木材粘结-滑移本构关系的试验研究[J].玻璃钢/复合材料，2009.3：23～27.
[4]阿肯江·托呼提，亓国庆.基于ANSYS的木梁有限元静力弹塑性分析[J].世界地震工程，2007，23（3）：152～157.
[5]胡玲，杨勇新等.层数对玄武岩纤维布与木材有效粘结长度影响的试验研究[J].建筑结构.2010，40（2）：67～69.
[6]ANSYS公司（中国）.ANSYS非线性分析指南[M].ANSYS中国，2000.
[7]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2010.1.
关键词：玄武岩纤维布 木梁 极限荷载 粘贴层数
木材是一种取材容易，加工简便的结构材料，在中国传统建筑中被广泛应用。鉴于在保留传统木建筑历史风貌方面的优势，纤维布越来越广泛的应用于传统木结构的维修加固工程，而玄武岩纤维布又以其具有较高抗拉强度和弹性模量，同时还有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点在工程加固方面逐渐显示出优越性。玄武岩纤维布在一定程度上可以代替各种纤维增强材料制品，但成本却更低，更适宜采用。本文利用通用有限元软件ANSYS12.0对不同粘结层数的加固木梁进行有限元分析，建立了相应的有限元模型，比较了不同粘结层数下木梁的极限荷载情况，为木梁设计提供参考依据。
1 BFRP加固木梁有限元模型的建立
1.1 模型及材料参数 选取木材为樟子松，建立了对比木梁及三根不同粘贴层的简支木梁的有限元模型，其基本物理力学性能如表1所示。玄武岩纤维布厚度为0.111mm，其他基本物理力学性能见表1。
对比梁及加固梁均为矩形截面b×h=100mm×200
mm，跨度1500mm。模型方案及编号见表2。
1.2 单元选择 木材和垫块均选用Solid45单元，Solid45单元用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有三个沿着xyz方向平移的自由度。该元素有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形、大应变和模拟各向异性等能力，并提供带有沙漏控制的缩减选项。BFRP采用Solid46空间实体单元进行模拟。Solid46单元为8节点3D实体单元Solid45的一种分层形式单元，该单元用于模拟分层壳或着实体。它的每个结点有3个自由度，可以用来建立叠层壳体或实体的有限元模型，每个单元允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层，同样允许有250层的等厚度材料层。Solid46单元的另一个优点是对多于250层的复合材料可以用几个单元叠加的方式来建立模型，并允许沿厚度方向的变形斜率可以不连续，而且用户也可以输入自定义的本构矩阵。该单元有一个等效的横向刚度，允许横向上存在非零应力、应变和位移。它可以指定失效准则。与8节点壳单元相比，其单元的阶次要低。
1.3 建立有限元模型 为了保证木梁和垫块两者的节点可以变形协调，采用先划分单元，然后将节点合并的方法，并采用相同的加载方式对其进行模拟分析。长度方向用边界长度为50mm的单元来划分网格，其他方向采用25mm的单元进行划分。建成后的模型如图1所示。
2 模拟结果及分析
经过ANSYS程序的有限元计算，得到对比梁及BFRP约束木梁的最终应力云图，如图2～图5所示。最终得到极限荷载模拟值如表3所示。
从模拟的应力图及数值对比可知，利用玄武岩纤维布进行加固并非粘结层数越多越好。加固后木梁的承载力相对未加固的木梁有所提高，粘结两层BFRP布的提高幅度比粘结一层的高，虽然加固木梁的承载力随着粘结层数的增加而逐步增大，但是增加幅度并非与玄武岩纤维布的增加层数成正比，而是趋于平缓。对与实际结构受力构件，其受弯时，木材木节处往往有应力集中，使其破坏时多没达到木材的极限承载力，对木材的性能不易得到较准确的认识。本模型模拟时为均匀模型，排除了木节等缺陷对试验结果的影响，其在达到受弯承载力极限状态前，BFRP与木材试件之间粘结可靠，不发生相对滑移，保持应变协调。
3 结论
本文分别对粘贴不用层数玄武岩纤维布的木梁进行抗弯加固模拟，根据其破坏形态及极限承载力结果的分析得到以下结论：玄武岩纤维布粘贴层数越多，构件承载力提高幅度越大，但并不是与粘贴层数成正比。随着玄武岩纤维布层数的增加，纤维布与加固构件之间的有效粘结长度没有增加，且构件上部受压强度一定，极限承载力提高幅度增长率降低。因此，在实际应用中，应根据具体加固需要，并考虑经济性，合理选择纤维布的层数。
参考文献：
[1]蒋湘闽，胡平，马建勋.碳纤维布加固木梁受弯承载力理论分析[J].FRP与结构补强，2009.3：23～27.
[2]杨会峰，刘伟庆等.FRP加固木梁的受弯性能研究[J].建筑材料学报，2008.11：591～597.
[3]汪健根，杨勇新，胡玲，庄荣忠.玄武岩纤维布与木材粘结-滑移本构关系的试验研究[J].玻璃钢/复合材料，2009.3：23～27.
[4]阿肯江·托呼提，亓国庆.基于ANSYS的木梁有限元静力弹塑性分析[J].世界地震工程，2007，23（3）：152～157.
[5]胡玲，杨勇新等.层数对玄武岩纤维布与木材有效粘结长度影响的试验研究[J].建筑结构.2010，40（2）：67～69.
[6]ANSYS公司（中国）.ANSYS非线性分析指南[M].ANSYS中国，2000.
[7]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2010.1.