单位文秘网 2021-08-31 09:00:36 点击: 次
【摘要】 采用有限元分析方法,通过选取合理的单元类型、材料本构关系和破坏准则,建立了所要分析的预应力CFRP筋T型混凝土梁的有限元模型,通过非线性数值模拟,分析了CFRP配筋率、非预应力筋配筋率、有效预应力等因素对CFRP筋T型梁受力性能的影响。在有粘结预应力CFRP筋混凝土结构中,适当的配置CFRP有粘结钢筋可以大大改善梁的受力性能,配筋率對梁的受力性能的影响较大;非预应力钢筋对梁受力初期的刚度有所影响;而增大混凝土强度或增大预应力筋的有效预应力值对梁的受力性能影响不明显。经分析后得出的结论对预应力碳纤维布加固混凝土梁的工程应用具有一定的指导意义。
【关键词】 CFRP筋,混凝土,受弯性能,有限元分析
0引言
传统钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀对结构的正常使用和耐久性产生的不可忽视的影响。越来越多的学者对其进行深入的研究,希望能找到减少甚至避免钢筋发生锈蚀的措施。国内外的许多学者在经过大量的科学实验及工程实践研究后普遍认为:通过利用高性能纤维增强复合材料来取代普通钢筋或预应力钢筋,能够从根本上解决钢筋的锈蚀问题,并具有良好的工程应用前景。影响 CFRP筋混凝土梁受弯性能的因素很多,要对这些影响因素进行大量的、全面的试验研究,成本太高且费时费力。故采用有限元分析方法成功建立了预应力CFRP筋混凝土梁的分析模型,并通过进行了数值分析。与传统试验研究相比,正确的数值模拟试验能更为准确、完善的得到试验结果,可节省研究成本,缩短研究周期。本文采用ANSYS软件进行有限元分析,ANSYS具有的丰富的供选择的单元库,可以极真实的模拟实际结构的形状及受力状态,并能得到较为精确地解析解。
1分析模型的建立
1.1 分析模型构造
文所分析的T型梁基本参数均采用规范标准值,其中箍筋及翼缘分布筋采用HPB300级,纵向受力筋采用HRB400级,CFRP筋采用φcf16,极限抗拉强度为2600MPa,混凝土T型基本梁采用C35,分析模型截面如图1.1所示。
1.2模型单元的选取及材料特性
使用的混凝土梁非线性模型采用分离式模型,钢筋和混凝土分别作为不同的单元来处理。ANSYS单元库中的65号混凝土单元在模拟其中的加强材料和模拟材料的拉裂、压碎时具有其他单元无法比拟的优势。SOLID65是通过引入垂直于裂缝表面方向上的一个缺陷平面来模拟在某个积分点上出现了裂缝,本文采用单元内部的弥散裂缝的裂缝模型,对于开裂的混凝土单元仍然可以利用连续介质力学的方法来处理,由于这种方法无需增加结点和重新进行单元划分。由于随着荷载的增加,混凝土结构逐渐进入到塑性阶段,本文采用我国混凝土规范所采用的混凝土本构模型本构关系来定义材料的属性,一般工程上常将屈服准则与破坏准则等同,ANSYS中采用的破坏面模型就是W-W五参数模型。
LINK8单元作为二维单元,只能承受单轴拉压力,不能承受弯矩,同时也可以模拟塑性、蠕变、膨胀和应力刚化、大变形的特性,它可以用来模拟弹簧、桁架、FRP筋、普通钢筋等。被广泛应用了的钢筋的本构模型是双折线的理想弹塑性本构模型,本文中亦采用此种本构模型。FRP筋的应力-应变关系曲线为线弹性,本文中采用钢筋和FRP筋的理想弹塑性本构模型曲线。
1.3 预应力的施加及模拟方法
取相应的单元分别模拟力筋和混凝土,采用分离式或组合式建模方法建立有限元模型,预应力作用通过初应变法或者降温法施加,这种方法称之为实体力筋法[2] 。它基于几何模型进行一定处理,力筋位置准确,求解结果能够更接近实际情况,尤其对预应力混凝土结构的应力分析能够进行准确的模拟。实体力筋法在建模处理上有三种处理方法,即约束方程法、节点耦合法和实体分割法,三种方法各有其优缺点,本文采用实体分割法来进行有限元分析。
1.4分析模型的建立
CFRP筋混凝土T型梁有限元模型的建立过程、约束施加及求解设置均按照有限元模型相关介绍,此处不再赘述。
2 影响T型截面预应力CFRP筋混凝土梁受弯性能的因素
影响有粘结预应力混凝土梁受弯性能的因素很多,主要有CFRP配筋率、非预应力筋配筋率、混凝土抗压强度和有效预应力等。近年来许多学者对梁的弯曲性能进行了大量的试验,使人由于试验条件的限制,在试验的全过程中,难以避免的会出现由于各种可预知或不可预知的因素所导致的误差。为了有效地弥补和克服实验研究的缺陷和不足,有限元数值仿真模拟法应用于混凝土梁进行分析得以实现。本章主要通过有限元分析探讨了上述几个因素对FRP筋预应力混凝土梁受弯性能的影响。
2.1 CFRP配筋率
1) T梁模型工况
本小节配置了不同CFRP配筋率的混凝土T型梁,分析配筋率对CFRP 筋混凝土梁受力性能的影响。其配筋情况见表2.1,截面形式见图1.1。
三种情况的跨中荷载挠度曲线见图2.2。根据ANSYS计算结果得出了I-1~ I-3的CFRP筋混凝土梁挠度曲线,随着配筋率的增加,开裂荷载随之增加,增幅分别为36.6%,92.9%。极限荷载也随着配筋率的增加而增大,增幅为13.8%,20.5%。混凝土开裂后CFRP筋混凝土梁刚度突变,但是对于配筋率较大的I-3梁刚度下降的程度要小于配筋率小的I-1梁。由此可以得到结论是:随着CFRP配筋率的增大,混凝土开裂后的刚度也随之增大,开裂荷载也有大幅提高,极限荷载也随着配筋率的增大而有较大提高,挠度随着配筋率的增大而减小。
2.2 非预应力钢筋
1) T梁模型工况
2) 荷载-挠度值
三种情况的跨中荷载挠度曲线见图2.2。从图中可以看出,随着非预应力钢筋配筋率的增大,开裂荷载增幅为5.8%,9%,可见非预应力筋配筋率对结构的开裂荷载的影响不大,但由于配筋率的增加,结构的极限荷载略有提高。在相同荷载作用下,非预应力钢筋配筋率大的T梁跨中挠度小,梁的延性性能也有所提高,混凝土开裂以后,非预应力粘结钢筋可以限制裂缝的继续扩大,使裂缝分散并约束裂缝宽度,从而增加了参与受力的混凝土范围,而且有粘结CFRP筋提供了大部分的强度,并有效地提高了梁体的抗裂度,从而能够更有效地发挥出CFRP筋高强度的优势,其承载能力也有一定提高。因此,适当的配置非预应力钢筋可以有效地改善梁的受力性能。
2.3 有效预应力
1) T梁模型工况
在其它参数不变的情况下,改变有效预应力的大小来分析梁I-2的受力性能,以有效预應力与极限强度的比值 为变量,变量值分别为为0.35,0.40,0.45,如图2.4所示,其中, 为CFRP筋的抗拉强度标准值,这里取极限强度值2600MPa,截面形式见图1.1。
2) 荷载-挠度值
三种情况的跨中荷载挠度曲线见图2.4,可以看出,有效预应力σpe对梁的开裂荷载影响不大,但随着有效预应力的加大,开裂荷载均有所提高,增幅为11%,15%,原因是预应力CFRP筋有利于抵消梁在使用荷载作用下受拉区的拉应力,能推迟梁的开裂;而对于极限荷载的增量比较小,其主要原因在于梁的破坏模式为压区混凝土先压碎,CFRP筋应力尚未达到极限应力,故提高有效预应力对极限承载力的提高贡献不大,但挠度随着有效预应力的增加而减小。
3 结语
在已有的仿真模型的基础上,分别对不同工况的预应力CFRP混凝土T型梁进行仿真模拟,分析了CFRP的配筋率,非预应力钢筋的配筋率,有效预应力,混凝土强度等级对预应力CFRP混凝土梁的挠度及极限荷载影响,得到以下结论:
1) 在有粘结预应力CFRP筋混凝土结构中,适当的配置CFRP有粘结钢筋可以大大改善梁的受力性能,配筋率对梁的受力性能的影响较大。
2) CFRP 筋混凝土梁中配置非预应力钢筋对梁受力初期的刚度有所影响,荷载挠度曲线上升较快,实际工程中可以在CFRP 筋砼梁中配一定数量的钢筋防止梁变形过大的问题。
3) 提高混凝土强度等级使极限承载力有一定的提高,但增幅较小。
4) 在有粘结预应力FRP筋混凝土结构中,破坏模式为混凝土先压碎时,增大预应力筋的有效预应力值对梁的受力性能影响不明显,但挠度随着有效预应力的增加而减小。
参考文献
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