碳纤维加固简支梁的有限元分析

碳纤维加固简支梁的有限元分析张丽丽,玄伟,陈洋(山东科技大学,山东青岛266590)摘要:针对碳纤维布加固混凝土梁进行非线性有限元分析,对比分析加固前后的内力与变形,阐明碳纤维对混凝土简支梁的作用.关键词:碳纤维;有限元;加固;简支梁:TU375.1文献标识码:AFiniteElementAnalysisofReinforcedBeamsStrengthenedwithCFRPZhangLili,XuanWei,ChenYang(ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,ShandoAbstract:ThenonlinearfiniteelementanalysisofconcretebeamsstrengthenedwithCFRPwascarriedout.Theresultsofstressanddeformationbeforeandafterreinforcementwerecompared,thenweclarifytheeffectofCFRPonconcretebeams.碳纤维布加固混凝土梁构件设计的方法大多都基于大量试验数据上的经验公式,一般都是按线弹性理论对其进行分析.本文针对碳纤维布加固混凝土梁进行非线性有限元分析,对比分析加固前后的内力与变形,阐明碳纤维的作用机理与效果.有限元单元采用ANSYS结构静力分析模块,利用直接建模法采用分离式钢筋混凝土模型建立有限元模型,利用SOLID65模拟混凝土单元[1],采用BEAM188单元模拟钢筋单元,采用SHELL41空间膜单元模拟碳纤维布单元,该单元可以较好地模拟碳纤维布单向受力性能.1碳纤维加固混凝土梁有限元模型的建立2模型尺寸[2].试验梁为矩形截面简支梁,截面尺寸为200mm×300mm,跨度3.0m,净跨2.7m,纵向底筋采用2Φ14,架立钢筋2Φ8,箍筋Φ8@120,全长配箍,钢筋的保护层厚度为为30mm,梁底粘贴单层单向碳纤维布,碳纤维布宽度200mm,厚度0.167mm.材料性能参数.钢筋均为一级,钢筋弹性模量E=2.1e5MPa,泊松比v=0.3,钢筋的应力一应变关系[3]采用双直线(完全弹塑性模型)进行模拟.碳纤维布弹性模量E=2.3e5MPa,碳纤维布是一种线弹性材料,破坏前认为其始终处于弹性工作阶段.混凝土采用C45,抗拉强度2.51MPa,混凝土弹性模量E=3.25e4MPa,泊松比v=0.2,裂缝张开与闭合剪力传递系数分别为0.5和0.9.试验通过两点加载,在模型上施加节点载荷,对加固前后的梁施加相同的载荷,大小为1500N,将集中力等效分配在有限元模型的节点上,以有效的降低应力集中产生的影响.建立有限元模型.SOLID65混凝收稿日期:2013-06-09作者简介:张丽丽(1987-),女,山东日照人,硕士研究生,研究方向为建筑结构工程.河南科学第31卷第9期-1448-凝土中钢筋的位置进行切割,我们将单元网格尺寸划分为50mm,切割时混凝土的保护层厚度可适当增大.通过交线形成混凝土的纵向钢筋和箍筋.假定各材料之间有良好的黏结,不产生相对滑移,建立模型时,直接将重合的各单元节点压缩为一个节点,使它们共同受力,产生相同的变形.将SOLID65单元划分为六面体单元,并在加载点与支座处建立以SOLID45为单元的弹性垫块,以提高计算精度.网格划分后有限元模型如图1.block30050×50support图1混凝土梁有限元模型Fig.1Finiteelementmodelofconcretebeam有限元结果分析通过对比简支梁在粘贴碳纤维布前后的应力、应变及竖向位移的结果分析,总结出碳纤维加固简支梁的效果.以下为加固梁与未加固梁的有限元分析结果[4].位移单位为mm,力的单位为N,应力单位为MPa.3.1位移分析由于混凝土与钢筋共用节点,始终共同工作,有相同的位移与变形,故可用钢筋的位移代替混凝土梁的位移进行分析.为了便于观看,此处只取加固前后底部纵向受拉钢筋结果数据,如图2和图3所示.3STEP=1MAY92013TIME=5.178Z-.150126-.105471-.060815-.01616.028496图2加固前简支梁受力后钢筋Y方向位移图Fig.2BeforethereinforcemengYdirectiondisplacementofbeamreinforcement图3加固后简支梁受力后钢筋Y方向位移图Fig.3AfterthereinforcemengYdirectiondisplacementofbeamreinforcement由图2和图3可以看出,施加Y方向的负向荷载后,加固前后钢筋的位移均是中间大,然后向两端逐渐递减,这与力的加载方向是一致的.而加固前后,梁端部会出现局部翘起,也是与实际情况在距离梁边缘一定距离处设立支座相符合的.由计算结果显示,最大位移均出现在梁跨中,加固前Y方向最大位移为-0.336mm,在进...

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