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1、第38卷 第1期西安建筑科技大学学(自然科学版报)Vol.38No.12006年2月J1Xi’anUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)Feb.2006CFRP加固钢梁的有限元分析1,212231X彭福明,郝际平,杨勇新,岳清瑞,刘立杰,李文岭(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心,北京100088;3.北京市建筑设计研究院,北京100045)摘 要:工程结构中的受弯钢梁由于腐蚀或疲劳损伤需要进行加
2、固和修复.与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有很大的优势和应用前景,如不会导致严重的应力集中、不会产生残余应力、施工方便、维护费用低等.但是目前仅对CFRP加固钢梁和组合梁进行了部分试验研究,缺乏相关的有限元分析.对CFRP加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行了论述,并采用笔者提出的“三维实体2弹簧2壳元”有限元模型对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前、后的性能进行了分析.分析结果表明,损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP布和CFRP板加固后其性能恢复非常显著,而且粘贴CFRP板的加固效果
3、更加明显.关键词:碳纤维增强复合材料;三维实体2弹簧2壳元;弹簧单元;约束方程中图分类号:O34文献标识码:A文章编号:100627930(2006)0120018206钢结构由于强度高、塑性和韧性好,在工程结构中的应用非常广泛.钢结构中存在大量的受弯构件,由于腐蚀或疲劳,这些受弯钢梁下翼缘往往会发生不同程度的损伤,严重影响了钢梁的刚度和承载能力.因此,有必要对这些损伤钢梁进行加固,常规方法是在钢梁受拉翼缘的外侧表面焊接钢板进行加固,但这种加固方法增加了结构重量、焊接缺陷对疲劳敏感.纤维增强复合材料由于
4、具有优异的物理力学性能,已广泛应用于土木工程结构的加固和修复中.近年来,国内外对纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构进行了大量的研究和广泛的应用,但是对FRP加固钢结构的研究和应用则相对较少.国外对这[123]一领域的研究主要集中于试验研究,而国内对该领域的研究则起步较晚,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心率先于2000年开始对这种新的钢结构加固技术进行了较为系统的试验研究,并已取[426]得了部分研究成果.本文对粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行了分
5、析,并利用有限元软件ANSYS,采用笔者提出的“三维实体2弹簧2壳元”有限元模型分析了完好钢梁、损伤钢梁、完好组合梁和损伤组合梁粘贴CFRP加固前、后刚度、屈服荷载和承载能力的变化.分析结果表明,钢梁和组合梁采用CFRP布和CFRP板加固后其性能均有所提高,对于损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP板的加固效果则更加明显.1 有限元分析的关键技术CFRP加固钢梁是通过粘结剂将CFRP粘贴于钢梁受拉翼缘,使CFRP与原钢梁共同受力,从而可以提高原钢梁的刚度和承载能力.在加固后的复合构件中,CFRP和胶层的厚度与原钢
6、梁的截面尺寸相比要小得多,有限元分析中如果将CFRP和胶层的单元类型采用实体单元,将使有限元模型的单元和节点数目过大.因此,在对粘贴CFRP加固后的钢梁进行有限元分析时,对粘结胶层的处理和CFRP单X收稿日期:2004211229修改稿日期:2005210225基金项目:国家863计划项目(2001AA336010);国家自然科学基金项目(50238030);2003年科研院所技术开发研究专项资金项目(2004EG213024)作者简介:彭福明(19752),男,湖北宜昌人,博士,主要从事结构检测、鉴定
7、和加固方面的研究.©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第1期彭福明等:CFRP加固钢梁的有限元分析19元类型的选取是分析的二个关键技术.111 胶层的处理由于粘结胶层的厚度很小,因此在有限元分析中采用实体单元是不合适的.本文采用ANSYS中的弹簧单元Combin14来模拟CFRP与钢梁之间的胶层,在钢梁下翼缘与CFRP之间相应的一对节点之间设置3个弹簧单元
8、分别表示界面的法向(钢梁截面的弱轴方向)、纵向切向(钢梁的纵向)和横向切向(钢梁截面的宽度方向),如图1所示.图1 粘结胶层弹簧单元图2 弹簧单元面积的计算Fig.1SpringelementsoftheadhesiveFig.2Definitionofspringelementarea 弹簧单元的长度为胶层的厚度,法向弹簧单元的性能由粘结剂拉伸试验得到的应力2应变曲线确定,切向弹簧单元的性能由粘结剂剪切试验的剪切应力2剪切应变曲线得到,
