碳纤维加固溷凝土梁的数值模拟计算

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1、第29卷第2期华北水利水电学院学报Vol129No.22008年4月JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerApr.2008文章编号:1002-5634(2008)02-0032-04碳纤维加固混凝土梁的数值模拟计算122李长成,丛严明,于波(1.吉林交通职业技术学院,吉林长春130012;2.吉林省交通建设集团有限公司,吉林长春130064)摘要:为了建立碳纤维加固的钢筋混凝土梁的有限元非线性模型,采用ANSY

2、S对碳纤维加固的钢筋混凝土梁进行数值建模计算.介绍了非线性有限元模拟碳纤维加固混凝土梁的方法,解决了采用有限元求解碳纤维加固混凝土梁非线性数值不容易收敛的问题,并且数值计算结果与试验结果吻合.结果表明所建立的有限元模型是合理的,该模型能准确地模拟出实际工程中碳纤维布加固混凝土梁的受力状态,并可对该种结构进行准确预测,为以后的数值研究工作奠定了基础,方便了日后的设计工作.关键词:碳纤维;混凝土梁;ANSYS;数值模拟中图分类号:TU375文献标识码:A混凝土结构的桥梁长期受到各种自然因素的腐进行模拟计算时,

3、混凝土、钢筋、碳纤维的材料属性蚀、车辆荷载的作用以及所在公路等级提高等因素按如下选取:的影响,承载能力明显下降,目前大多数旧桥梁结构1.混凝土应力-应变关系.采用图1所示的曲都需要进行加固.碳纤维加固钢筋混凝土梁技术是线,描述混凝土材料受荷过程中所经历的弹)塑)一项新型高效的结构加固技术,比传统的加固技术压碎或开裂等特点.更便捷.已经广泛地被应用到房屋、桥梁、隧道等土曲线方程为木工程领域.目前已证实了用粘贴碳纤维片材的方2EER02-(0

4、=E0E0[1-4]加固具有较大的潜力.R0(E0

5、混凝土梁进行模拟计算,给出建模过程与计算方法势在必行.1材料属性与数值模型的建立1.1材料属性利用ANSYS软件对碳纤维布加固的混凝土梁图1混凝土应力-应变关系曲线收稿日期:2007-11-06作者简介:李长成(1973)),男,吉林长春人,讲师,硕士,主要从事公路桥梁定位测量方面的研究.第29卷第2期李长成等:碳纤维加固混凝土梁的数值模拟计算33对于混凝土受拉的应力-应变曲线,将混凝土所示.单向受拉的应力-应变关系简化为线性关系fct=Ec#E(2)当fct>ft,则混凝土开裂,ft为混凝土抗压强度.2

6、.钢筋应力-应变关系.将钢筋看作为一种理想的弹塑性材料,考虑强化段的影响,其应力-应变关系取理想弹塑性模型,如图2所示.3.碳纤维应力-应变关系.碳纤维布材料的应力-应变关系接近理想的弹性,如图3所示,当碳纤图4有限元模型图维应力超过其抗拉强度认为纤维断裂.碳纤维布的2非线性计算方法应力-应变关系可表示为根据材料组成,碳纤维加固的混凝土梁是一种Rf=EfEf(3)复合结构.混凝土材料在计算过程中涉及到弹性)弹塑性)塑性)开裂或压碎等过程,钢筋材料涉及式中:Ef为碳纤维的应变;Ef为碳纤维的弹性到弹性、屈服

7、阶段.这样计算结果容易失去平衡而不模量.收敛,不收敛决定了最终计算的失败.在非线性的分析过程中,不收敛问题是一个很容易出现的问题.但通过采用正确的非线性求解方程、合理的荷载步划分、单元网格大小的控制、收敛准则的调整等,可以有效地克服不收敛的发生,具体如下:2.1荷载步划分在非线性计算过程中,将加载过程延长,将最终荷载划分成一系列的荷载增量逐步施加,即荷载步.图2钢筋应力-应变曲线图3碳纤维应力-应变曲线为使荷载增量更细密,可在每个荷载步中继续将其分成一系列的荷载增量,即荷载子步.其中荷载子步1.2有限元中

8、各种材料的真实模拟数是影响收敛的一个重要条件.荷载子步数量多少为真实反映出各种材料的力学特点,结合与求解的精度成正比.但子步多,计算的时间就越ANSYS软件中的各单元特点,选用SOLID65单元长.为了使求解精度与计算时间二者得到平衡,这时模拟混凝土材料,该单元可以较真实地模拟混凝在计算过程中需要采取按自动时间步长取值.但这土材料在受力过程中的压塑、开裂等非线性特点.样纯粹的增量随着和荷载步数的增多也会产生累计在实际情况中,受