CFRP布加固工字型钢梁的稳定性研究.pdf

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1、20】2年4月■材目磊商施工技术CFRP布加固工字型钢梁的稳定性研究周聪(福建省产品质量检验研究院)摘要：随着cFRP的广泛使用，利用它来加固钢结构的研究也越来越深入，但对粘贴cFRP布的钢梁的稳定性研究还较少，本文采用ABAQuS有限元软件对cFRP布加固工字型钢梁的稳定性进行分析。结果表明，粘贴cFRP布能有效提高工字型粱的稳定性，且加固效果与粘贴的cFRP布宽度和层数成正比。关键词：工字型钢粱：CFRP布：稳定性：有限元分析引言现有的钢结构建筑物、构筑物等，由于设计、制造、施工及疲劳荷载作用等因素的影响，导致其强度或是稳定性能不满足要

2、求，而需要进行加固⋯。传统钢结构加固方法是焊接钢板，这种方法在一定程度上增加了结构尺寸，造成结构重量的增加和刚度的改变，导致结构内力重分布，并且在施工上具有一定的难度，高空作业时还有一定得危险性。而采用cFRP进行加固，施工简单，并具有良好的耐腐蚀性，不会出现钢板加固后的锈蚀现象。对现有的加固方式主要是在梁的受拉面粘贴cFRP提高其抗弯承载力和抗弯刚度，在梁的腹板粘贴CFRP提高其抗剪承载力，对疲劳损伤钢结构进行加固，提高疲劳寿命四。除了上述一般的加固效果研究外，在以下加固方面也有了一定的研究，如：利用cFRP加固焊接钢结构使结构形成新的组

3、合构件，这种组合构件有更高的承载能力1w。CFRP布加固钢粱拼接节点能提高拼接节点的可靠性H。在钢粱的受拉翼缘上侧粘贴Cn啦进行加固可以提高其承载能力和刚度用。同时还有研究表明，钢粱和组合粱采用CFRP布和C豫P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_。本文利用ABAOus对cFRP布加同跨中受集中荷载的简支工字型粱进行有限元模拟，并与理论值进行比较分析后，再研究Cn巾布厚度和宽度对工字型梁稳定性的影响。1有限元模型的建立根据本文研究目的，所选工字型钢粱必须满足以下要求；①满足梁截面最大应力不超过钢

4、材屈服强度；②截面在弯曲平面内的抗弯刚度很大，屈曲前弯曲变形的影响可略去不计；③加载区域不会出现局部破坏现象；④不考虑残余应力和初弯曲等缺陷的影响。选定工字型梁截面如图1所示，长度为3．6m，两端铰接约束。在集中荷载作用下，为防止出现局部破坏现象，在跨中设置支撑加劲肋。钢材假设为理想弹塑性且各向同性材料。取参数E．2．06xIO嘲Pa，泊松比“加．3。CFRP复合材料为各项异性材料，其材料参数如表l所示州。襄lCFf讲复合材料的材性参敬E(GPa)B(cP驴E3(GPD‰如码lCu(GMG口(c附Gm(Cpa)232．892．70．260．

5、280．263．92I．053．92文中工字型钢梁和c矸IP布采用s4R壳体单元模拟，加劲肋与工字型之间，CH咿布与和工字型钢粱之间均用TIE连接，建立有限元模型如图l、图2所示。围I工宇型粱藏面固(单位：咖)固2未加固的工字型絮模型根据势能驻值原理，建立中性平衡方程，在跨中集中荷载作用F，利用迦辽金法求解侧扭届曲荷载，即利用公式(1)求解㈣：氓，-c-乎b如"＼／i磅_]其中：C，、c：、c，是与外荷载和边界条件相关的系数，a，B．根据荷载作用位置取值。将工字型粱截面特性带入上式求得理论届曲弯矩值MF】．27x】O矾m．屈曲荷载值曙J37

6、．27kN。有限元模型求解的未加固工字型梁的屈曲荷载为盼141．2kN，模型值与理论值仪相差2．78％。验证了上述方法模拟工字型梁稳定性计算的正确性。2加固效果分析简支粱发生侧向届曲失稳。必须满足平面内抗弯刚度足够大，所以与其他提高梁抗弯能力的加固方式不同，文中采用cFRP布外包工字梁的方式进行加固。通过有限元分析发现，当CFRP布粘贴区域越接近两端的时候加固效果越好．这相当于增加梁的端部弯矩，减小梁的跨度。但是实际构件端部加固操作往往受到限制，因此选择沿跨中对称粘贴cFRP布的加固方式。考虑到胶层的厚度比原钢梁的截面尺寸小得多，如果用实体

7、单元模拟，会导致有限元模型的单元和节点数量过大，因此在分析时．将胶层和cFRP布作为～个整体考虑，以单层为0．85m来模拟。当在跨中截面粘贴一层c职P布时，结果表明构件屈曲前cFRP布先失效，即无加固效果。因此对在跨中截面粘贴2。7层的CFRP布，宽度分别取200Ⅷ．400mm，600Ⅱ¨．800rm，1000∞，1200InIfI，1400㈣共42个工况进行对比分析。2．1粘贴层数的影响当cFRP布宽度一定时。改变其粘贴层数进行对比分析，计算结果见图3。童60茁50鑫柏薹∞墓20霜10霹01Z345Tc阼P层薮囱3cFRP布层数对庙曲荷蕺

8、的影响曲缦通过对比发现，CFRP布宽度取值不同时。层数对屈曲荷载的影响趋势相同，都成对数关系，均随着层数的增加而提高。当cFRP布层数达到一定数量后，加固效果减缓．最后都趋于一定