cfrp布加固混凝土梁非线性分析

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1、CFRP布加固混凝土梁非线性有限元分析苗巍薛振环刘霞摘要应用ANSYS软件对碳纤维布(CFRP)加固混凝土梁受弯性能进行非线性有限元分析研究，分析中考虑了碳纤维布（CFRP）与混凝土的粘结滑移的影响，给出有关设计及应用的建议。关键词碳纤维加固(CFRP)混凝土梁非线性分析1.引言碳纤维增强塑料CFRP布（CarbonFiberReinforcedPlastics）是一种性能优良的加固材料，它具有强度高、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、便于施工、操作等优点，目前CFRP布已广泛应用与多种结构的抗震加固工程中

2、，并取得了良好的效果[1]。然而在CFRP布加固运用过程中存在CFRP布不能被充分合理地利用及使用阶段加固效果不明显，对开裂荷载和屈服荷载提高程度不大等问题，目前,碳纤维布加固混凝土构件方法大多基于大量实验数据基础上的经验公式,已有的理论分析一般按线弹性理论进行,结果较为粗糙,利用非线性有限元方法对碳纤维布加固混凝土构件进行分析,不仅能够求出结构内力和变形发展的全过程,而且能够描述裂缝的形成和扩展,以及结构的破坏过程及其形态，在一定程度上可以替代试验，从而节约大量试验经费。本文采用ANSYS有限元

3、分析软件，对非预应力CFRP布加固加固混凝土梁进行弹塑性分析。2.模型概况1.1基本假定1）考虑到钢筋与混凝土界面之间的粘结性能对钢筋混凝土结构的整体性能的影响不大,故本文假设钢筋与混凝土之间无相对滑移。2）梁在加固前后的抗剪承载力足够。1.2材料和模型参数本文对宽、高和长分别为160mm、320mm、2400mm混凝土梁用0.167mm厚的CFRP布按不同的方案进行加固。混凝土强度等级为C20，具体配筋见图1，加固材料采用0.167mm厚碳纤维布，梁底满贴。各种材料参数的各项指标如表1图1碳纤维

4、加固梁表1材料参数材料名称泊松比弹性模量/MPa抗拉强度/MPa抗压强度/MPa混凝土0.2255001.19.6主筋0.3210000210—碳纤维布0.172063003600—3.有限元模型的建立3.1单元的选取混凝土模型采用ANSYS材料库中的三维钢筋混凝土实体单元SOLID65来模拟。SOLID65单元最为重要的方面在于其对材料非线性的处理,其可模拟混凝土的开裂、压碎、塑性变形及徐变,钢筋具有拉伸和压缩功能向的拉压单元,每个节点有三个自由度:沿节点坐标x、y、z方向的平动。就像在铰接结构

5、中的表现一样,该单元不承受弯矩。该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变功能。碳纤维布用采用膜单元Shell41，该单元是一种空间膜单元，可以较好地模拟碳纤维单向受力的性能。用非线性弹簧单元COMBIN39单元来模拟混凝土与CFRP之间的粘结—滑移关系。COMBIN39单元是一种具有非线性f-d性能的单向受力单元。该单元在1-D,2-D或3-D应用中具有纵向和扭转的能力。3.2本构关系1）钢筋材料模型采用线弹性模型(Linearelastic)和双线性弹塑性材料模型（BKIN），极限拉

6、应变取为0.01。2）混凝土模型考虑受拉开裂，受压本构关系采用不带下降段的多折线随动强化模型来定义，其本构关系的具体数学模型按现行混凝土设计GB50010建议的公式，上升段为二次抛物线，之后为一水平的直线段。3）碳纤维布的本构关系为线弹性，即：σ=Eε。3.3CFRP与混凝土之间粘结层的粘结滑移关系在有限元分析中，为模拟粘结滑移现象，常采用双弹簧联结单元，它是一组互相垂直的弹簧，可以分别传递两点之间的法向力和剪力。这种联结单元具有非线性刚度，但是没有实际几何尺寸。在ANSYS中，在混凝土和碳纤维单

7、元重合的节点上，纵向切向和法向分别布置COMBIN39单元，在横向切向上则把两者的自由度耦合起来。在COMBIN39单元的实常数一项需输入f-d曲线（节点力—偏移关系）。本文采用文献[2]中所述的双线性软化模型，如图2所示，其中δ是混凝土底面和CFRP之间的相对滑移，τf是界面剪切强度，Gf是图2曲线所围面积，代表单位面积的粘结单元剥离所需要的能量。δ1和δ2分别为相应于剪切强度和剥离破坏的相对滑移。图2CFRP与混凝土粘结—滑移关系双线性软化模型的数学表达式为达到界面剪切强度τf或临界滑移位移δ

8、1前，应力滑移曲线为线性变化。其后随相对滑移的增加而线性减小直至为零。该模型考虑了界面的软化行为，认为一旦达到界面的剪切强度τf粘结界面开始出现微裂缝；直至剪应力完全降为零，称为宏观裂缝或完全剥离破坏。3.4SOLID65单元参数选取SOLID65单元可以计算开裂和压碎，考虑到收敛性，计算时关闭混凝土压碎功能，混凝土破坏准则采用William2Warnke5参数强度准则，其中混凝土开裂裂缝剪力传递系数和闭合裂缝剪力传递系数分别取0.5和1.0.网格划分时确保混凝土与钢筋、混凝土与碳