预应力CFRP加固钢筋混凝土梁补强效果的数值模拟分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力CFRP加固钢筋混凝土梁补强效果的
数值模拟分析
黄丽华，张芳芳，张哲
(大连理工大学建设工程学部土木工程学院，辽宁大连1 16024)
摘要：通过升温法模拟碳纤维布内预应力值，利用单元生死模拟钢筋混凝土梁在卸载加固和不卸载加固时预应力CFRP的
补强加固效果，对11根预应力CFRP加固钢筋混凝土梁进行了数值模拟，并与试验结果比较，得到了基本一致的结论，说明采
用ANSYS可以较好地对预应力CFRP加固梁的补强效果进行数值模拟分析，可有效地补充有限的预应力CFRP加固梁的试验
数据和实验分析，为实际工程加固设计提供更多的理论依据。
关键词：预应力CFRP；加固；钢筋混凝土梁；数值模拟
中图分类号：TU375．1 文献标识码：A 文章编号：1008—1933(2011)06—088—04
Numerical simulation of RC beams strengthened with prestressed
CFRP sheets
HUANG Lihua，ZHANG Fangfang，ZHANG Zhe
(School of Civil Engineering，Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)
Abstract：Numerical simulations for RC beams strengthened with prestressed carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets are
discussed in this paper．CFRP sheets are prestressed by applying temperature rise in the numerical simulation．The loaded and unloaded
beams strengthened with CFRP sheets are simulated by controlling elements‘birth’and ‘death’of CFRP．Through comparing the
numerical simulation with the test results of eleven beams，same conclusions are obtained．The numerical simulation is an efective
compensation for limited tests of prestressed CFRP strengthening beam．It Call be as a reference approach for analyzing the efect of
prestressed CFRP sheets in engineering practice．
Key words：prestressed CFRP sheets；strengthening；RC beams；numerical simulation
0 引言
碳纤维增强复合材(CFRP)作为一种新材料在
混凝土结构加固领域中得到了广泛应用¨ J。然
而，从目前大量的试验和理论研究来看，用普通
CFRP布加固钢筋混凝土梁时，存在CFRP布的高强
特性不能充分发挥及使用阶段的加固效果不明显等
问题，采用预应力CFRP布可充分利用CFRP布的
高强特性，有效改善构件使用阶段的受力性能并限
制裂缝扩展-3咱J。有关普通CFRP卸载加固和不卸
载加固梁方面的试验和理论研究，目前已有很多成
果发表』，而预应力CFRP加固研究中，由于试验
设备的复杂性，使得相关的试验研究受到局限，开发
研制精确的数值模拟方法可作为有限试验方法的重
收稿日期：2010-06-21
作者简介：黄丽华(1967一)，女，辽宁海城人，副教授，研究生导师，
主要从事FRP加固钢筋混凝土结构的加固方法、计算方法和实验研
究；钢筋混凝土结构疲劳计算方法研究；结构的静、动力及稳定性计
算研究；结构抗风稳定性以及风振响应计算方法研究。
E—mail：lhhang@dlut．edu．an
要补充。本文以两个比较有代表性的试验为基础，
利用ANSYS软件对试验中的1l根预应力CFRP布
加固钢筋混凝土梁进行数值模拟，探讨了预应力
CFRP加固钢筋混凝土梁的数值模拟方法，通过与
相应的试验结果比较验证，确定模拟计算的可行l生。
1 数值模拟模型
1．1 本构关系
混凝土是弹塑性材料，本文的分析中采用E．
Hognestad建议的二次曲线加下降直线段应力一应
变曲线。钢筋的应力一应变关系取理想弹塑性模
型，屈服应力取试验实测屈服强度。碳纤维布应
力一应变关系为线弹性，弹性模量、极限抗拉强度均
取实测值。
1．2 数值模拟
本文利用ANSYS对预应力CFRP加固钢筋混
凝土梁的加固效果进行了数值模拟，其中单元选取，
预应力的施加以及加载和卸载加固模拟过程如下：
钢筋混凝土采用分离式模型，不考虑混凝土和
2011 No．6 黄丽华，等：预应力CFRP加固钢筋混凝土梁补强效果的数值模拟分析 89
钢筋之间的粘结滑移和混凝土与纤维布之间的粘结
剥离破坏。混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用
LINK8三维杆单元，碳纤维布采用SHELIA1膜单
元。混凝土的破坏主要由其抗拉性能来控制。
采用升温法模拟碳纤维布预应力施加过程。具
体如下：将碳纤维布的温度系数设为负，通过提高温
度使碳纤维布收缩，模拟实验中对碳纤维布的张拉，
使得碳纤维布产生预拉应力，而与之相连接的混凝
土梁产生预压应力。
预应力CFRP不卸载加固的数值模拟是通过将
碳纤维布设为生死单元来实现的。在没达到初始弯
矩之前，将碳纤维布刚度及其他分析特性矩阵
乘以一个很小的因子[ESTIF]，即将单元杀死。死
单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效(但
仍然在单元载荷的列表中出现)。单元的应变在
“杀死”的同时，也将设为0。当荷载超过眠时，在
表1 数值模拟梁明细
Table 1 Details of simulated beams
该载荷步下将碳纤维布单元激活，参与承担荷载。
1．3 破坏准则
混凝土采用William—Wamke五参数破坏准则，
其中张开裂缝的剪切传递系数取为0．5，闭合裂缝
的剪切传递系数为取1．0，屈服准则采用多线性随
动强化模型(KINH)，裂缝的处理方式采用分布裂
缝模型。钢筋采用经典的双线性随动强化模型
(BKIN)。
2 数值模拟及结果分析
2．1 试验参数
本文选用了郑州大学孔琴试验中的6根梁以
及重庆后勤工程学院彭飞飞等叫试验中5根试验
梁作为数值模拟对象。试验梁均为两点受力的简支
梁，预应力的施加以及加固参数见表1。
2．2 数值计算模型
数值计算模型如图1所示。混凝土、钢筋、碳纤
维布参数以及荷载边界条件等都与试验情况相同。
由于结构、荷载均对称，故建二分之一梁模型。为减
小应力集中影响，在支座和荷载位置处均设置弹性
垫块。由碳纤维布的线膨胀系数，可计算碳纤维
布施加的等效温度荷载：
△ ￡ 17" f／aEcf
式中。，为施加的预应力，即。 =F／A。，F为预加
拉力，A 为碳纤维布的截面面积；E 为碳纤维布的
弹性模量。
图1 数值模拟计算模型
Fig．1 Model of numerical simulation
2．3 数值模拟结果分析
梁IJa一3的数值模拟结果如图2(a)，(b)所示。
图2(b)反映了预应力的施加过程，即第一荷载步
TIME=0～1．0模拟碳纤维布预应力施加过程，当
TIME=1．0时，预应力施加完毕，此时梁形成反拱，
时间一挠度曲线达到第一个转折点，跨中挠度为向
上一0．228 mm。第二荷载步TIME=1．0—2．0模拟
外荷载施加过程，当TIME=1．3308时，出现第二个
转折点，梁跨中底部的混凝土开始开裂，此时荷载为
11．911l kN，与试验值14 kN接近。在这个转折点
以下，预应力纤维布加固梁中混凝土和钢筋都处于
材料的线弹性范围内。当TIME=1．8090时，到达
第三个转折点，挠度曲线开始变得平缓，这是钢筋屈
服导致的，此时钢筋应力达到屈服应力369．6 MPa，
对应的外荷载为29．1315 kN，接近试验值29．8