碳纤维布加固板的有限元分析
碳纤维布加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能的非线性有限元分析
第23卷增刊I V ol. 23 Sup. I 工程力学2006年 6 月 June 2006 ENGINEERING MECHANICS 122 文章编号：1000-4750(2006)Sup.I-0122-06碳纤维布加固复合受力钢筋混凝土箱梁抗扭性能的非线性有限元分析*李忠献，张媛，景萌(天津大学建筑工程学院，天津 300072)摘要：采用有限元方法对碳纤维布加固钢筋混凝土构件进行非线性分析，是对有限的试验研究的有效补充和进一步深入探讨。
根据4根碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁的试验研究结果，建立了合理的三维有限元模型，对碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁在弯剪扭复合受力下的抗扭性能进行了非线性有限元分析。
计算得到的扭矩－扭转角关系曲线、钢筋和碳纤维布的应变曲线以及界面粘接单元的恢复力曲线等与试验结果吻合较好，可以较好地模拟碳纤维布加固箱梁的受扭性能。
进一步通过对7根数值梁的计算结果分析，提出碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁在复合受力下的剪扭相关性符合直线方程。
关键词：钢筋混凝土；箱梁；抗扭性能；加固；碳纤维；非线性有限元分析中图分类号：TU311; U448.34; TU375.1 文献标识码：ANONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS ON TORSIONALBEHAVIORS OF FRP STRENGTHENED RC BOX BEAMS UNDERCOMBINED LOADINGSLI Zhong-xian, ZHANG Yuan, JING Meng(School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Based on experimental results of four reinforced concrete box beams strengthened with fiber reinforced polymer (FRP), a 3-D finite element model was established and the nonlinear finite element method was used to study the torsional behaviors of FRP strengthened reinforced concrete box beams under combined loadings of bending moment, shear and torque. The numerical results of torque-twist angle relationships, strains in steel bars and FRP, forces of interfacial element showed good agreement with the experimental results. This indicates that the nonlinear finite element method can simulate the torsional behavior of FRP strengthened box beams. Further investigation was conducted with respect to the shear-torque behavior of FRP strengthened reinforced concrete box beam. The calculated results of seven numerical box beams indicated that dimensionless correlation of shear and torque strength of FRP strengthened RC box beams under combined bending, shear and torque was linear.Key words: reinforced concrete；box beam；torsional behavior；strengthening；fiber reinforced polymer；nonlinear finite element analysis—————————————————收稿日期：2005-12-08；修改日期：2006-04-01基金项目：国家杰出青年科学基金(50425824)作者简介：*李忠献(1961)，男，安徽枞阳人，教授，博士，博导，主要从事工程结构抗震防灾，减震控制与健康监测等研究(E-mail: zxli@)；张 媛(1980)，女，山东东营人，博士生，主要从事大型结构振动分析与健康监测研究；工程力学 123 近年来，纤维增强材料(FRP)固混凝土结构进行了模拟和分析[1,2]。
碳纤维布加固开裂低配筋混凝土梁试验研究与有限元分析
建 筑 结 构 学 报(增刊)Journal of Building Structures (Supplementary Issue )碳纤维布加固开裂低配筋混凝土梁试验研究与有限元分析曾严红,林 峰,顾祥林(同济大学建筑工程系,上海200092)基金项目:国家科技支撑计划课题(2006BAJ 03A07)。
作者简介:曾严红(1981- ),男,河南固始人,博士研究生。
收稿日期:2008年5月摘要:为了给受损开裂低配筋混凝土结构加固维修提供依据,按3种低配筋率0.127%、0.189%、0.251%设计了6根钢筋混凝土梁。
先将混凝土梁加载至出现宽度为0.3mm 的可见裂缝时卸载,再粘贴碳纤维布进行加固,养护后重新加载至破坏。
试验结果表明:粘贴碳纤维布能有效提高开裂梁的承载能力,随着加固量的增大加固梁承载力提高,但变形能力降低;在低配筋情况下,配筋率越高,承载力提高比例越大。
用有限元方法数值模拟碳纤维布加固受损低配筋梁受力全过程,计算结果与试验结果吻合较好,为进一步参数分析提供了工具。
关键词:开裂混凝土梁;低配筋率;碳纤维布;加固中图分类号:TU37511 TU528.572 文献标识码:AExperimental st udy and finite element analysis o n crackedco ncrete beams wit h low reinforcement ratio s st rengt henedwit h carbo n fiber co mpo site sheet sZEN G Yanhong ,L IN Feng ,GU Xianglin(Department of Building Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :In order to give p roposals for st rengt hening and rehabilitation of cracked concrete beams wit h low reinforcement ratio s ,six concrete beams wit h t hree different low reinforcement ratios were designed.The beams were p reloaded and t hen unloaded when 0.3mm wide cracks appeared.The damaged beams were st rengt hened wit h carbon fiber composite sheet s and reloaded to failure.Testing result s showed t hat t he ultimate capacity of st rengt hened beams increased wit h t he amount of carbon fiber compo site sheet s ,and t he larger t he reinforcement ratio was ,t he bigger t he increment of capacity of t he st rengt hened beam was ,but deformation capacity decreased.The flexural behavior of t he st rengt hened beams subjected to monotonic loads was simulated wit h finite element met hod.The calculation result s have a good match wit h test result s ,which indicates t hat calculation model can be used in f urt her numerical analysis.K eyw ords :cracked concrete beam ;low reinforcement ratio ;carbon fiber compo site sheet ;st rengt hening0 引言碳纤维复合材料因其轻质、高强、耐腐蚀等优异性能,近年来在土木工程领域得到广泛应用。
输水隧洞粘贴碳纤维布加固效用的有限元分析
２０１８年第７期２０１８Ｎｕｍｂｅｒ７水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３２卷Ｖｏｌ.３２ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０１８.０７.０１１收稿日期:２０１８－０６－１０作者简介:杜㊀崧ꎬ男ꎬ本科生ꎬ专业研究方向:水利水电工程ꎮ输水隧洞粘贴碳纤维布加固效用的有限元分析杜㊀崧ꎬ秦㊀敢ꎬ杨㊀帆(武汉大学水利水电学院ꎬ湖北武汉㊀４３００７２)摘要:因碳纤维布具有抗拉强度高和耐久性能强等特点ꎬ粘贴碳纤维布进行输水隧洞的补强加固是一种逐步推广应用的有效方法ꎬ具有高强高效㊁施工便捷㊁运输方便㊁耐腐蚀㊁自重轻等优势ꎮ以深圳市东江水源工程沙湾隧洞为例ꎬ以三维有限元作为计算分析工具ꎬ论证碳纤维布在输水隧洞加固中的应用成效ꎮ计算分析表明:碳纤维布加固能够改善衬砌混凝土的应力状态ꎬ对隧洞衬砌结构的稳定起到了一定的作用ꎻ碳纤维布参与承担运行期后续增大的外水压力等荷载后ꎬ能够明显的改善衬砌混凝土的受力状态ꎬ并能抑制衬砌混凝土进一步开裂ꎮ关键词:输水隧洞ꎻ加固ꎻ碳纤维布ꎻ沙湾隧洞ꎻ三维有限元中图分类号:ＴＶ６７２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０１８)０７－００４７－０４ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＥｆｆｅｃｔｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｍｅｒｉｎＷａｔｅｒＣｏｎｖｅｙａｎｃｅＴｕｎｎｅｌＤＵＳｏｎｇꎬＱＩＮＧａｎꎬＹＡＮＧＦａｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＷｕｈａｎ４３００７２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｒｏｎｇｄｕｒａｂｉｌｉｔｙꎬｔｈｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ(ＣＦＲＰ)ｐａｓｔｅｄｉｎｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｖｅｙａｎｃｅｔｕｎｎｅｌｓｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｇｒａｄｕａｌｌｙａｄｏｐｔｅｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ.Ｉｔｉｓｏｆｖａｒｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅꎬｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅ￣ｓｉｓｔａｎｃｅꎬａｎｄｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ.ＢａｓｅｄｏｎａｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅＳｈａｗａｎｔｕｎｎｅｌｏｆＤｏｎｇｊｉａｎｇｗａｔｅｒｓｏｕｒｃｅｐｒｏｊｅｃｔｉｎＳｈｅｎｚ￣ｈｅｎｃｉｔｙꎬａｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐａｓｔｉｎｇＣＦＲＰｉｎｗａｔｅｒｃｏｎｖｅｙａｎｃｅｔｕｎｎｅｌｓ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＣＦＲＰｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｐｌａｙｓａｃｅｒｔａｉｎｒｏｌｅｆｏｒｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.ＩｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄꎬＣＦＲＰｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｌｉｎｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅｂｙｂｅａｒｉｎｇｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄｅｘｔｅｒｎａｌｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｄｅ￣ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｒａｃｋｓｉｎｔｈｅｌｉｎｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｔｅｒｃｏｎｖｅｙａｎｃｅｔｕｎｎｅｌꎻｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎻｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒꎻＳｈａｗａｎｔｕｎｎｅｌꎻｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎ￣ｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ㊀㊀由于受材料性能自然劣化㊁外界条件改变㊁生物及地下水侵蚀对衬砌混凝土的不良影响ꎬ以及设计㊁施工过程中遗留缺陷等不利因素的影响ꎬ隧洞衬砌开裂㊁渗漏㊁混凝土脱落掉块等病害普遍存在ꎬ为确保输水隧洞的安全稳定运行ꎬ其加固补强工作成为日常运行维护管理中的核心问题和重要工作ꎮ另外ꎬ由于输水隧洞停水检修时间短暂(特别是城市饮用水输水隧洞)ꎬ施工作业环境较为恶劣ꎬ环保要求高ꎬ加固补强方法的选择成为这项工作的首要问题ꎮ目前ꎬ隧洞加固常用方法有衬砌替换法[１]㊁增大截面法[２]㊁内套钢拱架法[３]㊁粘钢加固法[４]以及粘贴碳纤维布(ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｏｌｙｍｅｒꎬＣＦＲＰ)法[５]等ꎮ衬砌替换法一般适用于隧洞原有结构已丧失承载能力或结构净空不允许且采用粘钢㊁粘贴ＣＦＲＰ等无法保证承载能力的情形ꎮ增大截面法一般适用于隧洞原有结构仍存在一定的承载能力且结构净空允许的情形ꎮ内套钢拱架法㊁粘钢加固法㊁粘贴ＣＦＲＰ法一般适用于隧洞衬砌裂缝较严重但结构尚有７４水电与新能源２０１８年第７期较强承载能力的情形[６－７]ꎮ此外ꎬ对输水隧洞加固而言ꎬ存在衬砌替换法的周期过长㊁增大截面法影响输水能力㊁内套钢拱架法和粘钢加固法的钢结构腐蚀等问题ꎮＣＦＲＰ作为一种新型复合材料ꎬ具有高强高效㊁施工便捷㊁运输方便㊁耐腐蚀㊁自重轻等优点[８]ꎬ具有抗拉强度高和耐久性能强等特性ꎮ由于ＣＦＲＰ作为抗拉材料能有效地控制衬砌裂缝的继续扩展ꎬ防止衬砌掉块㊁剥落ꎬ已经逐渐成为了隧洞衬砌内表面补强方法中迅速发展的一种ꎬ在隧洞结构加固补强中具有广泛的应用前景[９]ꎮ因此ꎬ在桃花江水库㊁青山水库㊁大伙房水库㊁枫溪水库等工程的输水隧洞加固补强施工中均得到了应用ꎬ并取得了良好的效果ꎮ本文以深圳市东江水源工程沙湾隧洞为例ꎬ以三维有限元作为计算分析工具ꎬ论证ＣＦＲＰ在输水隧洞加固中的应用成效ꎬ以为类似工程的加固方法选择㊁设计㊁施工提供参考依据ꎮ１㊀沙湾隧洞缺陷及ＣＦＲＰ加固方案１.１㊀计算背景沙湾隧洞位于东江水源供水网络干线的中部ꎬ起点在深圳水库库尾西侧ꎬ终点位于深圳市戒毒所南侧ꎬ正洞全长３５９０ｍꎮ在２０１３年８月停水检修期间ꎬ发现沙湾隧洞Ｋ８５＋９１７~Ｋ８５＋９７７段左边墙隧洞起拱处或左边墙出现了多条纵向裂缝ꎬ裂缝宽度最大的达５ｍｍꎬ裂缝渗水较为严重ꎬ在往外渗水的过程中带出大量细颗粒砂岩ꎬ排水管堵塞也比较严重ꎮ纵向裂缝的存在使衬砌混凝土失去了城门洞形结构的整体强度ꎬ存在较大的安全风险ꎻ大量渗水过程中带出的细颗粒砂岩将有可能掏空衬砌背后的围岩而造成隧洞塌方ꎬ一旦这种情况出现ꎬ将造成不可设想的严重后果ꎮ１.２㊀模型概况１)模型范围与规模ꎮ建立包括外围岩体㊁初次衬砌混凝土㊁顶部锚杆㊁二次衬砌混凝土在内的三维有限元整体计算模型ꎮ所取土体距离隧洞中心线的距离分别为:１００ｍ(上)㊁２０ｍ(下)㊁２０ｍ(左)㊁２０ｍ(右)ꎮ模型沿水流方向长度为１０ｍꎮ计算模型共包括单元１１１２４３个ꎬ节点１１３７８７个ꎮ２)锚杆模拟ꎮ在模型中通过实体切割进行定位并采用Ｌｉｎｋ８单元模拟锚杆ꎬ不考虑锚杆与围岩之间的滑移ꎮ３)混凝土模拟ꎮ采用ＡＮＳＹＳ自带的Ｓｏｌｉｄｅ６５单元模拟初次衬砌混凝土与二次衬砌混凝土ꎬ采用笛卡尔坐标系ꎬ每个混凝土单元的大小控制为５ｃｍˑ５ｃｍˑ５０ｃｍ(ＸˑＹˑＺ)ꎮ４)接触分析ꎮ采用Ｃｏｎｔａｃｔ１７４单元模拟初次衬砌混凝土与二次衬砌混凝土之间的相互作用关系ꎮ５)模型约束ꎮ模型底部施加全约束ꎬ左右以及前后端部施加法向约束ꎮ整体三维模型㊁初次衬砌混凝土模型㊁顶部锚杆模型以及二次衬砌混凝土模型的网格图分别如图１~图３所示ꎮ图１㊀初次衬砌混凝土与顶部锚杆网格图图２㊀二次衬砌混凝土网格图图３㊀整体有限元网格图(单位:ｍ)１.３㊀补强方案与有限元模型加固设计方案为衬砌全断面粘贴ＣＦＲＰꎬ粘贴层数为一层ꎮＣＦＲＰ厚度为０.１６７ｍｍꎬ弹性模量为８４杜㊀崧ꎬ等:输水隧洞粘贴碳纤维布加固效用的有限元分析２０１８年７月２４０ＧＰａꎬ泊松比取０.３ꎮ在１.２节模型的基础上ꎬ增加ＣＦＲＰ模型建立粘ＣＦＲＰ补强方案有限元模型ꎮ模型中在二次衬砌混凝土内表面建立ｓｈｅｌｌ６３单元模拟ＣＦＲＰꎮＣＦＲＰ与二次衬砌混凝土之间采用共节点的方式处理ꎬ以保证混凝土与ＣＦＲＰ之间的变形协调ꎬ其中ＣＦＲＰ的有限元模型如图４所示ꎮ图４㊀ＣＦＲＰ有限元模型计算考虑了０.２ＭＰａ的外水压力以及３.５ｍ水头的内水压力ꎬ模型范围同前文一致ꎮ为了考虑隧洞的卸载与加载过程ꎬ计算过程包括以下几步ꎮ１)荷载步１:计算在０.２ＭＰａ的外水压力以及３.５ｍ水头的内水压力共同作用下的应力应变分布情况ꎬ即模拟隧洞停水检修前的状态ꎮ２)荷载步２:在荷载步１的基础上进行 重启动分析 ꎬ计算 停水检修期 衬砌混凝土的应力应变状态ꎮ３)荷载步３:在荷载步２的基础上继续进行 重启动分析 ꎬ计算 运行期 衬砌混凝土的应力应变状态ꎮ２㊀ＣＦＲＰ加固效果的有限元分析２.１㊀线弹性计算结果及分析从计算结果可以看出ꎬ在运行期内㊁外水压力的共同作用下(见图５~图８)ꎬ在没有采用ＣＦＲＰ加固前隧洞二次衬砌Ｘ向的最大位移为３.２２９ｍｍꎬ最大Ｘ向位移出现在边墙位置ꎻ隧洞二次衬砌Ｙ向的最大位移为８.５２４ｍｍꎬ最大Ｙ向位移出现在底板位置ꎻ隧洞二次衬砌的第一主应力为２０.５４８ＭＰａꎬ最大主应力出现在底部边墙转角处外表面ꎮ在采用ＣＦＲＰ进行加固后ꎬ隧二次衬砌Ｘ向位移最大值㊁Ｙ向位移最大值以及第一主应力最大值分别为３.３３６ｍｍ㊁８.１６８ｍｍ㊁２０.９５８ＭＰａꎬ较ＣＦＲＰ施做前隧洞二次衬砌Ｘ向的最大位移㊁Ｙ向的最大位移以及最大第一主应力并没有多大改变ꎬ这主要是因为ＣＦＲＰ刚度不大ꎬ并不能充分限制二次衬砌混凝土的变形ꎮ但从图９和图１０的计算结果可以看出ꎬ在进行ＣＦＲＰ加固后ꎬ由于ＣＦＲＰ参与承载ꎬ二次衬砌混凝土边墙的受拉区域明显减小ꎬ这表明ＣＦＲＰ加固能够改善衬砌混凝土的应力状态ꎬ对隧洞衬砌结构的稳定起到了一定的作用ꎮ图５㊀Ｘ向位移(未加固)图６㊀Ｘ向位移(加固后)图７㊀Ｙ向位移(未加固)图８㊀Ｙ向位移(加固后)９４水电与新能源２０１８年第７期图９㊀第一主应力(未加固)图１０㊀第一主应力(加固后)２.２㊀非线性计算结果及分析由图１１和图１２可知ꎬ在二次衬砌混凝土全断面粘贴ＣＦＲＰ处理后ꎬ二次衬砌混凝土的开裂范围明显减小ꎬ尤其是底板区域混凝土开裂范围明显小于未处理方案ꎬ这说明ＣＦＲＰ参与承担运行期后续增大的外水压力等荷载后ꎬ能够明显的改善衬砌混凝土的受力状态ꎬ并能抑制衬砌混凝土进一步开裂ꎮ图１１㊀开裂情况(未加固)３㊀结㊀语ＣＦＲＰ作为一种新型的复合材料ꎬ在土木结构加图１２㊀开裂情况(加固后)固补强中的应用日益广泛ꎮ在输水隧洞工程的加固施工中ꎬ粘贴ＣＦＲＰ加固可以快速㊁高效施工ꎬ不降低输水能力ꎬ耐久性良好ꎬ是一种较为理想的技术措施ꎮ通过本文的三维有限元计算分析表明:ＣＦＲＰ加固能够改善衬砌混凝土的应力状态ꎬ对隧洞衬砌结构的稳定起到了一定的作用ꎬＣＦＲＰ参与承担运行期后续增大的外水压力等荷载后ꎬ能够明显的改善衬砌混凝土的受力状态ꎬ并能抑制衬砌混凝土进一步开裂ꎮ参考文献:[１]覃维.隧道支护侵限机理分析及换拱方案优化研究[Ｄ].西安:长安大学ꎬ２０１３[２]刘学增ꎬ刘文艺ꎬ桑运龙ꎬ等.叠合式套拱加固带裂损衬砌的破坏机制研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１５ꎬ３４(ｓ２):４２４４－４２５１[３]ＰａｎＷꎬＷｕＫꎬＦａｎｇＹ.Ｈａｚａｒｄａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｅｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒａｉｌｔｕｎｎｅｌ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１５ꎬ２０(２７):１３０７１－１３０８２[４]柳献ꎬ唐敏ꎬ鲁亮ꎬ等.内张钢圈加固盾构隧道结构承载能力的试验研究 整环加固法[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１３ꎬ３２(１１):２３００－２３０６[５]ＡｌｉＡＹꎬＨａｍｚａＢＡ.ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆＲＣＡｒｃｈｅｓｗｉｔｈｏｐｅｎｉｎｇｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｂｙＣＦＲＰｌａｍｉｎａｔｅｓ[Ｃ].ⅧＩｎｔｅｒ￣ｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ:ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ(ＣＯＭＰＬＡＳ２０１５)ꎬ２０１５:４９５－５０６[６]刘海京ꎬ郑佳艳ꎬ林志.公路隧道裂损病害快速加固及修复技术探讨[Ｊ].公路交通技术ꎬ２０１２(２):１０１－１０５[７]ＤＬ/Ｔ５３１５－２０１４ꎬ水工混凝土建筑物修补加固技术规程[Ｓ][８]叶列平ꎬ冯鹏.ＦＲＰ在工程结构中的应用与发展[Ｊ].土木工程学报ꎬ２００６ꎬ３９(３):２４－３６[９]刘德军ꎬ黄宏伟ꎬ薛亚东ꎬ等.纤维编织网增强混凝土补强隧道衬砌力学性能研究[Ｊ].工程力学ꎬ２０１４ꎬ３１(７):９１－９８０５。
楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法
楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法1 前言土木工程领域已有结构的加固改造是当前一个相当普遍的问题。
许多建筑在施工或使用过程中，由于功能的改变，需要进行各种类型的改造，如楼板开洞，柱或承重墙的托换，剪力墙开洞等。
在这些改造中，由于结构荷载、约束条件可能发生变化，受力性能也会产生相应的改变，通常原结构截面或配筋很难满足要求，因此也就存在如何最有效地进行加固的问题。
本文通过一个工程实例，对楼板开洞改造的受力情况用有限元算法进行了分析，并进一步探讨了适用的加固方法。
2 工程分析2.1工程概况某工程为现浇框架-剪力墙结构，现由于使用功能改变，地下一层楼板某一开间内拟开设—4.8m×0.6m的洞口，如图1所示。
图1 楼板洞口开设示意图2 开洞楼板变形分布示意图由图1可见，该处楼板开间为5.95m，进深为8m，而洞口长度达4.8m，且垂直于主受力钢筋大量截断，楼板承载能力大幅度削弱。
另外，洞口边缘可能出现的应力集力也会对结构产生不利影响。
因此，要实现这样的开洞改造，就应对楼板的受力情况进行全面的计算分析，并根据分析结果提出相应的加固方案。
2.2有限元分析用SAP有限元软件对该开洞结构和完全不开洞的楼板进行了弹性对比分析计算（荷载约为28KN/㎡，为参考值，主要用于对比分析）。
图2为开洞楼板的变形分布云图，图3为不开洞楼板的变形分布云图。
图3 不开洞楼板变形分布示意图图4 开洞楼板最大主拉应力分布图对比分析图2和图3可见，在同样的荷载和约束条件下，开有洞口的楼板的最大变形出现在洞口离楼板的边缘较远的一侧长边，达9.88㎜；而普通楼板的最大变形则出现在楼板跨度中心部位，为5.6㎜。
因此按弹性分析的结果，开洞楼板的挠度较不开洞楼板的挠度增加了76.4%，如考虑到楼板混凝土开裂和弹塑性性能等的影响，实际挠度增加的幅度还会更大。
另外，根据弹性分析的结果，开洞楼板的最大主拉应力较不开洞楼板增加了25.6%，这主要反映了洞口在强度上对楼板的削弱作用。
碳纤维板加固预应力板梁有限元模拟分析
Ｂ点 的应变 ８ ＝０．００３ ５，为极 限压 应变 。
单 位 ：ｍ
图 １ 梁横截面
梁 底纵 向粘 贴长 １０ ｅｍ、厚 １．４ ａｍ 的碳 纤 维板 材
果 ，选取高速公路现役桥梁中较常见的 ２０ Ｉｎ跨径的后 张预应 力空 心板 梁 ，采用 Ｍｉｄａｓ ＦＥＡ有 限元 程序 对板
纤维 粘贴 在混凝 土构 件 的受拉表 面 ，使碳 纤维 与 原结 构形成新的受力体系 ，共同变形 以承受荷载 ，提高结构 的承载 能力 。因此 ，认 为混 凝土 构件在 ＿Ｔ作 过程 中截 面 上 的各 点 的变形 始终都 处于 同一平 面 上 ，在受 力计 算
６片 ，间距 １０ ｃｍ，两侧距 截 面边 缘 ７ ｃｍ。
２ 有 限元模拟分析
２．１基本假 设
对碳纤维板材加 固后的钢筋混 凝土受 弯构件进行受 力分析 时 ，正截面承载 力计 算采用下述一些基本｛殴定 。
图 ２ ＣＥＢ—ＦＩＰ标 准规 范 采 用 的 混 凝 土 应 力一应变 曲线 模 式
【关键词 】：有限元；碳纤维板 ；预应力；加固；桥梁
ＦＲＰ板材是 由增强材料和基体构成的纤维材料 ， ２．１．１平 截 面
其 力学性 能参数 变化 范 同很 大 ，因此 在工 程 中有很 大
碳纤 维板 材加 固板梁 的基本 原理 ：采 用树 脂将 碳
的灵 活性 ，具有 可设计 性 。 为验 证 碳 纤 维 复 合 板 材 对 预 应 力 板 梁 的加 固效
４２
预应力碳纤维布加固混凝土梁有限元分析
凝 土梁的试验研究［ ．公路 ，２ ０ （ ） １ ２ Ｊ ］ ０ ７１ ： — ６ ０２
尚守平 ，彭晖 ，童桦 等．预应力碳纤维布材加 固混凝 土
状与展望【 ．工业建筑．２ ０ ，３ （ ） ３ ２ ． Ｊ １ ０ ０ ０１ ： — ６ ０２ ［ 牛赫东 ，吴智深．预应力Ｆ Ｐ ３ ］ Ｒ 纤维布粘结补强技术中的界 面剪切 应力传递ｆ 】 ｃ．第二届 全 国土木 工程用纤维增 强复
图 ｌ 移动端外部情况 ７
保护 罩可每隔一定时 间拆下检查结 构表面 隋况 。
４ 结 语
防落 梁装 置能 有效地 预 防桥梁 在震 动时 发生
坍塌 ，是桥梁安全保证的一个 “ 保险” ，而从防 落梁装置在宿新高速工程 中的应用情况来看 ，其
安装 简便 ，外 表美 观 ，具 有很 高 的应 用价值 。 目 前 国 内的 防落 梁装 置还 属于 初步应 用 阶段 ，随着 桥 梁安 全性 的要求 越来 越高 ，其 将得 到更 高 的重
２ 材 料 和 模 型 参数
试验用 的再生 混凝 土梁 的混凝土 强度设 计值 为Ｃ ０ ３ ，再 生 骨 料 的取 代 率分 别 是 ０ 、５ ％、 ％ ０ ｌ０ ０ ％，梁 的截 面 尺 寸 均 为 ｂ× １ ０ ： ５ ｍｍ ×３ ０ ０ ｍｍ，跨 度Ｌ １０ｍ ＝ ５０ ｍ，纵 向受拉 钢筋 为２ ８ 的螺 纹 钢 ，全梁 均 匀设置 箍筋 为 ６ ０ ，架 立钢 筋 ＠１０ 为２ ８ 圆钢 ，混 凝 土保 护 层 厚度 为２ ｍｍ。试 验 ０ 梁 的截 面 尺寸及 配筋 如 图 １ 所示 。
图４ 现 场 加 载 图
４ 有 限元 分 析
碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析
２２碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析２０１０年３月碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析殷波（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州２２５００９）摘要：建筑工程中广泛采用混凝土板，而对大面积板采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对混凝土结构进行加固补强是一项先进的技术。
本文介绍了碳纤维布材料的性能及碳纤维加固技术的主要功能、特点，并用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了计算分析。
关键词：碳纤维复合材料；加固；混凝土板；ＡＮＳＹＳ；有限元中图分类号：ＴＱ３４２文献标识码：Ａ文章编号：１００３一０９９９（２０１０）０２—００２２—０３１引言在建筑工程中，混凝土结构占有很大的数量。
目前相当多的住宅、别墅、商务等建设用房采用大开间以增加使用面积的结构越来越多。
而大开问的使用则使混凝土板的跨度增大，板的面积增加。
传统方法是相应增加混凝土板的厚度。
由于板厚的增加，使得结构自重也相应增加且建筑物的净高会减小，从而使建筑物的使用受到影响。
另外由于设计、施工造成的问题，如配筋不足、混凝土强度低等，会使结构的承载能力和耐久性能降低，不能满足原设计要求，有的甚至危及结构的安全，这些结构都亟待进行修复加固。
通过对混凝土结构进行补强加固，达到提高结构或构件的抗弯、抗剪、抗拉、抗裂的能力以及抗震、抗腐蚀能力，从而恢复或提高原有结构的承载力。
对混凝土结构补强加固的方法有增大截面法、粘钢法等，这些方法各有利弊。
近几年来采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对钢筋混凝土结构构件进行加强的新技术，在国际上深受重视并已获得较多的应用和发展。
２碳纤维的性能和特点碳纤维是目前建筑结构中使用量最大的高性能纤维。
碳纤维是纤维状碳材料，由含碳量高的有机纤维在保护气氛和施加张力牵引下，通过热处理碳化成为含碳量９０％以上的纤维…。
２．１碳纤维的主要性能（１）力学性能碳纤维具有高强度（抗拉强度相当于一般钢材的１０余倍）、高弹模、密度小、延伸率小等特性，可充分利用其优异的力学性能，有效提高混凝土结构的承载力、延性、抗裂性能。
碳纤维布加固钢管轴压短柱有限元分析
Ｓ Ｙ Ｓ的桁架单元对 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ钢管 中的纤维进行了模 拟 ， 而
得 到 的计 算 结 果 较 试 验 偏 低 ； Ｍ ｏ ｈ ａ ｍ ｍ ａ ｄ Ｚ Ｉ 】 。 综 合 考 虑 了纤 维材 料 正 交方 向的强 度 ， 采 用 正 交 异 性 壳单 元 建立 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ有 限元 模 型 ， 对存 在材料缺陷 的 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ钢 管 进 行 了模 拟 ， 且 考 虑 了碳 纤维 材 料 基 于 ｈ ａ ｓ ｈ ｉ ｎ准 则 的渐 进 损 伤 过程 ， 得 到 的结 果精 度 较 高 。 但 现有 的有 限元 分析 方 法 中 ， 往 往 对 纤 维 材 料 的 受
目前， 碳纤维加 固钢管的研究大多处于试验分析阶
段 。 。 ， 有关 此类 加 固构 件 的 受 力 机 理 以 及 有 限 元 分 析
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ － ０ ８ － ２ ９
作者简介 ： 李兆阳（ １ ９ ９ ０ 一 ） ， 男， 吉林长春人 ， 硕士 生， 主要从事碳纤维加固方面的研 究， （ Ｅ — ｍａ ｉ Ｉ ） ６ ９ ５ １ ３ ３ ４ ７ ２ ＠ｑ ｑ ． ｅ ｏ ｌ ｎ；
Ｖ ｏ １ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ５
Ｏ ｔ ｃ ． ２ ０ １ ５
文章 编 号 ： １ ６ ７ ３ — １ ５ ４ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ － ０ ０ ７ ４ － ０ ５
Ｄ ＯＩ ： １ Ｏ ． １ １ ８ ６ ３ ／ ｊ ． ｓ ｕ ｓ ｅ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ５ ． １ ４
采用 Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ梁单元对 Ｇ Ｆ Ｒ Ｐ钢管 中的纤维进 行模拟 ， 将纤维布沿其纤维方向分成一系列条状 ， 进 而简化为若 干矩形截 面 的梁 单元 ， 得 到 与试 验较 为接 近 的计 算结
CFRP加固钢筋混凝土简支梁有限元分析
CFRP加固钢筋混凝土简支梁有限元分析刘喜良1，付士峰2,李鹏2(1•河北省第四建筑工程公司；2.河北建研科技有限公司)摘要利用大型通用有限元软件ANSYS,对CFRP加固钢筋混凝上简支梁的抗弯性能进行有限元分析。
结果表明，碳纤维布加固混凝上梁后，与未加固梁相比其极限承载力有显著的提髙并且挠度有了明显的减小。
关键词CFRP；混凝上梁；加固：ANSYS1引言碳纤维增强复合材料(CFRP)加固法是近年来兴起的一种新型的结构加固技术，它是以树脂类胶结材料为基体，将碳纤维单向布织物粘贴固化于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。
本文利用有限元软件ANSYS模拟CFRP加固钢筋混凝土简支梁前后的性能，并对其进行对比分析。
2有限元模型的建立2.1分析对象简支梁截面尺寸为bXh= 150mmX30mm,总长3.3m，净跨为3m°混凝上强度等级为C20。
试验梁受拉钢筋为3根16的二级钢筋：受压筋为2根8的一级钢筋：箍筋为8 的一级钢筋，间距为150mm：梁的配筋率为1.53%。
2.2有限元单元模型(1)混凝土单元模型一一solid65ANSYS中专门用于混凝土结构而开发的单元solid65 .此单元可以模拟基于Williams-Warnke 强度理论的混凝土三向受力的非线性响应，并具有开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力。
Solid65单元为八节点六而体单元，每个节点拥有X、Y、Z三个方向的平移自由度，此单元模型在一般范围内可以较好地进行钢筋混凝土的菲线性分析，故本文选择solid65单元模拟混凝土。
(2)钢筋单元模型一一links钢筋用两节点的link8单元，每个节点有两个自由度，可以在X、Y、Z三个方向平移, 此单元能产生塑性变形。
(3)碳纤维单元模型一一shel!41she!141单元平而内具有膜刚性(membrane sitffness)但是平而外不具备弯曲，该单元每个节点具有3个自由度，可以沿节点坐标系X、Y、Z三个方向平移，该单元具有应力刚化和大变形能力。
碳纤维布加固工字型钢梁有限元分析
碳纤维布加固工字型钢梁有限元分析摘要：通过将碳纤维增强聚合物布（CFRP）与受拉面相结合，钢梁的受弯性能可以得到加强。
这种加固梁可能会由于在一个板端开始的CFRP的剥离或由于在局部损伤开始的剥离而失效。
本文介绍了钢梁的有限元模型，使用有限元方法对CFRP加固钢梁破坏进行模拟。
关键词：CFRP；有限元分析；构件屈曲；CFRP剥离引言与混凝土梁类似，钢梁或钢-混凝土组合梁（以下简称为钢梁）可以通过将FRP（通常是CFRP）粘贴到受拉面上从而使受弯性能得到加强。
这种梁在这里称为FRP加固钢梁。
由于CFRP的刚度较高，在钢结构的加固中，CFRP通常比GFRP 等其它FRP更受青睐，因此本文仅关注CFRP的加固。
为了便于讨论，只考虑简支梁。
碳纤维增强复合材料的抗弯强度可同时提高其刚度和强度CFRP加固梁的承载力可由多种可能的破坏模式中的一种或多种控制，包括：（a）平面内弯曲破坏；（b）侧向屈曲；（c）CFRP板端剥离。
其他失效模式包括：（e）抗压边缘屈曲；（f）腹板局部屈曲。
在这些失效模式中，CFRP板的剥离在CFRP加固钢梁的试验中被发现是常见的。
CFRP板的承载能力取决于脱粘时CFRP的贡献，而脱粘时CFRP的贡献又取决于粘结层的粘接应力传递。
因此，准确地模拟碳纤维布与钢接触面的粘结行为在脱粘失效的理论建模中显得尤为重要。
如上所述，在CFRP加固的钢梁中，可能会有板端和中间剥离。
中间剥离开始于缺陷的存在，然后向FRP板的应力较低的地方传播。
这种脱粘与FRP加固混凝土梁中的中间裂缝剥离类似，主要受界面剪切应力的影响。
1 有限元模型使用ABAQUS建立了模型，根据表1-1所示的精确尺寸（模拟构件长度为1100mm）和简支支撑条件，选择通用壳单元，适用于型钢和CFRP板，而利用COHD8对粘结层进行建模在有限元分析。
在有限元模拟中，分析在达到极限荷载后立即终止。
采用正交各向异性材料处理碳纤维布模型。
需要注意的是，虽然有限元模型所采用的几何缺陷和残余应力不一定是准确的，和测试光束中的一样，它们对预测的影响是非常有限的：几何的不完善对由钢截面屈曲控制的极限荷载前的荷载-位移曲线，残余应力仅对曲线靠近的边坡有一定的影响屈服荷载。
碳纤维加固钢梁稳定性有限元分析
碳纤维加固钢梁稳定性有限元分析摘要：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了分析。
结果表明，粘贴CFRP能有效提高工字型梁的稳定性，提高的多少与粘贴的CFRP宽度与厚度密切相关。
关键词：工字型梁；CFRP布；稳定性；有限元模型Abstract: with the widespread use of CFRP, the use of it to reinforce the steel structure of the research is also more and more deeply, but to paste the stability of the steel beam of CFRP cloth is seldom researched, this paper using ABAQUS finite element software CFRP reinforced cloth to work the stability of the steel beam fonts are analyzed. The results show that paste CFRP can improve the stability of the font beam work, improve the pasting CFRP with how much of the width and thickness closely related.Keywords: work fonts beam; CFRP cloth; Stability; Finite element model 1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求，而需要进行加固。
桥梁上部结构碳纤维布加固有限元分析
载， 已建 桥梁 的损伤 及 承 载 力 评 估 和 结 构加 固 已成
１ 引 言 ‘ຫໍສະໝຸດ 为 国 内外 桥 梁 界 的研 究 热 点 。本 文 基 于 有 限 元 方 法 ， 讨 了复 合材 料 的加 固方 法 ， 加 固前后 的桥梁 探 对 上 部 结构 进 行 了应 力 和位 移 的计算 和对 比分析 。
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试 验 技 术 与试 验 机
桥 梁上 部 结构 碳 纤 维 布 加 固有 限元 分 析
徐 文 明 ， 端 才 ， 楚 舜 袁 周
（ 国防科技 大学 指 挥 军官基 础教 育 学 院 ，湖 南 长 沙
摘
４０ ７ ） １ ０ ２
要 ： 对 桥 梁 上 部 结 构 的 损 坏 问题 ， 析 了 碳 纤 维 布 对 其 加 固 补 强 的 方 法 。基 于 有 限 元 方 法 利 用 大 型 通 用 软 针 分
（ ｌｅ ｅｏ ｉｉａ ｙ ｏ ｆｉｅ Ｓ ｉ ｒ ｄ ｃ ｔｏ Ｃｏ ｌｇ ｆ Ｍ ｌｔ ｒ ｆ ｃｒ’ ｍａ ｙ ｅ ｕ ａ ｉ ｎ，Ｎａ ｉｎ ｌＵｎ ｖ ｆ ｆｅ ｃ ｃ ｎ ｌ ｇ ｐｒ ｔｏ ａ ｉ ．ｏ Ｄｅ ｎ ｅＴｅｈ ｏ ｏ ｙ，
Ｈｕ ａ ｈ ｎ ｈ ４ ０ ７ ） ｎ ｎＣ ａ ｇｓ ａ １ ０ ２
Ａｂｓｒ ｃ ： ｎｓ ｒ ｈｅ ｓ ｆ ｔ ｆｓ ｐｅ ｓ ｒ ｔ ｅ， ｅ ｈｏ ｆｒ ｉ ｏｒ ｅ ｅ ｉ ｅ ｓ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｔａ ｔ Ｔｏ ｉ ｕ ｅ ｔ ａ ｅ ｙ ｏ ｕ ｒ ｔ ｕｃ ｕｒ ａ ｍ ｔ ｄ ｏ ｅｎｆ ｃ ｍ ｎｔｂｒｄｇ ｕｐ ｒ ｔ ｕ ｔ ｒ ｗｉｈ ＣＦＲＰ ｓ ａ ｌ ｚ ｄ．，ｕｓｎｇ ｈｅ ＦＥＭ ， ｔ ｓ ｒ ｓ ｅ ｎｄ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍ ｅ ｔ ｆ ｓ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｒ ｔ ｉ ｎａ ｙ ｅ ｉ ｔ ｈｅ ｔ ｅ ｓ ｓ ａ ｉ ｐ ａ ｅ ｎ ｓ ｏ ｕｐ ｒ ｔ ｕ ｔ ｅ ａ ｅ
碳纤维加固混凝土梁、柱节点的有限元分析
ＣＲ Ｆ Ｐ在 混 凝 土 梁 中的 受 力 情 况 பைடு நூலகம் 设 定 Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ材料 为 理 想 弹
｜ 。： … ＿
混 凝 土
型号 抗 ； 魔 抗 撵牲 黪极 限应变 压堪驻强 强囊 壤罐
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的平 动 ， 考 虑 弯 曲 和 扭 转 。扭 转 选 项 （ｏｓ ｎ１代 表 纯 扭 不 Ｔ ｒｏ ａ） ｉ
一
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Ｐ ２
＝ ］下 ＝
．
一
。
项 正 在发 展 中 的 新 技 术 。Ｃ Ｒ Ｆ Ｐ具 有 很 高 的 强 度 、 好 的 极
… … … … … 目 … … … … …｝
耐 腐 蚀 性 与 耐 久 性 ， 及 施 工 便 捷 等 优 点 ， 凝 土 梁 进 行 加 以 混 固过 程 中 可 以 充分 利 用 其 高 强 度 、 模 量 的特 点 ， 高 构 件 高 提 的 承 载 力 和延 性 ， 到 高效 加 固 的 目的 。 目前 ，Ｆ Ｐ加 固后 达 ＣＲ 结 构 的各 种 性 能 的 研究 还不 够 深 入 ， 在此 对 其 加 固 节 点 进 行 非线 性 有 限元 分 析 ， 今 后 碳 纤 维 布 在混 凝 土 结 构 加 固 中 的 为 应 用 与 设 计 提 供参 考 。
碳纤维布加固RC梁试验研究及有限元分析
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌｓｕ ｙ ｏ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ ＲＣ ｅ ｍｓｓｒ ｎ ｔ ｅ ｅ ｔ ｂ ａ ｔ ｅ ｇ ｈ ｎ ｄ ｗｉｈ ＣＦＲＰ ｎ ｎ ｔ ａ ｄ ｆ ｉｅ ｉ
到 比较好 的模拟结果 。
１ 试 验概况
１ １ 试 验设 计 ．
本试验共做 ５根简支梁 ， 中 １ 其 根是无加 固的
控制梁 ， 其余 ４ 根通过变化粘贴底板的厚度、 箍筋强 度和板端 到支座 的距离等参数来研究板端剥离的力 学行为及破坏机理 。每根梁 纵筋 配置相 同， 受拉纵 筋及受压纵筋和箍筋均采用高强钢筋。受拉纵筋屈
ｎ ｅ ｕ ｔ ｏ ｎ ｔ ｅ ｅ ｎ ’ ｌ ｓｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｒｓ ｌ ｆｆ ｉ ｌ ｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｈ ｓ ｉ ｅ ｎ
．
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｒｒｉｆｒｅ ｏｙ ｒ ｈ ｅ ｎ ｅｏ ｄｎ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔａ ａｙｉ ｙ ｗｏ ｄ ： ｂ ｎｏｃ ｄ ｐｌｍｅ ；ｓｅ ｔｅ ｄ ｄ ｂ ｎ ｉｇ；ｆ ｔ ｅｅ ｎ ｎ ｓｓ ｉ ｅ ｅ ｎｅ ｌ
０ 引 言
碳纤 维增强 聚合物 （ ａ ｏ ｉ ｒ ｅ ｆ ｃｄ Ｃ ｒ ｎ Ｆ ｅ —Ｒ ｉ ｏ ｅ ｂ ｂ ｎｒ Ｐｌ ｅ ｌ ｔ ， ｏ ｍ ｒ ａ ｉ 简称 Ｃ Ｒ ） 为一种新 兴的复合 ｙ ／Ｐ ｓｃ ＦＰ 作 加固材料 ， 与传统 的材料相 比具有质量轻、 强度高 、 耐腐蚀、 施工方便 、 不改变原结构尺寸 、 适合不 同结 构形状加 固等优点。随着人们对 Ｆ Ｐ研 究的进一 Ｒ 步深入及 Ｆ Ｐ材料价格下滑 ， Ｒ 它在土木工程 中的应
服强度为 ５６Ｍ ａ受压纵筋及 ８ ５ Ｐ ， 箍筋屈服强度都
碳纤维加固建筑的应用及其有限元分析
社 ． ９ ８． １８ 在腹板 中心线上 ， 为 了便 于纵 向腹板 钢束 的通行 ， 有时 可将竖 向 钢筋对称于腹板 中心线 布置。３ 由于墩 顶箱 梁受 到支 反力产 生 ［ ］ Ｊ Ｇ ６ —０ ４ 公路桥 涵设计通 用规 范［ ］ ） ２ Ｔ Ｉ ０２０ ， ３ Ｓ． ３ Ｔ ２ —５ 公路钢筋混凝土及预应 力混凝 ＿ Ｉ ］ ＋ｓ． － 很大的横 向弯矩 ， 并将 导致箱 梁顶板 出现 较大 的拉应 力 ， 而应 ［ ］ Ｊ Ｊ０ ３８ ， 因
应变 与钢筋 、 混凝土 的应 变 满足变 形协 调原理 ； ） ３ 梁在 加 固前后 的抗剪 承载力足 够 ； ） ４ 混凝 土按 初始 各 向 同性 的弹 塑性 材料 考
固中的设计有一定 的借鉴 意义。
虑， 开裂后按各 向异性计算 ， 假设 为连续均匀材料 ；） 且 ５ 假定 混凝 土单元里面 的任何一个节 点都 能产生裂缝 ， 不考虑 时间 （ 期 ） 龄 和
随着大量建筑达到或超过使用寿 ， 或者 是使用功 能发生改 轻不增加 自重 和断面的尺寸 、 柔性材料施工非 常方便 、 快捷 ； 碳纤
变 以及相当数量的新建建筑出现质量 问题 ， 建筑结构进行 加 固 维复合材料厚度最多仅为几毫米 ， 对 基本上不 改变原结构 的设计尺 越来越成为建筑领域的一个重要分 支。 目前 ， 建筑物 的加 固方 寸 ， 对 同时对建 筑美观影 响不 大 ； 质量易 保证 ， 其 应用 的时 间较 长 ， 法有 许 多 种 ， 中碳 纤 维增 强 聚合 物 （ ａｂ ｎ ＦｂｒＲ ｉ ｏｃｄ 就总体而言 ， 比其他 加固方法其综 合造价较低。 其 Ｃ ｒｏ ｉ ｅ ｆｒｅ ｅ ｎ 相
碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析
（） １ 提高受 弯 构件抗 弯 能力
碳纤 维 布增强 复合 材料 片材 对提 高受 弯构件 抗
达 到 提高结 构 或构 件 的抗 弯 、 剪 、 拉 、 裂 的能 抗 抗 抗
力 以及 抗震 、 腐蚀 能力 ， 而恢 复或提 高原 有结 构 抗 从 的承 载力 。对 混凝 土结构 补强 加 固 的方 法有 增大 截 面法 、 粘钢 法等 ， 这些 方 法各有 利 弊 。近 几年 来采 用 碳 纤 维复合 材 料 （ Ｆ Ｐ） 钢 筋 混凝 土 结构 构 件 进 ＣＲ 对 行 加 强 的新 技术 ， 国 际上 深 受 重 视 并 已获得 较 多 在
２ １ 碳 纤 维的 主要性 能 ．
（） １ 力学性 能
构 件正 常使 用 。
（ ） 工方便 ３施
碳纤 维具 有高 强度 （ 拉强 度 相 当于 一 般钢 材 抗
的 １ 余倍） 高弹模、 ０ 、 密度小、 延伸率小等特性 ， 可充 分利 用其 优异 的力 学性 能 ， 有效 提 性能 ， 到高 强 、 效加 固修 复混 达 高
１ 引 言
在 建筑 工 程 中 ， 凝 土 结 构 占有 很 大 的数 量 。 混
凝土 结构 的 目的 。 （） ２ 热学性 能
目前相 当多的住 宅 、 墅 、 别 商务 等建 设用 房采 用大 开
间 以增 加使 用 面积 的结构 越来 越 多 。而 大开 问 的使 用 则使 混凝 土 板 的跨 度 增 大 ， 的面 积 增 加 。传 统 板 方 法是 相 应 增 加 混 凝 土 板 的厚 度 。 由 于板 厚 的 增
３ Ａ Ｓ Ｓ有 限元 计 算 分 析 与碳 纤 维 ＮＹ 补强 加 固技 术
本文 利用 Ａ Ｓ Ｓ软件进 行计 算分 析 ， 理论 上 ＮＹ 从
CFRP纤维布加固RC柱的有限元分析模型
复合材料学报第22卷 第4期 8月 2005年A cta M ateriae Co mpo sitae SinicaV ol 22No 4A ugust2005文章编号:1000-3851(2005)04-0156-09收稿日期:2004-09-07;收修改稿日期:2005-03-09通讯作者:张大长,副教授,研究方向为结构工程、复合材料加固 E -mail:dczhang@nju CFRP 纤维布加固RC 柱的有限元分析模型张大长1,*,吴智深2(1.南京工业大学土木工程学院,南京210009; 2.日本茨城大学工学院,日本日立316-8511)摘 要: 为了建立统一的碳纤维(CFR P)布加固钢筋混凝土(RC)柱的抗震性能的评价手段,基于二维有限元分析研究探讨分析模型;对3个CFRP 布加固RC 柱进行了2D -F EA 参数模拟分析,考察了现存的裂缝模型、材料本构关系、混凝土的压缩模型对分析结果的影响。
通过分析比较得出,混凝土使用Dar w in -Pecknold 的等价一轴应变模型能很好地模拟CFRP 布加固的R C 柱的非线性特性及其强度;而且修正K ent -Park 模型能够较好地模拟箍筋、CF RP 布对混凝土的横向约束作用,同时Dar win 的破坏准则可以较好地评价二轴应力下混凝土的破坏过程。
通过考察CFRP 布加固的RC 柱的荷载-变形关系、柱子反弯点和柱脚处混凝土、钢筋和CF RP 的应力-应变的发展,进一步证实了CFRP 布对RC 柱的抗震加固十分有效。
关键词: CF RP 布;二维有限元分析;RC 柱;抗震性能;分析模型;等价一轴应变;约束作用;破坏准则中图分类号: T B330 1;T U 37 文献标识码:AFINITE ELEMENT ANALY TICAL MODELS FOR REINFORC ED CONCRETE COLUMNS REINFORC ED WITH C FRP S HEETSZH ANG Dachang 1,*,WU Zhishen 2(1.Co llege of Civil Eng ineering ,N anjing U niversit y of T echnolog y,Nanjing 210009,China;2.Faculty o f Eng ineering ,Ibaraki U niversit y,H it achi 316-8511,Japan)Abstract: In or der to build a unifor m ev aluating means of seismic retr ofitt ing per formance of reinfo rced concr ete co lumns w ith CFRP sheets,analy tical models are studied throug h two -dimensio nal finit e element analy sis (2D -FEA ).Based o n the paramet ric simulation of thr ee RC co lumns st rengthened w ith CF RP sheets,the applicability and availability o f crack mo dels,constitutiv e relat ionships o n cracks and concr ete co mpressive models are investiga -ted.T he r esults show t hat Dar win -P ecknold s equiv alent uniax ial str ain model can be used to simulate the nonlinear behavior and st rengthen effect o f RC co lumns thr ough comparing with test results.T he modified K ent -Park s con -finement model can be used to ev aluate the influences o n capacity of confinement effects f rom hoo p steels and CFRP sheets,and Darw in s failur e cr iteria can be used to evaluate the concrete failure in a biaxial st ress state.Seismic ret -r ofit ting perfo rmances o f RC co lumns str eng thened w ith CFR P sheets are v erified by analy zing lo ad -deformat ion re -latio ns and the processes o f stress -st rain at the inflectio n po int and the foot o f the co lumns.Keywords: CFRP sheets;tw o -dimensio nal finite element analysis;R C column;seismic perfor mance;analytical models;equiv alent uniaxia l strain;confinement effect;failure cr iteria对建筑物平均寿命的要求随着建筑物数量的增加不断提高,建筑物使用寿命和使用性能的维护变得不可缺少。
碳纤维布加固板的有限元分析
一
混凝 土的应力 一应 变 曲线 采 用 Ｒ ｃ ｕ ｈ建议 的数 学
模型 ， 升段为二 次抛物线 ， 降段 为水平 直线 （ １ 。 上 下 图 ）
钢 筋 的本 构 关系 采 用理想 弹塑性 模 型 ， 也就 是在 屈服 点 完 全 弹性 ， 力达 到 ＿ 应 厂 完全 塑性 。
完海鹰（９０ ， ， 徽合肥人 ， 肥工业大学教授． １ ６ 一） 男 安 合
《 程与建设》 ２０ 工 ０ ６年 第 ２ 第 ６期 ６ ７ Ｏ卷 ９
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担平 面 内应力 而 不 能 承受 弯 矩 。该 单 元 每个 节 点 具 有 三个 自由度 ： Ｙ ｚ三个方 向的线 位移 。 ｚ， ，
２ ３ 材 料特 性 ．
其 求 解步骤 为 ： 连 续 的 结 构 离 散 成有 限 多个 单 元 ， 将 并 在 每个单 元 中设 定 有 限多个 节 点 ， 连续 体看 作是 将
不含 钢 筋 的三 维 实 体模 型 。该 实体 模 型 可 具 有拉 裂 与压 碎 的性 能 。该 单 元 可 以模 拟 加 筋复 合材 料 （ 如碳 纤维 ） 的性能 。该 单元 具 有 ８个 节 点 ， 每个 节 点有 三
个 自由度 ， ．， ， 个 方 向 的线 位 移 ； 可 对 三个 即 ３ Ｙ ｚ三 ７ 还
个 近似 的插值 函 数 以表 示 单 元 中场 函 数 的分 布规
律 ； 而利 用力 学 中的变 分原 理建 立用 以求 解节 点未 进
收 稿 日期 ：０ ６０ ９ ２ ０ ４２
作者简介： 杨
碳纤维布加固砖墙片有限元分析
ｏ ｕ ｆｃａ ｔ ｉ ｎ ｉ ｏ ｔｎ ｅ ｈ ｉ ａ ａ ｕ ｔ ｈ ｆｓ ｒａ ｔｎ ｓ ａ ｍｐ ｒａ ｔ ｔｃ ｎ ｃ ｌ ｍｅ ｒ ｏ ｔ ｅ ｓ ｅ
Ｓｌ ｇ ｉ ａ ｎ Ａｌ ａ ｉ － ｌ ｇ － ｕｒ ａ ｔ ｎ － ｋ ｌ —ｓａ —ｓ ｆ ｃ ａ ｔ —ｗａ ｒ ｅ ｔ Ｓｏ ｕｔｏ ｌ ｉ ｎ
梁、 构造柱混凝 土设计强度等级 为 ｃ ２ ， ０ 墙体施加 正 应力 值取 为 ０ ５ＭＰ 。碳纤 维布 的性 能见表 １碳 ． ａ ，
纤 维布 的加 固方式 见表 ２ 。
凸
出
星 星 垦
Ｗ —ｌ Ｗ一 ２ Ｗ 一３
０ ７ １ ８ ０１ ｇ
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Ｉ ＂ 碳纤维布加 固方式示意 图 １１ ｔ
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１ 模 型介 绍
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Ｌ Ｕ ａ Ｉ Ｘｉｎ—ｆ ｎ ， ｅ ｇ ＫＵＡＮＧ ｏ ｇ—ｃ ｕ ｎ。 Ｙ Ｎ ｕ ｎ Ｌｎ ｈａ Ａ ＧＱ ａ
基于有限元法的碳纤维布加固T梁计算方法分析
基于有限元法的碳纤维布加固T梁计算方法分析摘要：碳纤维布加固T梁是桥梁工程中常用的加固手段。
本文在有限元软件ANSYS的基础上结合工程实例对加固后T梁的正截面抗弯承载力进行分析。
结果表明碳纤维布加固可以有效提高混凝土梁的抗弯性能。
关键词：碳纤维布；有限元分析；加固；受弯承载力Abstract: Using the CFRP reinforced T shaped beams in bridge engineering is very popular. This paper adopts ANSYS to analyze the normal section flexural strength of reinforced concrete T beam which is reinforced by CFRP, combining with engineering examples. Results show that CFRP reinforced concrete beams can be effectively improved the flexural performance.Keywords: CFRP; finite element method; reinforce; the flexural performance1 引言桥梁加固中，碳纤维布与传统的粘钢板、外包混凝土等方法相比具有高强度、高耐腐蚀性能、高抗疲劳性能及防水性能、自重轻和施工方便等显著优点，利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件在近些年来的桥梁加固中应用极为广泛[1]。
本文选择工程中广泛采用的钢筋混凝土T型简支梁为研究对象，并结合有限元分析软件ANSYS进行模型分析，旨在对碳纤维布加固桥梁结构的效果进行探讨和研究。
2 计算假定本文对碳纤维布加固钢筋混凝土梁进行分析计算时，采用以下假定：[3][4](1) 截面变形符合平截面假定；(2) 混凝土梁开裂后不考虑受拉区混凝土的作用；(3) 受压区混凝土的应力图形简化为矩形，其抗压强度取混凝土的轴心抗压强度设计值；(4) 在达到受弯承载力极限状态前，碳纤维与混凝土之间应有粘结可靠，不发生剥离破坏；钢筋与混凝土粘结良好，不发生相对滑移。
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杨苏，等：碳纤维布加固板的有限元分析
碳纤维布加固板的有限元分析
杨苏，完海鹰
（合肥工业大学土木建筑工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：碳纤维布加固技术是指利用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，由此而达到对建筑物进行加固补强的目的。
该方法的关键是如何保证碳纤维布与被加固构件的连接效果。
文章采用有限元软件ＡＮｓＹｓ对碳纤维布加固板进行分析，验证了其加固效果。
关键词：碳纤维布；加固；有限元
中图分类号：Ｔｕ３７５．２：０２４１．８２文献标识码：Ａ文章编号：１６７３５７８１（２００６）０６一０６９７０２
大多数建筑物随着时间的流逝，会因劣化、损伤造成使用性能下降，或因技术条件限制无法继续使用。
这就要求对其进行修复、防护或改造加固处理，以满足不同的使用要求。
碳纤维布以其强度高（约为普通钢筋１０倍）、耐腐蚀性及耐久性强、自重轻（约２００ｇ／ｍ２）、易于裁剪、施工简便和经济性好等优点逐渐引起专业加固人员的青睬。
粘贴碳纤维布加固方法技术处理楼板的裂缝问题及提高板的承载能力具有良好的效果，已逐渐成为加固行业的主流［１“］。
１加固补强机理
混凝土板的抗弯加固是将碳纤维布粘贴于板的受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高板的抗弯承载力。
碳纤维在混凝土开裂前应变很小；开裂后，碳纤维逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强性能得以完全体现。
２有限元模型
２．１有限元法基础
有限元法的基本思路是“化整为零，集零为整”。
其求解步骤为：将连续的结构离散成有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的～组单元的集合体；然后选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的变分原理建立用以求解节点未
收稿日期：２００６一０４２９
作者简介：杨苏（１９８０一），女，江苏南通人，合肥工业大学硕士生完海鹰（１９６０一），男，安徽合肥人，合肥工业大学教授．知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。
求解结束后，利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以致整个集合体上的场函数。
２．２单元选择与属性
（１）混凝土单元。
ＳＯＩ。
ＩＤ６５单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。
该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。
该单元可以模拟加筋复合材料（如碳纤维）的性能。
该单元具有８个节点，每个节点有三个自由度，即ｚ，ｙ，ｚ三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。
（２）钢筋单元。
ＬＩＮＫ８单元是有着广泛的工程应用的杆单元，如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹簧等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系Ｘ、ｙ、Ｚ方向的平动。
就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。
（３）碳纤维布单元。
ＳＨＥＬＬ４１为三维空间单元，只具有平面内刚度而没有平面外刚度，即只能承担平面内应力而不能承受弯矩。
该单元每个节点具有三个自由度：ｚ，ｙ，ｚ三个方向的线位移。
２．３材料特性
混凝土的应力一应变曲线采用Ｒｕｃｈ建议的数学模型，上升段为二次抛物线，下降段为水平直线（图１）。
钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，也就是在屈服点．厂，完全弹性，应力达到＾完全塑性。
《工程与建设》２００６年第２０卷第６期６９７
万方数据
杨苏，等：碳纤维布加固板的有限元分析
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图１混凝士压力一应变曲线
２．４非线形求解
ＡＮＳＹＳ求解非线形的方法为牛顿一拉普森迭代法，迭代方程为
［Ｋ７］｛△“）一｛Ｆ）一｛Ｆ”）（１）其中，［Ｋｊ］为切线刚度矩阵；｛△“）为位移增量；｛Ｆ）为外荷载矢量；｛Ｆ”）为内力矢量（单元内力之和）。
每一次迭代采用波前法求解，迭代求解是线性的。
通过迭代，使得残差（Ｆ）一｛Ｆ”）小于收敛准则，从而得到非线性解。
对于混凝土板，一般而言主要是靠Ｆ力的残差满足收敛准则的非线性迭代过程。
ＡＮＳＹＳ的Ｆ力收敛准则为千分之一。
３计算实例
以图３所示的混凝土简支板为计算模型，该板的跨度为２０００ｍｍ，板厚１００ｍｍ。
板底受力方向配筋为姻＠１５０。
混凝土板活荷载为２．ｏｋＮ／ｍ２，局部为６．ｏｋＮ／ｍ２。
板底粘贴１００ｍｍ宽碳纤维布，共５道。
３．１模型建立
在ＡＮＳＹＳ中建立的有限元模型如图２所示。
混凝土的材料参数按规范取值，开口、闭合裂缝剪应力传递系数分别为ｏ．３、ｏ．５，＾一１．２７ｋＮ／ｍ２、＾一１１．９ｋＮ／ｍ２。
钢筋屈服强度为．厂，一２３５ｋＮ／ｍ２，弹性模量Ｅ一２．０６×１０５Ｎ／ｍｍ２。
碳纤维布弹性模量Ｅ一２．３５×１０５Ｎ／ｍｍ２，泊松比取ｏ。
图２有限元模型图
６９８《工程与建设》２００６年第２０卷第６期３．２计算结果分析
结果输出中仅选择钢筋、碳纤维布的最终应变图，分别如图３、图４所示。
图３钢筋应变图
图４碳纤维布应变图
由图３和图４可见，挠度曲线呈抛物线状，跨中处的钢筋和碳纤维布的应变最大，支座处的应变几乎为零。
碳纤维布的最大应变为ｏ．７３４×１０～，钢筋的最大应变为ｏ．７２８×１０～。
由此说明碳纤维加固板设计计算仍可以采用平截面假定，碳纤维布与钢筋能够协同工作。
４结束语
碳纤维布通过结构粘结剂与混凝土板中钢筋共同工作，大幅度的提高了混凝土板的抗弯承载力，用有限元软件可以有效的模拟两者共同工作情况，但两者的共同工作系数有待于进一步研究。
［参考文献］
［１］ｃＥｃｓ２５：９０，混凝土结构加固技术规程［ｓ］．
［２］ＧＢ５０２０４—２００２，混凝土结构工程施工质量验收规范［ｓ］．
［３］ｃＥｃｓｌ４３：２００３，碳纤维片材加固混凝土结构技术规程［ｓ］．［４］杨勇新．碳纤维布与混凝土的粘结性能及其加固混凝土受弯构件的破坏机理研究［Ｄ］．北京：清华大学土木工程学院，２００１．［５］ＭｅｉｅｒＵ．ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ／ｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９５，９（６）：３４１—３５】．
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万方数据。